微分干涉型光纤振动系统识别技术研究

许海燕+艾鑫+吴红艳

摘要： 微分干涉型光纤传感是一种新型的传感系统，可应用于长距离、强电磁干扰环境下的监控和检测。提出了一种基于小波变换的分布式光纤传感信号的识别方法，采用时域频域能量分布算法，建立不同触发模式的模型，该识别方法可应用于研究入侵信号的模式识别，并通过大量的实际应用经验和数据验证了该方法的有效性。

关键词： 微分干涉； 光纤传感； 小波变换； 模式识别

中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年来，分布式光纤传感器由于其结构简单、适合于几十公里范围内的长距离监控、灵敏度高且抗电磁干扰能力强，在管道泄漏和损坏的实时定位与监测及干线安全防护等方面都有广泛应用[14]。微分干涉型光纤传感器以单根光纤复用作为信号载体和分布式感应单元，拾取外界扰动，再对该信号运用频谱分析等解调技术，实现对扰动源的定位监控[57]。在工程应用中，扰动源种类的识别能够使监控方做出正确的反应和有效的措施，因此成为干涉型光纤传感系统的迫切需求。现有的光纤周界系统的振动信号识别方法主要有两种，一种是采用基于入侵振动信号的时域特征进行分析，如振动信号幅度或者过零率等。该方法由于进行模式识别的特征参数数量少，因此不能准确地区分各种外界振动信号，误报率高。另一种是采用信号的频谱技术，根据多维的频谱特征作为判别的依据。该方法计算量大，算法复杂，实时性较差。并且，分布式光纤传感器的信号是基于光在光纤内干涉形成，并不能很好的适合已有模型。本文提出了一种基于小波变换理论的微分干涉型光纤传感信号的识别方法。将信号分解为基于时域和频域的向量，根据小波变换后的能量分布特性确定不同模式的特征向量。不仅解决了单纯的时域特征分类效果有限的问题，同时，运算效率高且实际应用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纤振动系统传感原理微分干涉型光纤振动系统结构如图1所示。从SLD宽带光源发出的光，依次通过3×3和2×2两个光纤耦合器后进入传感光纤（光缆），在终端遇到反射面后原路返回，再依次通过2×2和3×3耦合器进入光电探测器D1和D2。在两个光纤耦合器之间的两个连接臂，分别采用延迟光纤和直通光纤的方式形成非平衡马赫曾德尔干涉结构，其中延迟光纤产生的时间延迟为τ。从SLD发出的光，往返传播后，在探测端共形成四条光路，由于宽带光源的存在，最终只有两条光路能够形成干涉。在传感光纤上没有扰动出现时，两条干涉光路始终等长，无法形成干涉；当有扰动出现时，因为这两束光是以时间差τ先后经过扰动源D，而扰动是对光的相位进行随时间变化的动态调制，因此在探测器D1和D2中就会形成干涉。

分布式光纤传感系统的鲁棒性主要有两个方面考虑：一是不同人动作的差异性影响，例如A的敲击动作和B的敲击动作不同；二是自然环境的影响导致系统噪声干扰，比如监控区域附近施工或下雨。对于第一种人为因素影响，在建立特征模型参数和数据采集时使用不同的人进行相同模式的触发动作。尽管不同的人动作方式不同，但最基本的行为方式是相同的，并且模式间的距离也有足够的裕度作为识别缓冲。由于微分干涉光纤传感器的工程应用和环境相关密切，所以自然条件的干扰要求模式识别算法有较强的鲁棒性。自然环境的影响通常包含雨水滴落等的影响。在以上触发信号中叠加雨天系统噪声来测试该算法对干扰的鲁棒性，结果如表2所示。从验证结果来看，该算法达到了应用于实际工程中的鲁棒性的要求。4结语本文基于微分干涉仪传感原理，构建了光纤传感识别系统。系统识别基于小波变换理论，建立了分布式光纤传感器的触发模式模型，并给出了触发模式的识别方法。经验证，该算法能够解决实际工程中发生的模式识别问题，对摸光缆、轻敲、重敲、踩光缆等其中入侵行为有很好的识别能力，识别准确率可达86%，并分析和讨论了系统的鲁棒性，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[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.双马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究[J].光学仪器，2012，34（3）：5459.

[6]吴红艳，贾波，叶佳，等.基于光纤干涉定位系统的信号解调技术[J].传感器与微系统，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： 微分干涉型光纤传感是一种新型的传感系统，可应用于长距离、强电磁干扰环境下的监控和检测。提出了一种基于小波变换的分布式光纤传感信号的识别方法，采用时域频域能量分布算法，建立不同触发模式的模型，该识别方法可应用于研究入侵信号的模式识别，并通过大量的实际应用经验和数据验证了该方法的有效性。

关键词： 微分干涉； 光纤传感； 小波变换； 模式识别

中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年来，分布式光纤传感器由于其结构简单、适合于几十公里范围内的长距离监控、灵敏度高且抗电磁干扰能力强，在管道泄漏和损坏的实时定位与监测及干线安全防护等方面都有广泛应用[14]。微分干涉型光纤传感器以单根光纤复用作为信号载体和分布式感应单元，拾取外界扰动，再对该信号运用频谱分析等解调技术，实现对扰动源的定位监控[57]。在工程应用中，扰动源种类的识别能够使监控方做出正确的反应和有效的措施，因此成为干涉型光纤传感系统的迫切需求。现有的光纤周界系统的振动信号识别方法主要有两种，一种是采用基于入侵振动信号的时域特征进行分析，如振动信号幅度或者过零率等。该方法由于进行模式识别的特征参数数量少，因此不能准确地区分各种外界振动信号，误报率高。另一种是采用信号的频谱技术，根据多维的频谱特征作为判别的依据。该方法计算量大，算法复杂，实时性较差。并且，分布式光纤传感器的信号是基于光在光纤内干涉形成，并不能很好的适合已有模型。本文提出了一种基于小波变换理论的微分干涉型光纤传感信号的识别方法。将信号分解为基于时域和频域的向量，根据小波变换后的能量分布特性确定不同模式的特征向量。不仅解决了单纯的时域特征分类效果有限的问题，同时，运算效率高且实际应用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纤振动系统传感原理微分干涉型光纤振动系统结构如图1所示。从SLD宽带光源发出的光，依次通过3×3和2×2两个光纤耦合器后进入传感光纤（光缆），在终端遇到反射面后原路返回，再依次通过2×2和3×3耦合器进入光电探测器D1和D2。在两个光纤耦合器之间的两个连接臂，分别采用延迟光纤和直通光纤的方式形成非平衡马赫曾德尔干涉结构，其中延迟光纤产生的时间延迟为τ。从SLD发出的光，往返传播后，在探测端共形成四条光路，由于宽带光源的存在，最终只有两条光路能够形成干涉。在传感光纤上没有扰动出现时，两条干涉光路始终等长，无法形成干涉；当有扰动出现时，因为这两束光是以时间差τ先后经过扰动源D，而扰动是对光的相位进行随时间变化的动态调制，因此在探测器D1和D2中就会形成干涉。

分布式光纤传感系统的鲁棒性主要有两个方面考虑：一是不同人动作的差异性影响，例如A的敲击动作和B的敲击动作不同；二是自然环境的影响导致系统噪声干扰，比如监控区域附近施工或下雨。对于第一种人为因素影响，在建立特征模型参数和数据采集时使用不同的人进行相同模式的触发动作。尽管不同的人动作方式不同，但最基本的行为方式是相同的，并且模式间的距离也有足够的裕度作为识别缓冲。由于微分干涉光纤传感器的工程应用和环境相关密切，所以自然条件的干扰要求模式识别算法有较强的鲁棒性。自然环境的影响通常包含雨水滴落等的影响。在以上触发信号中叠加雨天系统噪声来测试该算法对干扰的鲁棒性，结果如表2所示。从验证结果来看，该算法达到了应用于实际工程中的鲁棒性的要求。4结语本文基于微分干涉仪传感原理，构建了光纤传感识别系统。系统识别基于小波变换理论，建立了分布式光纤传感器的触发模式模型，并给出了触发模式的识别方法。经验证，该算法能够解决实际工程中发生的模式识别问题，对摸光缆、轻敲、重敲、踩光缆等其中入侵行为有很好的识别能力，识别准确率可达86%，并分析和讨论了系统的鲁棒性，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[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.双马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究[J].光学仪器，2012，34（3）：5459.

[6]吴红艳，贾波，叶佳，等.基于光纤干涉定位系统的信号解调技术[J].传感器与微系统，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： 微分干涉型光纤传感是一种新型的传感系统，可应用于长距离、强电磁干扰环境下的监控和检测。提出了一种基于小波变换的分布式光纤传感信号的识别方法，采用时域频域能量分布算法，建立不同触发模式的模型，该识别方法可应用于研究入侵信号的模式识别，并通过大量的实际应用经验和数据验证了该方法的有效性。

关键词： 微分干涉； 光纤传感； 小波变换； 模式识别

中图分类号： TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.006

引言近年来，分布式光纤传感器由于其结构简单、适合于几十公里范围内的长距离监控、灵敏度高且抗电磁干扰能力强，在管道泄漏和损坏的实时定位与监测及干线安全防护等方面都有广泛应用[14]。微分干涉型光纤传感器以单根光纤复用作为信号载体和分布式感应单元，拾取外界扰动，再对该信号运用频谱分析等解调技术，实现对扰动源的定位监控[57]。在工程应用中，扰动源种类的识别能够使监控方做出正确的反应和有效的措施，因此成为干涉型光纤传感系统的迫切需求。现有的光纤周界系统的振动信号识别方法主要有两种，一种是采用基于入侵振动信号的时域特征进行分析，如振动信号幅度或者过零率等。该方法由于进行模式识别的特征参数数量少，因此不能准确地区分各种外界振动信号，误报率高。另一种是采用信号的频谱技术，根据多维的频谱特征作为判别的依据。该方法计算量大，算法复杂，实时性较差。并且，分布式光纤传感器的信号是基于光在光纤内干涉形成，并不能很好的适合已有模型。本文提出了一种基于小波变换理论的微分干涉型光纤传感信号的识别方法。将信号分解为基于时域和频域的向量，根据小波变换后的能量分布特性确定不同模式的特征向量。不仅解决了单纯的时域特征分类效果有限的问题，同时，运算效率高且实际应用效果理想。

interference optic fiber sensor1微分干涉型光纤振动系统传感原理微分干涉型光纤振动系统结构如图1所示。从SLD宽带光源发出的光，依次通过3×3和2×2两个光纤耦合器后进入传感光纤（光缆），在终端遇到反射面后原路返回，再依次通过2×2和3×3耦合器进入光电探测器D1和D2。在两个光纤耦合器之间的两个连接臂，分别采用延迟光纤和直通光纤的方式形成非平衡马赫曾德尔干涉结构，其中延迟光纤产生的时间延迟为τ。从SLD发出的光，往返传播后，在探测端共形成四条光路，由于宽带光源的存在，最终只有两条光路能够形成干涉。在传感光纤上没有扰动出现时，两条干涉光路始终等长，无法形成干涉；当有扰动出现时，因为这两束光是以时间差τ先后经过扰动源D，而扰动是对光的相位进行随时间变化的动态调制，因此在探测器D1和D2中就会形成干涉。

分布式光纤传感系统的鲁棒性主要有两个方面考虑：一是不同人动作的差异性影响，例如A的敲击动作和B的敲击动作不同；二是自然环境的影响导致系统噪声干扰，比如监控区域附近施工或下雨。对于第一种人为因素影响，在建立特征模型参数和数据采集时使用不同的人进行相同模式的触发动作。尽管不同的人动作方式不同，但最基本的行为方式是相同的，并且模式间的距离也有足够的裕度作为识别缓冲。由于微分干涉光纤传感器的工程应用和环境相关密切，所以自然条件的干扰要求模式识别算法有较强的鲁棒性。自然环境的影响通常包含雨水滴落等的影响。在以上触发信号中叠加雨天系统噪声来测试该算法对干扰的鲁棒性，结果如表2所示。从验证结果来看，该算法达到了应用于实际工程中的鲁棒性的要求。4结语本文基于微分干涉仪传感原理，构建了光纤传感识别系统。系统识别基于小波变换理论，建立了分布式光纤传感器的触发模式模型，并给出了触发模式的识别方法。经验证，该算法能够解决实际工程中发生的模式识别问题，对摸光缆、轻敲、重敲、踩光缆等其中入侵行为有很好的识别能力，识别准确率可达86%，并分析和讨论了系统的鲁棒性，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[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.双马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究[J].光学仪器，2012，34（3）：5459.

[6]吴红艳，贾波，叶佳，等.基于光纤干涉定位系统的信号解调技术[J].传感器与微系统，2007，26（5）：4547.

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