微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)研究

許海燕+艾鑫+吳紅艷

摘要： 微分干涉型光纖傳感是一種新型的傳感系統(tǒng)，可應(yīng)用于長(zhǎng)距離、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的監(jiān)控和檢測(cè)。提出了一種基于小波變換的分布式光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法，采用時(shí)域頻域能量分布算法，建立不同觸發(fā)模式的模型，該識(shí)別方法可應(yīng)用于研究入侵信號(hào)的模式識(shí)別，并通過大量的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 微分干涉； 光纖傳感； 小波變換； 模式識(shí)別

中圖分類號(hào)： TP 212文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年來，分布式光纖傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合于幾十公里范圍內(nèi)的長(zhǎng)距離監(jiān)控、靈敏度高且抗電磁干擾能力強(qiáng)，在管道泄漏和損壞的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)測(cè)及干線安全防護(hù)等方面都有廣泛應(yīng)用[14]。微分干涉型光纖傳感器以單根光纖復(fù)用作為信號(hào)載體和分布式感應(yīng)單元，拾取外界擾動(dòng)，再對(duì)該信號(hào)運(yùn)用頻譜分析等解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)源的定位監(jiān)控[57]。在工程應(yīng)用中，擾動(dòng)源種類的識(shí)別能夠使監(jiān)控方做出正確的反應(yīng)和有效的措施，因此成為干涉型光纖傳感系統(tǒng)的迫切需求?，F(xiàn)有的光纖周界系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)識(shí)別方法主要有兩種，一種是采用基于入侵振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行分析，如振動(dòng)信號(hào)幅度或者過零率等。該方法由于進(jìn)行模式識(shí)別的特征參數(shù)數(shù)量少，因此不能準(zhǔn)確地區(qū)分各種外界振動(dòng)信號(hào)，誤報(bào)率高。另一種是采用信號(hào)的頻譜技術(shù)，根據(jù)多維的頻譜特征作為判別的依據(jù)。該方法計(jì)算量大，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。并且，分布式光纖傳感器的信號(hào)是基于光在光纖內(nèi)干涉形成，并不能很好的適合已有模型。本文提出了一種基于小波變換理論的微分干涉型光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法。將信號(hào)分解為基于時(shí)域和頻域的向量，根據(jù)小波變換后的能量分布特性確定不同模式的特征向量。不僅解決了單純的時(shí)域特征分類效果有限的問題，同時(shí)，運(yùn)算效率高且實(shí)際應(yīng)用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)傳感原理微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從SLD寬帶光源發(fā)出的光，依次通過3×3和2×2兩個(gè)光纖耦合器后進(jìn)入傳感光纖（光纜），在終端遇到反射面后原路返回，再依次通過2×2和3×3耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器D1和D2。在兩個(gè)光纖耦合器之間的兩個(gè)連接臂，分別采用延遲光纖和直通光纖的方式形成非平衡馬赫曾德爾干涉結(jié)構(gòu)，其中延遲光纖產(chǎn)生的時(shí)間延遲為τ。從SLD發(fā)出的光，往返傳播后，在探測(cè)端共形成四條光路，由于寬帶光源的存在，最終只有兩條光路能夠形成干涉。在傳感光纖上沒有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，兩條干涉光路始終等長(zhǎng)，無法形成干涉；當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)檫@兩束光是以時(shí)間差τ先后經(jīng)過擾動(dòng)源D，而擾動(dòng)是對(duì)光的相位進(jìn)行隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)調(diào)制，因此在探測(cè)器D1和D2中就會(huì)形成干涉。

分布式光纖傳感系統(tǒng)的魯棒性主要有兩個(gè)方面考慮：一是不同人動(dòng)作的差異性影響，例如A的敲擊動(dòng)作和B的敲擊動(dòng)作不同；二是自然環(huán)境的影響導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲干擾，比如監(jiān)控區(qū)域附近施工或下雨。對(duì)于第一種人為因素影響，在建立特征模型參數(shù)和數(shù)據(jù)采集時(shí)使用不同的人進(jìn)行相同模式的觸發(fā)動(dòng)作。盡管不同的人動(dòng)作方式不同，但最基本的行為方式是相同的，并且模式間的距離也有足夠的裕度作為識(shí)別緩沖。由于微分干涉光纖傳感器的工程應(yīng)用和環(huán)境相關(guān)密切，所以自然條件的干擾要求模式識(shí)別算法有較強(qiáng)的魯棒性。自然環(huán)境的影響通常包含雨水滴落等的影響。在以上觸發(fā)信號(hào)中疊加雨天系統(tǒng)噪聲來測(cè)試該算法對(duì)干擾的魯棒性，結(jié)果如表2所示。從驗(yàn)證結(jié)果來看，該算法達(dá)到了應(yīng)用于實(shí)際工程中的魯棒性的要求。4結(jié)語本文基于微分干涉儀傳感原理，構(gòu)建了光纖傳感識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)識(shí)別基于小波變換理論，建立了分布式光纖傳感器的觸發(fā)模式模型，并給出了觸發(fā)模式的識(shí)別方法。經(jīng)驗(yàn)證，該算法能夠解決實(shí)際工程中發(fā)生的模式識(shí)別問題，對(duì)摸光纜、輕敲、重敲、踩光纜等其中入侵行為有很好的識(shí)別能力，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)86%，并分析和討論了系統(tǒng)的魯棒性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]HOFFMAN P R，KUZYK M G.Position determination of an acoustic burst along a Sagnac interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2004，22（2）：494498.

[2]HONG G W，JIA B，TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2007，25（10）：30573061.

[3]LIN W W.Novel distributed fiber optic leak detection system[J].Optical Engineering，2004，43（2）：278279.

[4]KURMER J P，KINGSLEY S A，LAUDO J S，et al.Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J].Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors，1992，1586（1）：117128.

[5]潘岳，王健.雙馬赫—曾德爾型干涉儀定位技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：5459.

[6]吳紅艷，賈波，葉佳，等.基于光纖干涉定位系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）：4547.

[7]LUO G M，ZHANG C X，et al.Distributed fiber optic perturbation locating sensor based on DualMachZehnder interferometer[J].

摘要： 微分干涉型光纖傳感是一種新型的傳感系統(tǒng)，可應(yīng)用于長(zhǎng)距離、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的監(jiān)控和檢測(cè)。提出了一種基于小波變換的分布式光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法，采用時(shí)域頻域能量分布算法，建立不同觸發(fā)模式的模型，該識(shí)別方法可應(yīng)用于研究入侵信號(hào)的模式識(shí)別，并通過大量的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 微分干涉； 光纖傳感； 小波變換； 模式識(shí)別

中圖分類號(hào)： TP 212文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年來，分布式光纖傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合于幾十公里范圍內(nèi)的長(zhǎng)距離監(jiān)控、靈敏度高且抗電磁干擾能力強(qiáng)，在管道泄漏和損壞的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)測(cè)及干線安全防護(hù)等方面都有廣泛應(yīng)用[14]。微分干涉型光纖傳感器以單根光纖復(fù)用作為信號(hào)載體和分布式感應(yīng)單元，拾取外界擾動(dòng)，再對(duì)該信號(hào)運(yùn)用頻譜分析等解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)源的定位監(jiān)控[57]。在工程應(yīng)用中，擾動(dòng)源種類的識(shí)別能夠使監(jiān)控方做出正確的反應(yīng)和有效的措施，因此成為干涉型光纖傳感系統(tǒng)的迫切需求。現(xiàn)有的光纖周界系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)識(shí)別方法主要有兩種，一種是采用基于入侵振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行分析，如振動(dòng)信號(hào)幅度或者過零率等。該方法由于進(jìn)行模式識(shí)別的特征參數(shù)數(shù)量少，因此不能準(zhǔn)確地區(qū)分各種外界振動(dòng)信號(hào)，誤報(bào)率高。另一種是采用信號(hào)的頻譜技術(shù)，根據(jù)多維的頻譜特征作為判別的依據(jù)。該方法計(jì)算量大，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。并且，分布式光纖傳感器的信號(hào)是基于光在光纖內(nèi)干涉形成，并不能很好的適合已有模型。本文提出了一種基于小波變換理論的微分干涉型光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法。將信號(hào)分解為基于時(shí)域和頻域的向量，根據(jù)小波變換后的能量分布特性確定不同模式的特征向量。不僅解決了單純的時(shí)域特征分類效果有限的問題，同時(shí)，運(yùn)算效率高且實(shí)際應(yīng)用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)傳感原理微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從SLD寬帶光源發(fā)出的光，依次通過3×3和2×2兩個(gè)光纖耦合器后進(jìn)入傳感光纖（光纜），在終端遇到反射面后原路返回，再依次通過2×2和3×3耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器D1和D2。在兩個(gè)光纖耦合器之間的兩個(gè)連接臂，分別采用延遲光纖和直通光纖的方式形成非平衡馬赫曾德爾干涉結(jié)構(gòu)，其中延遲光纖產(chǎn)生的時(shí)間延遲為τ。從SLD發(fā)出的光，往返傳播后，在探測(cè)端共形成四條光路，由于寬帶光源的存在，最終只有兩條光路能夠形成干涉。在傳感光纖上沒有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，兩條干涉光路始終等長(zhǎng)，無法形成干涉；當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)檫@兩束光是以時(shí)間差τ先后經(jīng)過擾動(dòng)源D，而擾動(dòng)是對(duì)光的相位進(jìn)行隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)調(diào)制，因此在探測(cè)器D1和D2中就會(huì)形成干涉。

分布式光纖傳感系統(tǒng)的魯棒性主要有兩個(gè)方面考慮：一是不同人動(dòng)作的差異性影響，例如A的敲擊動(dòng)作和B的敲擊動(dòng)作不同；二是自然環(huán)境的影響導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲干擾，比如監(jiān)控區(qū)域附近施工或下雨。對(duì)于第一種人為因素影響，在建立特征模型參數(shù)和數(shù)據(jù)采集時(shí)使用不同的人進(jìn)行相同模式的觸發(fā)動(dòng)作。盡管不同的人動(dòng)作方式不同，但最基本的行為方式是相同的，并且模式間的距離也有足夠的裕度作為識(shí)別緩沖。由于微分干涉光纖傳感器的工程應(yīng)用和環(huán)境相關(guān)密切，所以自然條件的干擾要求模式識(shí)別算法有較強(qiáng)的魯棒性。自然環(huán)境的影響通常包含雨水滴落等的影響。在以上觸發(fā)信號(hào)中疊加雨天系統(tǒng)噪聲來測(cè)試該算法對(duì)干擾的魯棒性，結(jié)果如表2所示。從驗(yàn)證結(jié)果來看，該算法達(dá)到了應(yīng)用于實(shí)際工程中的魯棒性的要求。4結(jié)語本文基于微分干涉儀傳感原理，構(gòu)建了光纖傳感識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)識(shí)別基于小波變換理論，建立了分布式光纖傳感器的觸發(fā)模式模型，并給出了觸發(fā)模式的識(shí)別方法。經(jīng)驗(yàn)證，該算法能夠解決實(shí)際工程中發(fā)生的模式識(shí)別問題，對(duì)摸光纜、輕敲、重敲、踩光纜等其中入侵行為有很好的識(shí)別能力，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)86%，并分析和討論了系統(tǒng)的魯棒性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]HOFFMAN P R，KUZYK M G.Position determination of an acoustic burst along a Sagnac interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2004，22（2）：494498.

[2]HONG G W，JIA B，TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2007，25（10）：30573061.

[3]LIN W W.Novel distributed fiber optic leak detection system[J].Optical Engineering，2004，43（2）：278279.

[4]KURMER J P，KINGSLEY S A，LAUDO J S，et al.Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J].Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors，1992，1586（1）：117128.

[5]潘岳，王健.雙馬赫—曾德爾型干涉儀定位技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：5459.

[6]吳紅艷，賈波，葉佳，等.基于光纖干涉定位系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）：4547.

[7]LUO G M，ZHANG C X，et al.Distributed fiber optic perturbation locating sensor based on DualMachZehnder interferometer[J].

摘要： 微分干涉型光纖傳感是一種新型的傳感系統(tǒng)，可應(yīng)用于長(zhǎng)距離、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的監(jiān)控和檢測(cè)。提出了一種基于小波變換的分布式光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法，采用時(shí)域頻域能量分布算法，建立不同觸發(fā)模式的模型，該識(shí)別方法可應(yīng)用于研究入侵信號(hào)的模式識(shí)別，并通過大量的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 微分干涉； 光纖傳感； 小波變換； 模式識(shí)別

中圖分類號(hào)： TP 212文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年來，分布式光纖傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合于幾十公里范圍內(nèi)的長(zhǎng)距離監(jiān)控、靈敏度高且抗電磁干擾能力強(qiáng)，在管道泄漏和損壞的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)測(cè)及干線安全防護(hù)等方面都有廣泛應(yīng)用[14]。微分干涉型光纖傳感器以單根光纖復(fù)用作為信號(hào)載體和分布式感應(yīng)單元，拾取外界擾動(dòng)，再對(duì)該信號(hào)運(yùn)用頻譜分析等解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)源的定位監(jiān)控[57]。在工程應(yīng)用中，擾動(dòng)源種類的識(shí)別能夠使監(jiān)控方做出正確的反應(yīng)和有效的措施，因此成為干涉型光纖傳感系統(tǒng)的迫切需求。現(xiàn)有的光纖周界系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)識(shí)別方法主要有兩種，一種是采用基于入侵振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行分析，如振動(dòng)信號(hào)幅度或者過零率等。該方法由于進(jìn)行模式識(shí)別的特征參數(shù)數(shù)量少，因此不能準(zhǔn)確地區(qū)分各種外界振動(dòng)信號(hào)，誤報(bào)率高。另一種是采用信號(hào)的頻譜技術(shù)，根據(jù)多維的頻譜特征作為判別的依據(jù)。該方法計(jì)算量大，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。并且，分布式光纖傳感器的信號(hào)是基于光在光纖內(nèi)干涉形成，并不能很好的適合已有模型。本文提出了一種基于小波變換理論的微分干涉型光纖傳感信號(hào)的識(shí)別方法。將信號(hào)分解為基于時(shí)域和頻域的向量，根據(jù)小波變換后的能量分布特性確定不同模式的特征向量。不僅解決了單純的時(shí)域特征分類效果有限的問題，同時(shí)，運(yùn)算效率高且實(shí)際應(yīng)用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)傳感原理微分干涉型光纖振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從SLD寬帶光源發(fā)出的光，依次通過3×3和2×2兩個(gè)光纖耦合器后進(jìn)入傳感光纖（光纜），在終端遇到反射面后原路返回，再依次通過2×2和3×3耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器D1和D2。在兩個(gè)光纖耦合器之間的兩個(gè)連接臂，分別采用延遲光纖和直通光纖的方式形成非平衡馬赫曾德爾干涉結(jié)構(gòu)，其中延遲光纖產(chǎn)生的時(shí)間延遲為τ。從SLD發(fā)出的光，往返傳播后，在探測(cè)端共形成四條光路，由于寬帶光源的存在，最終只有兩條光路能夠形成干涉。在傳感光纖上沒有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，兩條干涉光路始終等長(zhǎng)，無法形成干涉；當(dāng)有擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)檫@兩束光是以時(shí)間差τ先后經(jīng)過擾動(dòng)源D，而擾動(dòng)是對(duì)光的相位進(jìn)行隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)調(diào)制，因此在探測(cè)器D1和D2中就會(huì)形成干涉。

分布式光纖傳感系統(tǒng)的魯棒性主要有兩個(gè)方面考慮：一是不同人動(dòng)作的差異性影響，例如A的敲擊動(dòng)作和B的敲擊動(dòng)作不同；二是自然環(huán)境的影響導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲干擾，比如監(jiān)控區(qū)域附近施工或下雨。對(duì)于第一種人為因素影響，在建立特征模型參數(shù)和數(shù)據(jù)采集時(shí)使用不同的人進(jìn)行相同模式的觸發(fā)動(dòng)作。盡管不同的人動(dòng)作方式不同，但最基本的行為方式是相同的，并且模式間的距離也有足夠的裕度作為識(shí)別緩沖。由于微分干涉光纖傳感器的工程應(yīng)用和環(huán)境相關(guān)密切，所以自然條件的干擾要求模式識(shí)別算法有較強(qiáng)的魯棒性。自然環(huán)境的影響通常包含雨水滴落等的影響。在以上觸發(fā)信號(hào)中疊加雨天系統(tǒng)噪聲來測(cè)試該算法對(duì)干擾的魯棒性，結(jié)果如表2所示。從驗(yàn)證結(jié)果來看，該算法達(dá)到了應(yīng)用于實(shí)際工程中的魯棒性的要求。4結(jié)語本文基于微分干涉儀傳感原理，構(gòu)建了光纖傳感識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)識(shí)別基于小波變換理論，建立了分布式光纖傳感器的觸發(fā)模式模型，并給出了觸發(fā)模式的識(shí)別方法。經(jīng)驗(yàn)證，該算法能夠解決實(shí)際工程中發(fā)生的模式識(shí)別問題，對(duì)摸光纜、輕敲、重敲、踩光纜等其中入侵行為有很好的識(shí)別能力，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)86%，并分析和討論了系統(tǒng)的魯棒性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]HOFFMAN P R，KUZYK M G.Position determination of an acoustic burst along a Sagnac interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2004，22（2）：494498.

[2]HONG G W，JIA B，TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer[J].Journal of Lightwave Technology，2007，25（10）：30573061.

[3]LIN W W.Novel distributed fiber optic leak detection system[J].Optical Engineering，2004，43（2）：278279.

[4]KURMER J P，KINGSLEY S A，LAUDO J S，et al.Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J].Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors，1992，1586（1）：117128.

[5]潘岳，王健.雙馬赫—曾德爾型干涉儀定位技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：5459.

[6]吳紅艷，賈波，葉佳，等.基于光纖干涉定位系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（5）：4547.

[7]LUO G M，ZHANG C X，et al.Distributed fiber optic perturbation locating sensor based on DualMachZehnder interferometer[J].