[发明专利]基于滑窗原理的光纤分段水听系统

说明书

本发明公开了一种基于滑窗原理的光纤分段水听系统。系统主要包括：部署于水下防护区域的光纤、用于发射光波的激光器、用于光脉冲放大的掺饵光纤放大器(EDFA)、用于光电信号转换的APD、用于电信号转换为数字信号的ADC、用于数字信号处理的DSP、用于进一步处理识别信号以及展示报警的上位机。由于水下环境复杂、检测距离较长，因此本系统采用滑窗原理进行分段检测瑞丽散射波形变化，最大限度消除复杂环境对系统检测准确性的影响。本系统检测原理是基于参考滑窗内的有序样本进行处理。其中，处理流程是：根据实验确定最佳滑窗长度，由前沿滑窗和后沿滑窗进行排序，求取中间值作为参照滑窗值，当前点与参照滑窗值的差值作为振动值；根据分析振动值来确定入侵类型、入侵位置等信息。

技术领域

本发明涉及一种用于一些重要海域、港口等水下监测水听系统，主要用到的技术和原理有：光纤振动、瑞丽散射、有序统计类滑窗原理等。属光纤传感器、光电信号的转换、滑窗算法、水域安防、水听系统等技术领域。

背景技术

目前，较为流行的光纤类水听系统可以按原理分为：强度型光纤水听器、干涉型光纤水听器、光纤光栅水听器。

强度型光纤水听器基于微弯损耗原理，根据光纤微弯损耗导致光纤中的传输模以辐射模的形式损耗，进而导致光功率变化原理制成。虽信号处理简单但性能易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。

干涉型光纤水听器的原理是由激光光源发出的光经光纤定向耦合器分为2路：一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波调制；另路则构成参考臂，提供参考相位，2束波经后端反射膜反射后返回光纤定向耦合器，发生干涉，其光信号经光电探测器后转换为电信号，经处理就可拾取声波信息。有对光源要求低、偏振衰落最小化等优点，但其低频不敏感，进行多路复用时困难较大的缺点会导致其检测水下入侵等的局限性。

光纤光栅型水听器基于光纤布拉格光栅反射波长随外界应力变化而移动原理，由于可在1根光纤上刻写多个光纤光栅，易构成准分布式传感。当宽带光源输出光波经光纤布拉格光栅时，波长满足该条件的光波将被反射，其余则透射。其局限性在于信噪比比较差、精度不够。

本发明介绍一种新型的基于瑞丽散射的光纤水听系统，本系统只需单根光纤，不需要光纤回路，节省成本，系统简单，便于部署；对光源亦无特殊要求；光纤中瑞丽散射在各种散射中最为明显，规律性最强，便于准确分析入侵类型，准确确定入侵位置。本发明并着重介绍本系统中基于滑窗原理的信号检测技术。此技术避免了绝大多数噪音以及杂波对系统准确性的影响。

发明内容

本发明涉及到的系统主要解决的实际问题是提出一个检测重要海域、港口等地的安防系统，防止非法入侵。

为解决上述实际问题，本发明提供的是一种基于瑞丽散射的光纤水听系统。其原理图如图1。其主要结构包括：光纤、激光器、掺饵光纤放大器(EDFA)、用于光电信号转换的APD、用于电信号转换为数字信号的ADC、用于数字信号处理的DSP、用于进一步处理识别信号以及展示报警的上位机。结构示意图如图2。

本发明主要解决的技术问题是提高基于瑞丽散射原理的光纤水听系统中数字信号的准确性，从而提高水听系统的易部署性以及监测的精确性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种基于滑窗算法的CFAR检测器来进行信号检测，输入信号会一次经过一个算法系统，包括：匹配滤波器、平方检波器、滑窗处理、比较器。

其中，匹配滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大的线性滤波器。其滤波器的传递函数形式是信号频谱的共轭。因此匹配滤波器对信号做两种处理：（1）滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都在输出端同相叠加而形成峰值；（2）按照信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率，即当信号与噪声同时进入滤波器时，它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制。