多傳感器信息融合在Φ—OTDR系統(tǒng)中的應用

李　灝，楊德偉，李立京，鐘　翔，孫昌君（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191）

應用技術

多傳感器信息融合在Φ—OTDR系統(tǒng)中的應用

李灝，楊德偉，李立京，鐘翔，孫昌君
（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191）

針對相位敏感光時域反射計（Φ—OTDR）擾動傳感系統(tǒng)存在較為嚴重的漏警和誤警現(xiàn)象的問題，提出了一種多傳感光纖系統(tǒng)方案。該方案結合多傳感器信息融合理論，將傳統(tǒng)的Φ—OTDR系統(tǒng)擴展為多路方案，并利用一種改良的D-S證據(jù)理論算法完成了多路信息的融合。通過實驗證明了方案的可行性，漏警率由2%降至了0；誤警現(xiàn)象由72 h內(nèi)出現(xiàn)9次降至0次。

相位敏感光時域反射計；多傳感器信息融合；報警準確性

0　引言

基于相位敏感光時域反射計（Φ—OTDR）的分布式光纖擾動傳感器，具備高靈敏度、高定位精度、長監(jiān)測距離、分布式實時監(jiān)測等優(yōu)點，在安防領域有著廣闊的應用前景［1］。報警準確率是Φ—OTDR擾動傳感系統(tǒng)的關鍵指標之一，Φ—OTDR所檢測的后向瑞利散射信號極其微弱，且受系統(tǒng)元件穩(wěn)定性、應用環(huán)境復雜性的影響，容易出現(xiàn)漏警或誤警現(xiàn)象，影響Φ-OTDR擾動傳感系統(tǒng)的監(jiān)測效果。傳統(tǒng)方案中，想要提高報警的準確性，往往需要采用性能更加優(yōu)良、穩(wěn)定性更高的光學器件，大大提高了系統(tǒng)的成本，限制了系統(tǒng)的實用推廣。

近年來，多傳感器信息融合技術研究的深入，為解決這一問題提供了新的思路與手段［2］。本文提出一種Φ—OTDR擾動傳感系統(tǒng)的多路信息融合方案，利用多個傳感器間冗余性與互補性，提高Φ—OTDR系統(tǒng)報警準確率。

1　Φ—OTDR多傳感器方案

圖1所示為Φ—OTDR分布式擾動傳感器的工作原理［3］：光脈沖自光纖一端注入，在光纖內(nèi)傳播時會產(chǎn)生后向瑞利散射。Φ—OTDR系統(tǒng)采用窄線寬光源，脈沖寬度區(qū)域內(nèi)的后向瑞利散射光發(fā)生干涉后，光強可以被探測到。當光纖上某點發(fā)生擾動時，干涉作用會引起后向散射光光強變化。受影響時刻的瑞利散射光強曲線同正常時刻的曲線做減法運算，可以得到定位結果曲線，反映出擾動情況。

Φ—OTDR多傳感器信息融合光路方案同傳統(tǒng)Φ—OTDR方案相比，可以將多路傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行綜合處理，利用多傳感器信息間的互補性與冗余性，形成更加全面、精確的判斷結果，增強信息的可靠程度［4］。光纖傳感器的數(shù)量可以根據(jù)實際應用需求、系統(tǒng)硬件性能等因素進行添加與刪減，理論上擴展的數(shù)量越多，系統(tǒng)報警性能就越優(yōu)越。

圖1　Φ—OTDR系統(tǒng)原理圖Fig 1　Principle diagram of Φ—OTDR system

2　多傳感器信息融合方法

考慮到系統(tǒng)實時性需求，本系統(tǒng)采用特征級融合，將各個傳感器的原始數(shù)據(jù)進行特征提取作為待融合信息。融合算法采用了基于D-S證據(jù)理論的改良算法，利用一致性檢測來衡量證據(jù)間彼此支持的程度，作為證據(jù)的權重［5～7］，據(jù)此進行D-S融合。

2.1多傳感器信息特征提取

在Φ—OTDR多傳感器系統(tǒng)中，建立各傳感器的概率函數(shù)，作為融合的特征信息。對于識別框架Θ上的基本概率賦值函數(shù)m，應滿足以下條件

Φ—OTDR系統(tǒng)中各傳感器在識別框架內(nèi)包含4種狀態(tài)：1）實際有擾動，發(fā)出警報；2）實際有擾動，未發(fā)出警報；3）實際無擾動，發(fā)出警報；4）實際無擾動，未發(fā)出警報。

據(jù)此可建立描述報警事件的概率函數(shù)m，形式如m= （a，b，c，d）。

當系統(tǒng)有擾動報警時，a+c=1，b=d=0。a值代表報警是由擾動引起的概率，同定位曲線的信噪比呈正比，計算公式定義為

式中S為定位曲線峰值，代表信號值，N值定義為定位曲線第2～102個點的平均值，代表對信號構成干擾的噪聲。

當系統(tǒng)無報警時，b+d=1，a=c=0。b的值代表出現(xiàn)漏警的概率，通過實驗室測試漏警的先驗概率結合光強的衰減公式

式中L指在有擾動路中觸警位置，km。

2.2特征信息的融合算法

對各傳感器的概率函數(shù)進行融合，每個概率函數(shù)作為一個證據(jù)，步驟如下［8，9］：

對n個證據(jù)進行求和與歸一化，得到各個目標的權重wi，計算公式如下

式中m1，m2，…，mn分別為n個證據(jù)，對于其中一個證據(jù)函數(shù)mj=（mj（A1），mj（A2），mj（A3），…，mj（AN）），Aj為某一個證據(jù)識別框架內(nèi)的某個目標。

計算兩個證據(jù)m1與m2的距離公式為［10］

證據(jù)的相似程度計算如下

證據(jù)mi獲得其他證據(jù)支持度的計算公式為

可得證據(jù)mi的可信度Crd（mi），作為證據(jù)mi的權重

加權平均證據(jù)計算公式

式中

對得到的加權平均證據(jù)m使用D-S理論進行n-1次自組合，組合公式為

2.3融合算法的仿真

基于以上融合步驟，進行了如下的實驗仿真，模擬了三種可能對系統(tǒng)報警構成干擾的情況。其中，光纖傳感器的數(shù)量選擇為4個，仿真結果如表1～表3。

1）外界環(huán)境噪聲較大，對擾動信號造成了一定淹沒，故各路信噪比都較低。

表1　情況一中信息融合的仿真結果Tab 1　Simulation result of information fusion in the first case

2）外界有微小擾動時，某個傳感器出現(xiàn)了漏警故障，其他正常報警。

3）外界無擾動時，某個光纖發(fā)出了誤報，其他光纖不報警。

表2　情況二中信息融合的仿真結果Tab 2　Simulation result of information fusion in the second case

表3　情況三中信息融合的仿真結果Tab 3　Simulation result of information fusion in the third case

通過以上仿真結果，可以得到結論：Φ—OTDR的多路信息融合方案可以明顯提升系統(tǒng)的擾動判定性能。具體體現(xiàn)在：對于幾個可信度不高的傳感信息，經(jīng)過融合以后可以得到對結果支持力度較高的證據(jù)；對個別傳感器的漏警和誤警現(xiàn)象，多路方案具備很強的抵抗能力，綜合結果可以較好地予以排除。

3　實驗驗證

搭建實驗系統(tǒng)如圖2所示，超窄線寬（1.3 kHz）激光光源輸出波長為1550nm的光，被SOA（消光比為30dB）調(diào)制為脈沖光，脈沖周期為400 μs，脈寬為200 ns（占空比為0.05%），此時對應的空間分辨率可達20 m。產(chǎn)生的脈沖光經(jīng)過EDFA放大以后，分為四路注入各路光纖內(nèi)，采集各路的后向瑞利散射數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理單元進行進一步的處理。

圖2　多傳感器實驗方案原理圖Fig 2　Principle diagram of multi-sensors experimental scheme

實驗中每路光纖總長18 km，由一束2 km光纖與一束16 km光纖組成，中間用跳線連接，跳線捆扎在鐵絲網(wǎng)上，通過敲擊鐵絲網(wǎng)模擬作用在跳線位置上的擾動。實驗測試包含2個部分：第一部分是測試多路方案的漏報率，實驗中進行了100次敲擊測試，力度隨機，統(tǒng)計單傳感器和多傳感器系統(tǒng)的報警次數(shù)，實驗結果見表4。

第二部分是測試多傳感器系統(tǒng)長時間運行過程中，對誤報的抵抗效果。觀測時間設定為72 h，實驗期間需保證系統(tǒng)不受來自外界的擾動，比較單傳感器和多傳感器系統(tǒng)

表4　漏警率實驗測試結果Tab 4　Test result of leak alarm rate experiment

在72 h內(nèi)的誤報次數(shù)差異，實驗結果見表5。

表5　誤警率實驗測試結果Tab 5　Text result of false alarm rate experiment

結果顯示：多路方案在降低系統(tǒng)漏警與誤警方面均顯示出良好效果。

4　結論

本文提出了一種Φ—OTDR擾動傳感系統(tǒng)的多路方案，利用多傳感器信息融合的技術，改善傳統(tǒng)Φ—OTDR傳感方案的報警性能。經(jīng)過仿真與實驗測試，表明該方案可以有效地對漏警和誤警予以剔除，大大提高了系統(tǒng)報警判定的可靠性。對于提高Φ—OTDR擾動傳感器的應用價值具有重要的意義。

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Application of multi-sensors information fusion inΦ—OTDR system

LI Hao，YANG De-wei，LI Li-jing，ZHONG Xiang，SUN Chang-jun
（School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China））

Aiming at existence of false alarm and leak alarm phenomena in Φ—OTDR disturbance sensing system，a multi-sensors optical fiber system scheme is proposed.This scheme combines multi-sensors information fusion theory with the traditional Φ—OTDR system，which expands the system to multi-path scheme，then accomplish multi-path information fusion using an improved D-S evidence theory algorithm.The feasibility is confirmed by experiment，the leak alarm rate is reduced from 2%to 0；phenomena of false alarm is reduced from 9 times to 0 in 72 h.

Φ—OTDR；multi-sensors information fusion；alarm accuracy

TP212.1

A

1000—9787（2016）06—0139—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0139—03

2015—09—30

李灝（1989-），男，河北辛集人，碩士研究生，主要研究方向為分布式光纖傳感技術。