专利名称：一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法
技术领域：
本发明涉及周界安防及分布式光纤传感信号处理领域，具体涉及一种相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)型分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法。
背景技术：
相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)是一种新型分布式光纤传感技术。与常规光时域反射计(OTDR)相同，光脉冲从光纤的一端注入，通过探测器探测后向瑞利散射光判断扰动及故障位置。不同的是，Φ-OTDR系统注入的是强相干光，探测得到的是脉冲宽度范围内后向瑞利散射光相干涉的结果，通过测量输入脉冲与接收到的干涉信号的时间延迟来判断干扰点的位置。相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)型分布式光纤围栏入侵监测系统，利用光缆自身的光纤扰动对周界入侵等威胁安全事件进行在线实时探测、报警和定位，实现重要区域周界或国防边境的入侵监测与防御。系统具有隐蔽性好、监测灵敏度高、监控距离范围广、长距离定位精度高、系统成本较低等突出特点。此外，该系统最大特点是无需专门传感光缆，利用普通通信光缆本身线路作为传感单元，实现在线监测和实时报警，可大大节约系统成本，同时实现检测报警和定位双重功能，对于国境线、军事基地等长距离及超长距离周界防入侵监测性价比极高。实际应用中，分布式光纤围栏入侵监测系统由于监测距离长，对外界环境干扰敏感，监测信号信噪比较低，同时光学系统易受环境温度等因素影响不稳定造成信号自身起伏波动大，入侵检测困难，同时系统误报率偏高。如何在强噪声背景下准确检测入侵并精确确定入侵点位置，有效降低系统虚警率和误报率是长距离分布式光纤围栏入侵监测系统面临的主要问题，直接决定系统的应用前景。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，解决现有的入侵监测系统由于监测距离长，对外界环境干扰敏感，监测信号信噪比较低，同时光学系统易受环境温度等因素影响不稳定造成信号自身起伏波动大， 入侵检测困难，系统虚警率和误报率偏高的问题。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，包括以下步骤
(1)监测信号预处理
分布式入侵监测系统采集信号时每个发射脉冲作为一个信号单元，设采集的原始监测信号
…一Yj:: (t=+;L2.…),其中k表示发射脉冲序号，i表示采样点序号，采
集深度为N，所述监测信号I4表示k时刻或第k个脉冲周期内接收到的散射相干光沿光纤线路的光强分布情况；对采集的原始监测信号I4进行时间片划分或分组，即相邻多个脉冲发射周期作为一个时间片，对该时间片内所有发射周期的监测信号进行累加得到该时间片内的采集信号，
设为IX1), ■ (S/),· == …，_Y:J =L2,·),其中i为采集信号的采样点序
. ''-V-X-I
号，即横向采集时间，j为时间片序号，沿纵向时间轴向后延伸，m为每个时间片内的光脉冲
个数，即累积至一组时间片的监测信号单元数，对相邻时间片的信号(&)』_相减作为入侵检
测与定位的预处理信号S
= (A)j ￠5,)H (i = XX …’ Nu =XX …)；
(2)对预处理信号S进行短时傅里叶变换获得局部能量
在实时监测过程中依次对各时间片内预处理信号S进行如下的短时傅里叶变换，
①式为离散的短时傅里叶变换式，""Cu-》)为短时傅里叶变换的窗函数，y、.为短时傅
里叶变换点数，η表明窗函数的位置；
通过η的增加不断移动窗口位置，从而改变观察点的位置，短时傅里叶变换后，对各段信号的傅里叶变换系数求绝对值得到各段的信号频谱；对各段信号的低频系数分别进行求和，获得监测信号主要成分随时间变化的短时能量分布情况，即沿光缆分布的局部能量尽
Λ". I—1 τ
Ek = T S(j ■ k) (η = 1,2.···.Χε)②
,、l| X.
②式中1￡为局部能量曲线上的总能量值个数，-V,为低频成分个数，取=-V,； (3)获取背景噪声能量
与上述局部能量对应，分时间段计算沿光缆分布的背景噪声能量，在第η时段的能量值&附近取一段能量值做平均，时间长度设为2Μ+1,则第it时段的背景噪声能量值为
(4)突变点检测与定位
将各时段的能量与其背景噪声能量相减，得到去除背景噪声能量后的局部能量分布序列K
对序列(H = Ll进行能量极大值检测，如果
祀近: ￡:f.:: ￡。￡二: t ￡^满足以下条件，￡二即为局部极大值点E…
fiI ^.iiLiX I
权利要求
1. 一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)监测信号预处理分布式入侵监测系统采集信号时每个发射脉冲作为一个信号单元，设采集的原始监测信号= =(t=+;L2.···),其中k表示发射脉冲序号，i表示采样点序号，采集深度为N，所述监测信号I4表示k时刻或第k个脉冲周期内接收到的散射相干光沿光纤线路的光强分布情况；对采集的原始监测信号Z4进行时间片划分或分组，即相邻多个脉冲发射周期作为一个时间片，对该时间片内所有发射周期的监测信号进行累加得到该时间片内的采集信号，设为(S:+i.; - (S;)_;= 艺(X:h(i=l:2,、y:j = L2,"),其中i为采集信号的采样点序‘:·. !Λ、:—1号，即横向采集时间，j为时间片序号，沿纵向时间轴向后延伸，m为每个时间片内的光脉冲个数，即累积至一组时间片的监测信号单元数，对相邻时间片的信号(A)j相减作为入侵检测与定位的预处理信号S 及-(AV)j ( 片O = U-,Nij=1Λ-")；(2)对预处理信号S进行短时傅里叶变换获得局部能量在实时监测过程中依次对各时间片内预处理信号S进行如下的短时傅里叶变换，①式为离散的短时傅里叶变换式，ιφι-《)为短时傅里叶变换的窗函数，-V,为短时傅里叶变换点数，η表明窗函数的位置；通过η的增加不断移动窗口位置，从而改变观察点的位置，短时傅里叶变换后，对各段信号的傅里叶变换系数求绝对值得到各段的信号频谱；对各段信号的低频系数分别进行求和，获得监测信号主要成分随时间变化的短时能量分布情况，即沿光缆分布的局部能量尽￡.. = Τ" -S..(f— ·.Ir) (η = 1.2.---.-Vr ι②IIr②式中1￡为局部能量曲线上的总能量值个数，Λ",为低频成分个数，取=-Yv2 ； (3)获取背景噪声能量 与上述局部能量对应，分时间段计算沿光缆分布的背景噪声能量，在第η时段的能量伯Λ:附近取一段能量值做平均，时间长度设为2Μ+1,则第H时段的背景噪声能量值万4 为(4)突变点检测与定位将各时段的能量与其背景噪声能量相减，得到去除背景噪声能量后的局部能量分布序对序列=进行能量极大值检测，如果K覺近K-:，K K K--^K-I满足以下条件，￡；:即为局部极大值点⑤式中， =π,. ，.…ι为各局部极大值点￡·’ .在序列中的相应位置，J为局*· * — “-tH2 uν Κ /Λ部极大值点个数，然后，从极大能量值序列(i = !k』:nh丨中再检测作为判断入侵发生依据的异常极大能量值；记录异常能量值的位置，判断各局部能量极大值若满足以下条件，则标识为局部异常能量点，"=WfiXX ； ⑥式中Λ:Υ为入侵点个数，、知…‘分别为各入侵点位置； 若集合{ :· = ;^ 2，…= Φ为空，MV = O ,则判断无入侵事件发生 若imzi^ip-i^J集合中元素个数JOT > j ,则判断该事件不是真实入侵事件，根据入侵点的分布位置情况再确定具体哪块周界区域环境变化；若H =集合中事件个数满足0< JWS 3,则判断有真实入侵发生，真实入侵点个数为JW ,各入侵点位置在局部能量曲线上对应‘if 位置； (5)入侵点检测与定位根据去除背景噪声能量后的能量序列=1.2;···:ν￡)中检测出的局部异常能量及其位置、 3，…& ,确定入侵发生，则原始信号中入侵点的突变位置4为^ ilJ7,- -Itet)为步骤(4)中检测出的真实入侵引起的突出能量点位置， …是与札、^，…‘}相对应的真实入侵点在原始监测信号中的突变位置，JV为单个脉冲周期内采集的总数据点数。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，其特征在于在所述确定的各入侵点位置{知:!^!^…!·}附近小范围内的预处理监测信号中，每个Lt:附近[Ι^-αΙ^-σ；!,再寻找最大极大值点 = {mas(|s, |) ι s (LK - - σ)} (η = L2 · ·、ΝΝ、, σ 选取条件为 σ > _\rv ,与各最大极大值点H}相对应的横坐标即为最终确定的准确入侵点位置
全文摘要
本发明公开了一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，对监测信号利用短时傅里叶变换得到监测信号沿布设光缆的瞬时能量分布，将随空间分布的大范围背景噪声能量去除，提取去除背景噪声能量后的能量序列中相对变化较大局部异常的突变点信息及位置，判断是否真实入侵及其位置。本发明利用短时傅里叶变换方法提取入侵点处的突变信息，在去除随机噪声同时，对背景噪声能量进行相减有效抑制了光学系统不稳定及其他因素引入的起伏噪声的干扰影响，解决了分布式光纤围栏在复杂应用环境中强噪声背景下的长距离入侵检测与定位问题，能够有效提高光纤围栏入侵监测系统的正确探测率，同时降低虚警率，提高安防报警系统在实际应用中的置信度水平。
文档编号G08B13/00GK102360519SQ201110214679
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者吴庥伟, 吴慧娟, 李姗姗, 饶云江 申请人:电子科技大学