一種有效的光纖振動信號檢測算法

何啟航

摘 要：該文提出采用單元平均恒虛警（CA-CFAR）和有序統(tǒng)計恒虛警（OS-CFAR）二級檢測算法，保持虛警率穩(wěn)定，既可以提高運算速度，參考單元中如果能夠存在多個目標，還能夠改善它的檢測性能，另外利用蒙特卡羅方法確定二級檢測的門限系數(shù)，最后使用蒙特卡羅仿真方法以及現(xiàn)場實驗驗證，驗證和分析了算法性能，算法的可行性和有效性得到了證明。

關(guān)鍵詞：信號處理 振動信號檢測 二級檢測

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0011-02

在大多數(shù)分布式光纖傳感技術(shù)方面，因為測量過程中靈敏度不高，以及實時性差的原因，極大限制了光石域反射儀（OTDR）在實際當中的應(yīng)用；而相對測量技術(shù)方面，偏振敏感的石域反射儀（P-OTDR）技術(shù)，是因為不能克服的測量精度低，和傳感距離缺陷，有待提高性能；布里淵光石域反射計（B-OTDR），和拉曼石域反射儀（R-OTDR）和拉曼頻率域反射儀（ROFDR），基于非線性效應(yīng)的技術(shù)、測量距離更短和響應(yīng)速度慢和技術(shù)復(fù)雜、成本偏高等幾個方面的問題，也極大限制了實際應(yīng)用；干涉儀技術(shù)方面有邁克耳孫、馬赫-曾德爾等，但是因為易受多種外界因素影響、信噪比（SNR）較低、測量距離有限、系統(tǒng)信號處理復(fù)雜等方面，難以在實際中得到廣泛應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了超級窄帶功率光技術(shù)、相位敏感光石域反射儀（φ-OTDR）技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)，該技術(shù)具有較大的優(yōu)勢，像檢測靈敏度速度反應(yīng)快，并能夠準確定位、較長的測量距離、高信噪比、較低成本等眾多優(yōu)點，目前已經(jīng)成為大范圍分布式監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的最佳選擇之一，但該系統(tǒng)有其局限性，主要表現(xiàn)在它異常敏感，反映信號攜帶大量的雜波和噪聲的振動，造成振動信號的高虛警率。

通過合理設(shè)置虛警概率設(shè)置的恒虛警率（CFAR）檢測算法，從而提高求解效率高的虛警率檢測信號。均勻噪聲背景下，單元平均恒虛警率（CFAR）檢測性能好，但在目標單位檢測時，滑動窗口將出現(xiàn)在其他目標和恒虛警檢測閾值（CA_CFAR_TH）會增加，而且CA-恒虛警率對主要目標檢測性能將大大下降。有序統(tǒng)計恒虛警率（CFAR）方法與CA-恒虛警率和均勻雜波相比必須檢測損失，但在多個目標環(huán)境中，這種方法具有明顯的優(yōu)勢，但由于過度的排序處理時間，不符合要求實時性的項目。

Φ-OTDR通過使用的光纖振動系統(tǒng)采用恒虛警檢測技術(shù)，通過φOTDR 技術(shù)以減少虛警率的檢測信號。CA-恒虛警率就多重目標檢測性能和排序的長時間OS-恒虛警問題，第1頁級檢測使用CA-恒虛警，提高CA CAFR速度的二維列窗，然后測試為2級的OS CFAR檢測結(jié)果。通過這次的方法，提高操作速度3倍，多個參考目標檢測的情況下，得到有效的改善，最后，利用蒙特Carlo模擬和現(xiàn)場試驗驗證方法，分析算法性能，進行算法可行性和有效性驗證。

1 關(guān)于二維列窗結(jié)構(gòu)

在實際應(yīng)用中，光纖中收集到的信號包含具有距離和時間第二層面度，是同時存在的，在需要使用包括距離和時間的二維恒虛擬警察法時，對檢測處理實際在待檢查單位附近的信號，使用二維度空間商的單位，更有效的得到背景復(fù)雜的包的估計。二維恒虛警的結(jié)構(gòu)，在圖1中，是一種采用距離-時間的二維恒虛警方法的檢測方式，2中選定顯示二維恒定假警察方法。

在圖1中，d是檢測單元，如果r是一個參考單位。那么，為防止接收的其他目標，可在檢測單位加上p的保護方法。在圖1（a）形成分布在周圍單位下測試的矩形的參考元素。這種方法是從一維CA CFAR滑動窗口檢測方法進一步的發(fā)展，滑動窗口法對二維窗口延長一維。但在過程中會有大量的無關(guān)檢測單位參考單元，導(dǎo)致檢測性能退化。圖1（b）中，你可以看到，參考窗不是直接從二維平面獲取，它選取參考單元的方式是，一方面利用和檢測單元處于同一距離的單元，另一方面選取處于同一時間單元的那些單元，即參考窗方式為十字形的結(jié)構(gòu)?？梢栽谠趩为毜囊痪S測試不同尺寸，判斷出標準的目標，只是在距離和時間兩個維度在條件超出其閾值的時候。

以上2種方式，通過實際應(yīng)用中取得了一些成果，但是這種方法在工程實際使用中，都需要對所有的數(shù)據(jù)進行遍歷性檢測，其運算量巨大，實時性無法保證。在實際應(yīng)用中，為了解決這個問題，一般選擇一條中間道路—— 二維列窗檢測法。在第二維度列窗檢測的時候，在距離維檢測單元維度上，包括周圍的b的范圍內(nèi)，在相應(yīng)的時間維度上的所有單位，不參與噪聲估計，而停留在檢測單位距離維上，包括在c附近的范圍內(nèi)，一個單位和相應(yīng)的時間維度上所有單位，作為參考單元對噪聲估計，如圖2所示，二維度列窗具有不同的結(jié)構(gòu)。

在檢測過程能夠發(fā)現(xiàn)，和相鄰的b距離單位范圍內(nèi)的雜波和檢測單位的相關(guān)檢測單元是很大的檢測的時候，一般要將檢測單元相鄰的b附件，在檢測過程中的一套“保護單位”，可以將它作為檢測單元和計算參考單元之間的時間間隔，在檢測算法在不是對雜波統(tǒng)計特性的估計。在二維列窗口中，都拿來引用元素，和其對應(yīng)的相同的距離，有數(shù)種不同途徑為時間維度，您可以使用相同的閾值，可以就是需要每個列和列對應(yīng)于相同的閾值進行比較。

2 二級檢測原理

Φ OTDR光纖振動系統(tǒng)的研究，通過分析振動信號的采集，您可以看到信號2噪音使用方形和處理，它跟隨指數(shù)分布的趨勢。圖3可以看到，它是后加工10000點為基礎(chǔ)，其概率密度分布函數(shù)（PDF）圖中已經(jīng)指出，圖3（a）是在沒有振動的情況下，收集到的噪聲概率密度函數(shù)的分布情況，圖3（b）是由具有振動的情況下，收集到的振動信號概率密度函數(shù)的分布情況。

列表窗格中的恒虛警檢測方法，其探測器可以估計背景雜波的功率級，計算樣本均值獲得參考單位是n。OS-恒虛警率可以指定采樣單元，從大到小的排序、采取一種更加簡單的算法估計，這種方法中是選取了采樣單元中的第k個值，用它作為雜波功率水平的估計，這樣的估計在這樣的檢測中是更加科學(xué)合理的，在實際中收到了良好的效果。

3 結(jié)語

Φ-OTDR通過使用技術(shù)的光纖振動系統(tǒng)采用恒虛警檢測技術(shù)，通過φ OTDR技術(shù)以減少虛警率的檢測而信號。CA-恒虛警率就多重目標檢測性能和排序的長時間問題使用CA-恒虛警率，第1頁級檢測中一些OS-CFAR，改進檢測二維列窗CA CAFR的速度，再對其檢測結(jié)果進行第2級的OS-CFAR檢測。采用蒙特卡羅仿真方法確定選擇檢測門限系數(shù)時，如果實際的假報警接近預(yù)設(shè)率，選擇相應(yīng)的系數(shù)。第二級別的測試，測試速度不同參考編號兩倍以上OS-CFAR的速度。最后，驗證算法性能時，采用算現(xiàn)場分析的實驗方法與蒙特Carlo仿真方法，對算法可行性和有效性做了驗證。通過蒙特卡羅仿真確定二級檢測門限系數(shù)的關(guān)系，其理論是不完美的，后來的研究需要繼續(xù)考慮二次檢測門限系數(shù)的關(guān)系，更多的科學(xué)公式進行定量的分析。

參考文獻

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