[发明专利]基于Φ-OTDR的分布式光纤围栏入侵检测与定位方法

说明书

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，具体涉及一种基于Φ-OTDR的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）相同的是，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。

在实际应用中，分布式光纤围栏入侵监测系统尽管相对于其他系统有诸多突出优点，但由于监测距离长，对外界环境干扰敏感，以及光学系统易受外界环境及温度影响不稳定，监测信号信噪比较低，且自身起伏波动大造成入侵检测困难，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基于Φ-OTDR（相位敏感型光时域反射计）的分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，其能有效提取入侵信号真实特征，进行检测和定位，还可以避免噪声影响，准确检测分布式光纤围栏入侵信息并精确定位。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于Φ-OTDR的分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法，包括以下步骤：

将采集到的第i次信号与第i-1次采集信号相减，得到预处理的监测信号；

采用至少三种小波函数对预处理信号进行小波分解；

针对每种小波函数对预处理监测信号进行至少四层小波分解；

对于每种小波分解，根据其所有尺度信号中最大的小波模极大值分布位置一致性判断真实入侵是否存在；其中，至少三个尺度信号中的最大小波模极大值分布位置一致则认为真实入侵存在；

将判断有入侵且最大小波模极大值分布位置一致的尺度信号对应相乘，得到一个伪极大值均被抑制和突变点处模极大值被增强的复合信号，复合信号中最大模极大值所对应的位置即为确定的入侵点的位置；

最后综合多种小波多尺度分析的复合信号判断结果，根据多数投票准则，最终确定入侵的发生及其入侵位置。

进一步地，所述小波函数为haar，db6，coif5和sym5四种。

进一步地，经过haar，db6，coif5和sym5四种小波函数分解后，将四种小波多尺度分析结果再进行综合，若两种以上小波分解得到了相同或一致的判断结果，则认为真实入侵存在；确认入侵点存在时，将判断结果一致的各小波分解下的复合信号再进行相乘得到最终突变点的具体位置信息。

进一步地，每一种小波函数将监测信号进行六层小波分解，包括第一层细节系数d1，第二层细节系数d2，第三层细节系数d3，第四层细节系数d4，第五层细节系数d5，第六层细节系数d6和第六层近似信号a6。

本发明根据Φ-OTDR分布式光纤围栏系统入侵监测原理，当入侵发生时光纤线路受到外界侵扰，对应位置处光纤折射率发生变化，导致该处相干光相位差变化并引起其后向瑞利散射光干涉条纹变化，经两次连续采集信号相减可以得到沿整个光纤空间分布的光强变化信息，即入侵信息。入侵时的信号实质是带有突变的信号，即在信号某一位置处幅值发生突变，引起信号的不连续，其突变点属于第一种类型间断点。入侵检测实际上是非平稳信号的突变检测，由于突变具有持续时间短、宽频带的特点，因此采用小波变换这一有力工具进行检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：基于相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）技术的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及其他人力、物力、财力，同时实现检测报警和定位双重功能，对于长距离及超长距离周界防入侵监测性价比极高。

附图说明

图1为本发明实施例的入侵检测系统原理图；

图2为本发明实施例的入侵检测与定位算法流程；

图3为本发明实施例无入侵时信号进行haar小波分解结果；