光纖周界報(bào)警系統(tǒng)中基于時(shí)域的信號(hào)特征參數(shù)提取方法

摘 要：為提高光纖周界報(bào)警系統(tǒng)對(duì)入侵事件報(bào)警的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一種高效的基于時(shí)域的干涉信號(hào)特征參數(shù)提取算法，并搭建了邁克爾遜光纖干涉儀原理的光纖周界報(bào)警系統(tǒng)用以驗(yàn)證該算法。經(jīng)過(guò)對(duì)敲擊、切割、攀爬和刮風(fēng)等四種典型擾動(dòng)事件的干涉信號(hào)特征參數(shù)的提取，并輸入模式識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行事件甄別，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：光纖周界報(bào)警系統(tǒng) 邁克爾遜光纖干涉儀 時(shí)域 特征參數(shù)提取

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（c）-000-02

光纖周界報(bào)警系統(tǒng)是一種基于分布式光纖傳感器的安全防范系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的傳動(dòng)的被動(dòng)式紅外對(duì)射或基于振動(dòng)電纜的入侵探測(cè)系統(tǒng)，具有監(jiān)視距離長(zhǎng)（超過(guò)

30 km）、抗電磁干擾能力強(qiáng)和維護(hù)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)外已經(jīng)大量采用光纖周界系統(tǒng)對(duì)機(jī)場(chǎng)、軍事禁區(qū)等高安全區(qū)域進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

光纖周界報(bào)警系統(tǒng)一般具有對(duì)入侵事件進(jìn)行報(bào)警、事件定位、事件甄別等三個(gè)主要功能，其中事件甄別是指系統(tǒng)采用模式識(shí)別算法對(duì)攀爬圍欄、切割圍欄、敲擊圍欄等有效入侵事件與刮風(fēng)下雨等干擾性的事件進(jìn)行分類(lèi)和鑒別，以減少誤報(bào)警。

應(yīng)用模式識(shí)別算法提高報(bào)警準(zhǔn)確率的關(guān)鍵是信號(hào)特征參數(shù)的選擇和提取，只有提取出可以表示待識(shí)別事件本質(zhì)特性的特征參數(shù)，才能對(duì)事件進(jìn)行識(shí)別。國(guó)內(nèi)的部分學(xué)者提出了從頻率域提取干涉信號(hào)的特征參數(shù)方法[1-3]，國(guó)外的研究者也多從頻域著手提取干涉信號(hào)的特征參數(shù)。

該文提出并驗(yàn)證了一種基于在時(shí)域內(nèi)高效提取干涉信號(hào)特征參數(shù)的方法。相比頻域的算法具有特征參數(shù)少、算法簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高光纖周界報(bào)警系統(tǒng)的性能。該文將詳細(xì)描述這種方法的原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 光纖周界報(bào)警系統(tǒng)的技術(shù)原理

光纖受到振動(dòng)時(shí)會(huì)由于“光彈效應(yīng)”改變光纖的折射率，光纖折射率的變化又會(huì)改變?cè)诠饫w傳播的光波的相位。通過(guò)光學(xué)干涉法檢測(cè)光波相位的變化，就能獲得振動(dòng)的信息，這是光纖周界報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)入侵事件的理論基礎(chǔ)。

基于邁克爾遜光纖干涉儀的光纖傳感器的原理。光源采用低相干性的寬帶光源SLED，經(jīng)過(guò)光隔離器和去偏器進(jìn)入2X2耦合器中，耦合器的輸出分光比為1∶1的兩束光分別進(jìn)入兩條光纖，其中一條為傳感光纖，另一條為參考光纖。輸出的光一路沿A-B-C-D-A的方向傳播，另一路沿A-D-C-B-A的方向傳播。當(dāng)傳感光纖受到擾動(dòng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變化，因此傳感光纖中傳播的光會(huì)產(chǎn)生相位變化為：

其中，為光波的相位變化，為光在光纖中的傳播常數(shù)，L為受到擾動(dòng)作用的光纖長(zhǎng)度。

沿傳感光纖和參考光纖中傳播的光波可以分別表示為

其中，、表示兩個(gè)光波的場(chǎng)強(qiáng)，、為振幅，為光波角頻率，、為光波的初始相位，、為由于振動(dòng)產(chǎn)生的光波相位變化。

由光波的干涉理論可知相干疊加后的光波可以表示為

其中，，是常量。

長(zhǎng)度為受到擾動(dòng)后，引起的相位變化為

其中n為光纖的折射率。

由（5）式可以看出由于外力導(dǎo)致的光纖的變形將導(dǎo)致在光纖中傳播的光波的相位的變化，由（4）式可以看出兩列光波相位差的變化會(huì)產(chǎn)生干涉信號(hào)。用光電探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉光信號(hào)的變化，就可以檢測(cè)出光纖傳感器沿途入侵產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，從而為報(bào)警算法提供了基本數(shù)據(jù)。

2 光纖周界系統(tǒng)的特征參數(shù)提取與模式識(shí)別

光纖周界報(bào)警系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，一般是將光纖鋪設(shè)在防區(qū)的圍欄之上。對(duì)圍欄的人為侵犯包括敲擊、切割、攀爬圍欄等行為，同時(shí)一些自然現(xiàn)象如刮風(fēng)、下雨等也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。因此，對(duì)光纖周界報(bào)警系統(tǒng)來(lái)講，為了減少誤報(bào)警，必須甄別入侵事件的類(lèi)型。

在光纖周界報(bào)警系統(tǒng)中采用模式識(shí)別技術(shù)可以滿(mǎn)足這一要求，它的基本思路就是通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行分析，找出每類(lèi)事件對(duì)應(yīng)的干涉信號(hào)的特征，然后提取它的特征參數(shù)。再將特征參數(shù)作為模式識(shí)別子系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，模式識(shí)別子系統(tǒng)能從訓(xùn)練樣本中自我學(xué)習(xí)形成識(shí)別模型，最終完成對(duì)各類(lèi)入侵事件的甄別。在模式識(shí)別中，只有提取出可以表示入侵事件本質(zhì)特性的特征參數(shù)，才能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。良好的特征參數(shù)應(yīng)該具有可區(qū)分性、可靠性、獨(dú)立性和數(shù)量少的特點(diǎn)。

在光纖周界報(bào)警系統(tǒng)中，需要對(duì)光纖干涉信號(hào)的采樣值進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)而提取該信號(hào)的特征參數(shù)。在該文的第4小節(jié)將詳細(xì)描述這一方法。

3 光纖周界報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

如圖2所示是光纖周界報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)由光學(xué)傳感光路、檢測(cè)和控制電路、周界報(bào)警服務(wù)主機(jī)三個(gè)部分組成。

其中傳感光路由SLED、出射光纖、2X2耦合器、參考光纖和傳感光纖以及法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組成。其中1550 nm波長(zhǎng)的SLED發(fā)出的通過(guò)出射光纖進(jìn)入2X2耦合器，通過(guò)2X2耦合后的兩束光纖一路為參考光纖，一路為傳感光纖，這兩路光纖中的光束經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后在2X2耦合器處重新交匯。我們將傳感光纖固定在圍欄上，當(dāng)我們對(duì)圍欄施加各種干擾時(shí)，傳感光纖接收這些機(jī)械擾動(dòng)，并在2X2耦合器處疊加產(chǎn)生干涉信號(hào)，此干涉信號(hào)又可以被連接在2X2耦合器一臂的PIN管接收，從而將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

圖1中的檢測(cè)和控制電路有幾個(gè)主要組成部分。一是光源的驅(qū)動(dòng)和溫度控制電路，這部分電路產(chǎn)生恒電流源以驅(qū)動(dòng)SLED發(fā)光，同時(shí)為了獲得穩(wěn)定的干涉信號(hào)，必須保持光源波長(zhǎng)的穩(wěn)定，因此需要 TEC（熱電制冷器）對(duì)SLED進(jìn)行控溫（控溫在25 ℃）以穩(wěn)定SLED的波長(zhǎng)。二是干涉模擬信號(hào)的檢測(cè)和處理電路，這部分電路將PIN管產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)帶通濾波、程控放大等環(huán)節(jié)調(diào)整到最佳的SNR后送入ADC采樣。三是主控和數(shù)字信號(hào)預(yù)處理電路，這部分電路的核心是FPGA，由于光纖周界入侵報(bào)警系統(tǒng)在應(yīng)用中有多個(gè)防區(qū)，需要對(duì)多個(gè)防區(qū)的干涉信號(hào)進(jìn)行并行采集和處理，而且對(duì)干涉信號(hào)的采樣率一般要達(dá)到250 ksps以上，以精確重構(gòu)干涉信號(hào)。所以本平臺(tái)采用FPGA控制ADC采樣和提取干涉信號(hào)的特征參數(shù)。同時(shí)FPGA要提取干涉信號(hào)的特征值并通過(guò)以太網(wǎng)上傳到報(bào)警服務(wù)主機(jī)上。

報(bào)警服務(wù)主機(jī)上運(yùn)行報(bào)警服務(wù)應(yīng)用軟件，該應(yīng)用軟件的主要功能一是對(duì)下位機(jī)設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，二是實(shí)時(shí)采集下位機(jī)上傳的干涉信號(hào)的特征參數(shù)等數(shù)據(jù)，并基于這些特征參數(shù)對(duì)入侵事件的類(lèi)型進(jìn)行甄別，從而產(chǎn)生正確的報(bào)警動(dòng)作。

4 基于時(shí)域的特征參數(shù)提取算法的設(shè)計(jì)

在圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上以250ksps采樣率采集到的一次敲擊圍欄行為采集到的原始干涉信號(hào)。其中橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)是以AD數(shù)字量表示的信號(hào)幅度。

由于干涉信號(hào)在時(shí)域內(nèi)表現(xiàn)為一個(gè)幅度和頻率變化的波形。因此，記錄干涉信號(hào)穿過(guò)某個(gè)閾值的次數(shù)就能指示此時(shí)干涉信號(hào)頻率的大小。而根據(jù)（5）式可知，相位差的大小與光纖的彈性位移成正比。

由此，我們用以下幾個(gè)特征參數(shù)代表一個(gè)干擾事件：

（1）背景噪聲幅度：信號(hào)的背景噪聲幅度。

（2）事件觸發(fā)閾值：干涉信號(hào)幅度超過(guò)此閾值，意味著有外力作用于光纖，標(biāo)志一個(gè)可能的入侵事件的起始，觸發(fā)系統(tǒng)開(kāi)始采樣記錄。

（3）穿過(guò)閾值：開(kāi)始記錄事件后，干涉信號(hào)每正向穿過(guò)閾值一次，計(jì)數(shù)1次。

（4）事件單元：為便于分析干涉信號(hào)特征，將整個(gè)事件持續(xù)的時(shí)間分為若干個(gè)時(shí)間段，例如N=2000點(diǎn)為一段。

（5）穿過(guò)次數(shù)：在一個(gè)事件單元內(nèi)，信號(hào)正向通過(guò)穿過(guò)閾值的次數(shù)記為。

（6）每個(gè)事件單元內(nèi)的峰值

（7）事件持續(xù)時(shí)間：干涉信號(hào)反映的整個(gè)事件的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)在連續(xù)若干個(gè)事件單元時(shí)間內(nèi)小于某個(gè)值時(shí)，可認(rèn)為此事件已經(jīng)結(jié)束。

圖2是幾個(gè)特征參數(shù)的在一個(gè)事件單元內(nèi)的圖形示意。特征參數(shù)的提取過(guò)程如下：首先由報(bào)警服務(wù)主機(jī)設(shè)定采集參數(shù)，包括采樣率、事件觸發(fā)閾值（設(shè)定為大于背景噪聲幅度）以及穿過(guò)閾值。然后，啟動(dòng)采樣，F(xiàn)PGA以設(shè)定采樣率對(duì)信號(hào)持續(xù)采樣，當(dāng)傳感光纖受到擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的干涉信號(hào)幅度將高于，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)采集干涉信號(hào)并實(shí)時(shí)分析該事件的特征參數(shù)和，F(xiàn)PGA將每個(gè)事件單元內(nèi)的和，以及事件持續(xù)時(shí)間上傳到報(bào)警服務(wù)主機(jī)上。

報(bào)警服務(wù)主機(jī)在接收到下位機(jī)上傳的特征參數(shù)后，會(huì)將這些特征參數(shù)輸入模式識(shí)別軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而確定事件的類(lèi)型和性質(zhì)，最后做出報(bào)警處理動(dòng)作。

5 算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本算法對(duì)入侵事件的甄別能力，我們基于圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了一系列的測(cè)試。分別測(cè)試了在圍欄受到敲擊、切割、攀爬以及刮風(fēng)四種擾動(dòng)情況下的干涉信號(hào)及其穿過(guò)次數(shù)統(tǒng)計(jì)值，提取特征參數(shù)的設(shè)置如下：信號(hào)的采樣率為250 ksps，一個(gè)事件單元時(shí)為8 ms（即2000個(gè)采樣點(diǎn)），事件觸發(fā)閾值=1.2 V，穿過(guò)閾值=0.5 V。提取出的4個(gè)典型事件的特征參數(shù)（穿過(guò)次數(shù)和事件持續(xù)事件）具有明顯的差異，可以作為模式識(shí)別的輸入特征參數(shù)進(jìn)行做進(jìn)一步的事件甄別。

6 結(jié)語(yǔ)

以基于邁克爾遜干涉儀原理的光纖周界報(bào)警系統(tǒng)為平臺(tái)，提出了一種在時(shí)間域內(nèi)實(shí)時(shí)提取信號(hào)特征參數(shù)的算法，這個(gè)算法的核心思想提取干涉信號(hào)的穿越次數(shù)（穿過(guò)某一預(yù)設(shè)幅度的計(jì)數(shù)）和持續(xù)時(shí)間，相比提取在頻域內(nèi)進(jìn)行的特征參數(shù)提取算法，該算法具有特征參數(shù)少、運(yùn)算量小的小的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)光纖周界系統(tǒng)最常見(jiàn)的典型干擾事件（即敲擊、攀爬、切割和刮風(fēng)）的干涉信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行提取測(cè)試證明：采用基于時(shí)域的提取算法提取的特征參數(shù)，在不同事件中區(qū)別度良好，適合作為模式識(shí)別系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)進(jìn)一步進(jìn)行事件類(lèi)型甄別。

參考文獻(xiàn)

[1] 藍(lán)天.全光纖周界安全防范系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2008.

[2] 洪濱.基于光纖振動(dòng)傳感器的周界防范裝置的研究[J].技術(shù)探討，2009.

[3] 王燕花.新型光纖傳感系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[4] 侯媛彬.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.