基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法，其特征是向传感光纤注入宽度按固定规律变化的脉冲光，将不同脉冲宽度下采集的数据视为不同传感器的输出，采用多传感器信息融合算法对采集数据进行综合处理，根据综合处理的结果判断传感光纤沿线是否有入侵事件的发生，并确定入侵事件发生的具体位置。本发明专利技术充分利用不同脉冲宽度下传感器数据的相关性和差异性，在不增加传感器硬件成本的同时，有效降低了误警率和漏警率，其算法简单，定位精度高。

Anti-error and Leakage Police Method Based on Phase Sensitive Optical Time Domain Reflection Sensor

The invention discloses an anti-mistake alarm and leakage police method based on phase-sensitive optical time-domain reflection sensor, which is characterized by injecting pulsed light whose width varies according to a fixed law into the sensing optical fiber, treating the data collected under different pulse widths as the output of different sensors, adopting multi-sensor information fusion algorithm to synthetically process the collected data, and judging transmission according to the results of the synthetical processing. Whether there are intrusion incidents along the sensing fiber, and determine the specific location of the intrusion incidents. The invention makes full use of the correlation and difference of sensor data under different pulse widths, effectively reduces the false alarm rate and the false alarm rate without increasing the cost of sensor hardware, and has simple algorithm and high positioning accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法
本专利技术涉及光纤分布式测量领域，更具体地说是一种降低相位敏感光时域反射传感器的误警率和漏警率的方法。
技术介绍
相位敏感光时域反射传感器是一种光纤分布式扰动传感器，它可以对传感光纤上任意一点的扰动进行敏感，并给出扰动发生的位置信息。理论上，它可以将被测量作为光纤位置信息的函数，并用一条光纤来取代传统的数百个点阵构成的传感器阵列。相位敏感光时域反射传感器具有监测距离长，施工成本低，无电磁干扰，无需外场供电和适应复杂地形环境等诸多优点，特别适用于长距离、大范围的安防监控和预警。相位敏感光时域反射传感器在周界安防、油气管线安全预警等领域有重要应用。实际应用中，传感光缆沿途可能穿越乡村、农田、河流、沼泽、沙漠、公路和铁路等各种不同的环境，背景噪声十分复杂，既有自然因素引起的振动噪声如风、雨、冰雹、小地震、牛羊的碰触等；也有人为活动引起的噪声如车辆的行驶、周围的施工等。在复杂的环境噪声影响下，相位敏感光时域反射传感器经常出现误告警和漏告警的情形，频繁的误告警使得巡视人员疲于奔命，漏告警则降低了用户的信赖度。因此，有效降低误警率和漏警率是相位敏感光时域反射传感器工程应用急需解决的问题。目前已报道的降低相位敏感光时域反射传感器误警率和漏警率的方法主要有以下两类：一是将相位敏感光时域反射传感器与其它扰动传感器复用：相位敏感光时域反射传感器与其它扰动传感器的数据具有一定的冗余性和互补性，充分利用好这些数据之间的关系能在一定程度上降低误警率和漏警率。目前报道的复用方式有：相位敏感光时域反射传感器和偏振敏感光时域反射传感器复用，根据两个传感器数据的畸变点，共同确定扰动及其位置，如：公开号为CN101488805的专利申请文件中公开的：光纤扰动探测方法及装置；相位敏感光时域反射传感器和Mach-Zehnder干涉仪复用，采用相位敏感光时域反射传感器对扰动事件进行敏感和定位，并采用Mach-Zehnder干涉仪对扰动进行复核，筛选出确实有效的扰动事件(S.Liang,X.Sheng,andS.Lou,"Experimentalinvestigationonlowernuisancealarmratephase-sensitiveOTDRusingthecombinationofaMach-Zehnderinterferometer,"InfraredPhysicsandTechnology,75,117-123,2016)；相位敏感光时域反射传感器和Michelson干涉仪复用，采用相位敏感光时域反射传感器对扰动事件进行敏感和定位，并采用Michelson干涉仪对扰动进行复核，筛选出确实有效的扰动事件(S.Liang,X.Sheng,S.Lou,Y.Feng,andK.Zhang,"CombinationofPhase-SensitiveOTDRandMichelsonInterferometerforNuisanceAlarmRateReducingandEventIdentification,"IEEEPhotonicsJournal,8(2),6802112,2016)。二是通过数据处理提取相位敏感光时域反射传感器数据中更多的时频特征：通过数据处理提取出信号和噪声之间存在显著差异的时频特征，可以滤除背景噪声和系统噪声，降低误警率和漏警率。具体的说，主要有如下几种数据处理方法：将单点历史判断与区域振动群判断相结合的数据处理方法，分别从时间域和空间域的角度去提取出振动特征量，如：公开号为CN104217513A的专利申请文件中公开的：提高相位敏感光时域反射计识别入侵事件准确率的方法；基于时间序列奇异谱的检测方法，对每个滑动时间窗内空间各点的纵向时间序列信号进行相空间重构，对重构后的相空间状态矩阵进行奇异值分解得到信号能量的奇异谱分布，然后将奇异谱特征向量输入后向传播神经网络进行扰动事件检测(李小玉,吴慧娟,彭正谱等."基于时间序列奇异谱特征的Φ-OTDR扰动检测方法,"光子学报，43(4)，0428001,2014)依据过零率和短时能量法进行特征提取，在此基础上采用基于频谱分析的欧式距离进行模式分类，从而有效识别扰动源类型，如：公开号为CN105307212A的专利申请文件中公开的：一种基于相位敏感光时域反射计的快速预警方法；基于支持向量机的信号分类识别方法，首先提取光纤入侵信号样本的时域特征作为训练样本，然后利用核函数将样本映射到高维空间，利用序贯最小化算法训练支持向量机分类器并利用网格寻优和交叉验证获取最优的分类器参数，最后将待分类的光纤入侵信号的特征向量输入到分类器中，根据分类器的输出得到相应的分类结果，如：公开号为CN104966076A的专利申请文件中公开的基于支持向量机的光纤入侵信号分类识别方法；将相位敏感光时域反射传感器与其它扰动传感器复用，能够提供新的数据来源对检测结果进行补充或修正，在一定程度上降低传感器的误警率和漏警率，但必然增加了系统硬件成本，而数据处理的方法是在深入挖掘相位敏感光时域反射传感器的单一数据，缺少冗余和互补的数据支撑。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足之处，提供一种基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法，以期能大幅降低传感器的误警率和漏警率，且不增加任何硬件成本，算法简单，定位精度高。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法，所述相位敏感光时域反射传感器是将光脉冲注入传感光纤，用光电探测器接收传感光纤各位置产生的背向瑞利散射光，根据所接收的背向瑞利散射光通过数据处理判断传感光纤附近是否存在入侵行为并确定入侵的位置；其特点是：所述防误警漏警方法是按如下步骤进行：步骤1、向传感光纤注入宽度按固定规律变化的脉冲光，所述脉冲光的变化规律为：一个周期内含有m个脉冲，任意两个相邻脉冲的间隔为tp，脉冲的宽度为TP，TP＝{TP1,TP2,…,TPm}，TPi为第i个脉冲的宽度，i＝1,2…m；步骤2、数据采集和预处理：用光电探测器采集传感光纤中产生的背向瑞利散射光，并转换为数字量，采样频率为fs，则每注入一个光脉冲采集到的数据长度为tpfs，脉冲宽度变化M个周期后采集到的数据总长为：Mmtpfs，将采集获得的长度为Mmtpfs的数据进行分割，得到数组S，S＝{S1,S2,…,Sm}，Si是针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲采集获得的M组数据，Si＝{Si1,Si2,…,SiM}，Si是一个tpfs行、M列的矩阵，Sik表示第i个脉冲采集获得的第k组数据，k＝1,2…M；步骤3、单脉冲宽度数据报警判断：对矩阵Si的相邻列进行差分，得到针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲的差分矩阵Di：Di＝{|Si2-Si1|,Si3-Si2|,…,SiM-Si(M-1)|}，Di是一个tpfs行、M-1列的矩阵；针对所述矩阵Di的各行分别进行求和得到数组Hi，Hij为Hi的第j个数据，Hij是矩阵Di中第j行所有列数据的和，j＝1,2…tpfs；Dija表示矩阵Di中第j行第a列的元素，a＝1,2…(M-1)；将数组Hi中的最大值和第二极大值分别记为SGi和Ni，则数组Hi的信噪比SNRi为：SNRi＝10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法，所述相位敏感光时域反射传感器是将光脉冲注入传感光纤，用光电探测器接收传感光纤各位置产生的背向瑞利散射光，根据所接收的背向瑞利散射光通过数据处理判断传感光纤附近是否存在入侵行为并确定入侵的位置；其特征是，所述防误警漏警方法是按如下步骤进行：步骤1、向传感光纤注入宽度按固定规律变化的脉冲光，所述脉冲光的变化规律为：一个周期内含有m个脉冲，任意两个相邻脉冲的间隔为tp，脉冲的宽度为TP，TP＝{TP1,TP2,…,TPm}，TPi为第i个脉冲的宽度，i＝1,2…m；步骤2、数据采集和预处理：用光电探测器采集传感光纤中产生的背向瑞利散射光，并转换为数字量，采样频率为fs，则每注入一个光脉冲采集到的数据长度为tpfs，脉冲宽度变化M个周期后采集到的数据总长为：Mmtpfs，将采集获得的长度为Mmtpfs的数据进行分割，得到数组S，S＝{S1,S2,…,Sm}，Si是针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲采集获得的M组数据，Si＝{Si1,Si2,…,SiM}，Si是一个tpfs行、M列的矩阵，Sik表示第i个脉冲采集获得的第k组数据，k＝1,2…M；步骤3、单脉冲宽度数据报警判断：对矩阵Si的相邻列进行差分，得到针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲的差分矩阵Di：Di＝{|Si2‑Si1|,|Si3‑Si2|,…,|SiM‑Si(M‑1)|}，Di是一个tpfs行、M‑1列的矩阵；针对所述矩阵Di的各行分别进行求和得到数组Hi，...

【技术特征摘要】
1.一种基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法，所述相位敏感光时域反射传感器是将光脉冲注入传感光纤，用光电探测器接收传感光纤各位置产生的背向瑞利散射光，根据所接收的背向瑞利散射光通过数据处理判断传感光纤附近是否存在入侵行为并确定入侵的位置；其特征是，所述防误警漏警方法是按如下步骤进行：步骤1、向传感光纤注入宽度按固定规律变化的脉冲光，所述脉冲光的变化规律为：一个周期内含有m个脉冲，任意两个相邻脉冲的间隔为tp，脉冲的宽度为TP，TP＝{TP1,TP2,…,TPm}，TPi为第i个脉冲的宽度，i＝1,2…m；步骤2、数据采集和预处理：用光电探测器采集传感光纤中产生的背向瑞利散射光，并转换为数字量，采样频率为fs，则每注入一个光脉冲采集到的数据长度为tpfs，脉冲宽度变化M个周期后采集到的数据总长为：Mmtpfs，将采集获得的长度为Mmtpfs的数据进行分割，得到数组S，S＝{S1,S2,…,Sm}，Si是针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲采集获得的M组数据，Si＝{Si1,Si2,…,SiM}，Si是一个tpfs行、M列的矩阵，Sik表示第i个脉冲采集获得的第k组数据，k＝1,2…M；步骤3、单脉冲宽度数据报警判断：对矩阵Si的相邻列进行差分，得到针对脉冲宽度为TPi的第i个脉冲的差分矩阵Di：Di＝{|Si2-Si1|,|Si3-Si2|,…,|SiM-Si(M-1)|}，Di是一个tpfs行、M-1列的矩阵；针对所述矩阵Di的各行分别进行求和得到数组Hi，Hij为Hi的第j个数据，Hij是矩阵Di中第j行所有列数据的和，j＝1,2…tpfs；Dija表示矩阵Di中第j行第a列的元素，a＝1,2…(M-1)；将数组Hi中的最大值和第二极大值分别记为SGi...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟翔，赵世松，邓华夏，张进，马孟超，于连栋，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34