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）和有序統計恒虛警（OS-CFAR）二級檢測算法，保持虛警率穩定，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，最后使用蒙特卡羅仿真方法以及現場實驗驗證，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

在大多數分布式光纖傳感技術方面，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）在實際當中的應用；而相對測量技術方面，偏振敏感的石域反射儀（P-OTDR）技術，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），基于非線性效應的技術、測量距離更短和響應速度慢和技術復雜、成本偏高等幾個方面的問題，也極大限制了實際應用；干涉儀技術方面有邁克耳孫、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、系統信號處理復雜等方面，難以在實際中得到廣泛應用。近年來，出現了超級窄帶功率光技術、相位敏感光石域反射儀（φ-OTDR）技術已經可以實現，該技術具有較大的優勢，像檢測靈敏度速度反應快，并能夠準確定位、較長的測量距離、高信噪比、較低成本等眾多優點，目前已經成為大范圍分布式監測技術領域的最佳選擇之一，但該系統有其局限性，主要表現在它異常敏感，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。

通過合理設置虛警概率設置的恒虛警率（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，但在多個目標環境中，這種方法具有明顯的優勢，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采用恒虛警檢測技術，通過φOTDR 技術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 關于二維列窗結構

在實際應用中，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雜的包的估計。二維恒虛警的結構，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檢測單位參考單元，導致檢測性能退化。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構?？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，都需要對所有的數據進行遍歷性檢測，其運算量巨大，實時性無法保證。在實際應用中，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，在相應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，一個單位和相應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構。

在檢測過程能夠發現，和相鄰的b距離單位范圍內的雜波和檢測單位的相關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計特性的估計。在二維列窗口中，都拿來引用元素，和其對應的相同的距離，有數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，它跟隨指數分布的趨勢。圖3可以看到，它是后加工10000點為基礎，其概率密度分布函數（PDF）圖中已經指出，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合理的，在實際中收到了良好的效果。

3 結語

Φ-OTDR通過使用技術的光纖振動系統采用恒虛警檢測技術，通過φ OTDR技術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時，如果實際的假報警接近預設率，選擇相應的系數。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的關系，其理論是不完美的，后來的研究需要繼續考慮二次檢測門限系數的關系，更多的科學公式進行定量的分析。

參考文獻

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