[发明专利]一种相敏光时域反射仪扰动信号检测与识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及周界安防、长输管道及大型结构安全监测领域，具体涉及一种相位敏感光时域反射仪扰动信号检测与识别方法。

背景技术

相敏光时域反射仪(Phase-sensitive optical time domain reflectometry，Φ-OTDR) 是一种典型全分布式光纤传感技术，灵敏度高，全程无源，可连续感知传输路径上应变、振动等动态参数的空间分布和时间变化信息，由于探测距离和多点同时定位能力显著优于其他干涉型技术，常作为长距离围栏技术应用的首选，在周界安防、长输油气管道安全、大型结构健康监测等领域发挥重要作用，满足国家在边境线、重要基础设施等方面安全监测的重大需求。

然而，与其他干涉型高灵敏光纤检测系统类似，在实际应用中Φ-OTDR对气候变化、空气流动、声音和机械振动等背景噪声也同时敏感，目前基于光时域反射横向空间信号的检测与定位方法，只能判断扰动有无及其位置，无法确知扰动信号的类型，如是真实扰动还是背景噪声或其他干扰引起，误报频繁，无法满足实际应用要求。而结合空间上各点的纵向时间序列信号进行检测，可以根据不同类型信号随时间变化的特征差异，对各种扰动信号进行分辨和识别，是有效降低系统误报率，提高信号正确检测率的一种有效途径。然而，Φ-OTDR检测的干涉条纹变化是光脉冲范围内无数后向瑞利散射信号干涉结果的统计叠加，是一个复杂的非线性系统，其传感信号具有一定确定性也有一定随机性，这是不同于其他干涉型系统的显著特点，也进一步增加了其实际入侵检测与识别的困难。扰动信号的检测与识别是Φ-OTDR也是干涉型光纤检测系统普遍存在的难题，成为制约其在实际应用中发挥作用的关键，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相位敏感光时域反射仪扰动信号检测与识别方法，解决现有系统由于对外界环境各种干扰敏感，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：通过提取相敏光时域反射仪空间各点的纵向时间序列信号分形特征进行扰动检测和定位，基于该时间序列信号的多尺度时频能量分布特征，结合后向传播（BP）神经网络识别方法进行扰动信号属性的识别和分类。包括以下步骤：

（1）对接收的横向空间信号进行时间累积，得到空间上各点的纵向时间序列信号

相敏光时域反射仪以周期触发脉冲作为一个信号采集单元，触发频率为                                                ，触发周期为，该时间单元内采集的信号是Φ-OTDR光时域反射信号，映射了监测距离内光信号在所有空间点的分布信息。采集脉冲周期触发，空间分布光信息被周期性地采集刷新。设第个触发脉冲周期内接收的散射相干光沿光纤线路的光强分布信息，为，其中：表示横向空间采样点序号，为根据监测距离设置的横向空间上的数据采集长度；以空间某一点作为观测点，该点光信息随的增加进行时间累积，得到了该空间点光信息随时间变化的信号，称为该点的纵向时间序列信号，记为，为该点纵向时间上的采样点序号，为纵向时间上的数据采集长度，纵向时间上采样点间的时间间隔为一个触发周期，。

（2）对空间上某点的纵向时间序列信号进行分形特征提取，并基于该分形特征进行外界扰动检测和定位

  基于相敏光时域反射仪传感信号既有确定性又有随机性，随时间变化具有混沌特征这一事实，以空间点的纵向时间序列信号作为处理对象，简写为，对该时间序列信号进行关联维特征提取，步骤如下：

 ①建立相空间

以1个采样点的时延为例，利用采集的纵向时间序列信号，建立一个维相空间，则在该相空间中可构建个数据点或向量:

    ②计算相空间任意两个数据点间的平均距离

    ③设定不同尺度的球形半径或标度，计算关联维值

     标度的取值一般为，其中为相空间中任意两个数据点间距离的平均值，计算相空间两点小于该球形半径或标度的概率，为一个Heaviside函数，其取值域为：

若分形存在，随着尺度的变化，有，即为关联维数，关联维定义为：

根据上式中-双对数曲线的斜率来估计关联维数，并根据-双对数曲线的斜率变化分辨信号的分形特征及信号差异。注意：计算关联维时相空间维数、时延数据点数、超球半径和数据长度等4个关键参数需要合理选取。