[发明专利]一种分布式光纤围栏入侵检测与定位的方法

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                                                ，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，其中：i为采集信号的采样点序号，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：           

；

（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

①式为离散的短时傅里叶变换式，为短时傅里叶变换的窗函数，为短时傅里叶变换点数，n表明窗函数的位置；

通过n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E_n：

                                                             ②

②式中为局部能量曲线上的总能量值个数，为低频成分个数，取；

（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n时段的能量值附近取一段能量值做平均，时间长度设为，则第时段的背景噪声能量值EE_n为：

                                                               ③

（4）突变点检测与定位