光纖周界報警系統中基于時域的信號特征參數提取方法

摘 要：為提高光纖周界報警系統對入侵事件報警的實時性和準確性，設計了一種高效的基于時域的干涉信號特征參數提取算法，并搭建了邁克爾遜光纖干涉儀原理的光纖周界報警系統用以驗證該算法。經過對敲擊、切割、攀爬和刮風等四種典型擾動事件的干涉信號特征參數的提取，并輸入模式識別系統進行事件甄別，實驗數據表明系統的報警準確率達到90%以上。

關鍵詞：光纖周界報警系統 邁克爾遜光纖干涉儀 時域 特征參數提取

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-000-02

光纖周界報警系統是一種基于分布式光纖傳感器的安全防范系統，相比傳統的傳動的被動式紅外對射或基于振動電纜的入侵探測系統，具有監視距離長（超過

30 km）、抗電磁干擾能力強和維護成本低廉等優點。目前，國外已經大量采用光纖周界系統對機場、軍事禁區等高安全區域進行安全監測。

光纖周界報警系統一般具有對入侵事件進行報警、事件定位、事件甄別等三個主要功能，其中事件甄別是指系統采用模式識別算法對攀爬圍欄、切割圍欄、敲擊圍欄等有效入侵事件與刮風下雨等干擾性的事件進行分類和鑒別，以減少誤報警。

應用模式識別算法提高報警準確率的關鍵是信號特征參數的選擇和提取，只有提取出可以表示待識別事件本質特性的特征參數，才能對事件進行識別。國內的部分學者提出了從頻率域提取干涉信號的特征參數方法[1-3]，國外的研究者也多從頻域著手提取干涉信號的特征參數。

該文提出并驗證了一種基于在時域內高效提取干涉信號特征參數的方法。相比頻域的算法具有特征參數少、算法簡潔、實時性高等優點，可以有效提高光纖周界報警系統的性能。該文將詳細描述這種方法的原理和軟硬件實現方法。

1 光纖周界報警系統的技術原理

光纖受到振動時會由于“光彈效應”改變光纖的折射率，光纖折射率的變化又會改變在光纖傳播的光波的相位。通過光學干涉法檢測光波相位的變化，就能獲得振動的信息，這是光纖周界報警系統探測入侵事件的理論基礎。

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，經過光隔離器和去偏器進入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。當傳感光纖受到擾動作用時，會產生應力變化，因此傳感光纖中傳播的光會產生相位變化為：

其中，為光波的相位變化，為光在光纖中的傳播常數，L為受到擾動作用的光纖長度。

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，、表示兩個光波的場強，、為振幅，為光波角頻率，、為光波的初始相位，、為由于振動產生的光波相位變化。

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。

長度為受到擾動后，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致的光纖的變形將導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產生干涉信號。用光電探測器實時監測干涉光信號的變化，就可以檢測出光纖傳感器沿途入侵產生的振動信號，從而為報警算法提供了基本數據。

2 光纖周界系統的特征參數提取與模式識別

光纖周界報警系統在實際應用中，一般是將光纖鋪設在防區的圍欄之上。對圍欄的人為侵犯包括敲擊、切割、攀爬圍欄等行為，同時一些自然現象如刮風、下雨等也會產生擾動。因此，對光纖周界報警系統來講，為了減少誤報警，必須甄別入侵事件的類型。

在光纖周界報警系統中采用模式識別技術可以滿足這一要求，它的基本思路就是通過對干涉信號進行分析，找出每類事件對應的干涉信號的特征，然后提取它的特征參數。再將特征參數作為模式識別子系統的輸入數據，模式識別子系統能從訓練樣本中自我學習形成識別模型，最終完成對各類入侵事件的甄別。在模式識別中，只有提取出可以表示入侵事件本質特性的特征參數，才能對其進行識別。良好的特征參數應該具有可區分性、可靠性、獨立性和數量少的特點。

在光纖周界報警系統中，需要對光纖干涉信號的采樣值進行數字信號處理，進而提取該信號的特征參數。在該文的第4小節將詳細描述這一方法。

3 光纖周界報警系統實驗平臺的設計

如圖2所示是光纖周界報警系統的實驗平臺。整個平臺由光學傳感光路、檢測和控制電路、周界報警服務主機三個部分組成。

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鏡組成。其中1550 nm波長的SLED發出的通過出射光纖進入2X2耦合器，通過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過法拉第旋轉鏡反射后在2X2耦合器處重新交匯。我們將傳感光纖固定在圍欄上，當我們對圍欄施加各種干擾時，傳感光纖接收這些機械擾動，并在2X2耦合器處疊加產生干涉信號，此干涉信號又可以被連接在2X2耦合器一臂的PIN管接收，從而將干涉光信號轉化為電信號。

圖1中的檢測和控制電路有幾個主要組成部分。一是光源的驅動和溫度控制電路，這部分電路產生恒電流源以驅動SLED發光，同時為了獲得穩定的干涉信號，必須保持光源波長的穩定，因此需要 TEC（熱電制冷器）對SLED進行控溫（控溫在25 ℃）以穩定SLED的波長。二是干涉模擬信號的檢測和處理電路，這部分電路將PIN管產生的光電流轉化為電壓信號，同時經過帶通濾波、程控放大等環節調整到最佳的SNR后送入ADC采樣。三是主控和數字信號預處理電路，這部分電路的核心是FPGA，由于光纖周界入侵報警系統在應用中有多個防區，需要對多個防區的干涉信號進行并行采集和處理，而且對干涉信號的采樣率一般要達到250 ksps以上，以精確重構干涉信號。所以本平臺采用FPGA控制ADC采樣和提取干涉信號的特征參數。同時FPGA要提取干涉信號的特征值并通過以太網上傳到報警服務主機上。

報警服務主機上運行報警服務應用軟件，該應用軟件的主要功能一是對下位機設定運行參數，二是實時采集下位機上傳的干涉信號的特征參數等數據，并基于這些特征參數對入侵事件的類型進行甄別，從而產生正確的報警動作。

4 基于時域的特征參數提取算法的設計

在圖2所示的實驗平臺上以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。其中橫坐標是采樣點數，縱坐標是以AD數字量表示的信號幅度。

由于干涉信號在時域內表現為一個幅度和頻率變化的波形。因此，記錄干涉信號穿過某個閾值的次數就能指示此時干涉信號頻率的大小。而根據（5）式可知，相位差的大小與光纖的彈性位移成正比。

由此，我們用以下幾個特征參數代表一個干擾事件：

（1）背景噪聲幅度：信號的背景噪聲幅度。

（2）事件觸發閾值：干涉信號幅度超過此閾值，意味著有外力作用于光纖，標志一個可能的入侵事件的起始，觸發系統開始采樣記錄。

（3）穿過閾值：開始記錄事件后，干涉信號每正向穿過閾值一次，計數1次。

（4）事件單元：為便于分析干涉信號特征，將整個事件持續的時間分為若干個時間段，例如N=2000點為一段。

（5）穿過次數：在一個事件單元內，信號正向通過穿過閾值的次數記為。

（6）每個事件單元內的峰值

（7）事件持續時間：干涉信號反映的整個事件的持續時間。當在連續若干個事件單元時間內小于某個值時，可認為此事件已經結束。

圖2是幾個特征參數的在一個事件單元內的圖形示意。特征參數的提取過程如下：首先由報警服務主機設定采集參數，包括采樣率、事件觸發閾值（設定為大于背景噪聲幅度）以及穿過閾值。然后，啟動采樣，FPGA以設定采樣率對信號持續采樣，當傳感光纖受到擾動時，產生的干涉信號幅度將高于，進而觸發系統采集干涉信號并實時分析該事件的特征參數和，FPGA將每個事件單元內的和，以及事件持續時間上傳到報警服務主機上。

報警服務主機在接收到下位機上傳的特征參數后，會將這些特征參數輸入模式識別軟件中進行進一步的分析，從而確定事件的類型和性質，最后做出報警處理動作。

5 算法的實驗驗證

為了驗證本算法對入侵事件的甄別能力，我們基于圖2所示的實驗平臺進行了一系列的測試。分別測試了在圍欄受到敲擊、切割、攀爬以及刮風四種擾動情況下的干涉信號及其穿過次數統計值，提取特征參數的設置如下：信號的采樣率為250 ksps，一個事件單元時為8 ms（即2000個采樣點），事件觸發閾值=1.2 V，穿過閾值=0.5 V。提取出的4個典型事件的特征參數（穿過次數和事件持續事件）具有明顯的差異，可以作為模式識別的輸入特征參數進行做進一步的事件甄別。

6 結語

以基于邁克爾遜干涉儀原理的光纖周界報警系統為平臺，提出了一種在時間域內實時提取信號特征參數的算法，這個算法的核心思想提取干涉信號的穿越次數（穿過某一預設幅度的計數）和持續時間，相比提取在頻域內進行的特征參數提取算法，該算法具有特征參數少、運算量小的小的優點。經過對光纖周界系統最常見的典型干擾事件（即敲擊、攀爬、切割和刮風）的干涉信號特征參數進行提取測試證明：采用基于時域的提取算法提取的特征參數，在不同事件中區別度良好，適合作為模式識別系統的輸入參數進一步進行事件類型甄別。

參考文獻

[1] 藍天.全光纖周界安全防范系統[J].光學技術，2008.

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

[3] 王燕花.新型光纖傳感系統的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2009.

[4] 侯媛彬.神經網絡[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.