余明慧 - 201307005 - 基于分布式光纤传感的周界警戒系统关键(7)

第2章 系统原理、组成及关键技术

表2-1 光纤周界系统技术特点分析

技术类型

主要技术分类 Mach-Zehnder

基于光纤干

涉

Sagnac Miehelson Fabry-perot

原理

优点

缺点

光纤相位调制机理

①探测距离远、成①易受温度和偏本低；②灵敏度据振态变化影响；②实际情况可调；③多点扰动的定位安装方便、易维护。 能力差。 ①只需采用单根光①对光源和探测

基于光时域反射定位技术（OTDR）

B-OTDR Φ-OTDR P-OTDR

背向散射光干涉效应 多模光纤

纤；②监测距离长，器要求高；②对于可达几十公里；③多点扰动识别比实现入侵源位置定较困难。 位。

①使用多模技术，①探测距离短；②成本较低；②易于不具有分布式功维护管理

能。

①可精确定位；②①必须采用宽带抗干扰能力强；③大功率光源；②系传感单元独立。

统成本较高。

基于多模光纤相干技术 基于光纤光栅传感技术

Multimode-fiber 中传播光

相干

FBGS

光纤光栅传感原理

其中，最常见的是基于干涉原理的分布式光纤传感入侵系统和基于光时域反射原理的光纤周界报警系统。表2-2和表2-3分别对干涉型光纤传感技术和反射型光纤传感技术进行了对比分析。

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武汉工程大学硕士学位论文

表2-2 干涉型光纤传感技术性能比较

方法

灵敏度

抗干扰能力

优点

缺点

①光路结构简单，对光①使用光纤较多，

Mach-Zehnder 较高

较强

源要求不高； 较好的振动特性。 ①信噪比和准确率相对

Sagnac

高

强

较高；

②能制成高性能低成本的器件。

①光信号损耗小；

Miehelson

高

强

②结构简单，只需一个3dB耦合器；

安装使用麻烦； 对称的要求。 ①定位算法复杂； ②不适于高频信号传感。 ①部分光会反馈进入光源； ②难保证两束光的强度相等。 ①制作工艺难度

Fabry-perot

高

一般

①结构简单，体积小； 较大； ②响应，可靠性高。

②元件的非线性，使信号失真。

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②解调技术简单，具有②两臂难以满足

第2章 系统原理、组成及关键技术

表2-3 反射型光纤传感技术性能比较

方法

灵敏度

抗干扰能力

优点

缺点

①能实现被测点的①传感距离短，系统结构复

基于瑞利散射

较高

较强

空间定位②测量精杂；②需要较长时间才能获度较高

得较高的信噪比。

①可长时间保证测①传感距离受到限制；②反量精度；②可获得光射光信噪比较高。

基于拉曼散射

高

强

缆上任意点温度的信息。

①探测距离较长；②①温度和应力交叉敏感；②

基于布里渊散射

高

较强

可确定散射点的位对光源和控制系统稳频性置

能要求高。

由以上可知，虽然基于光纤周界入侵监测系统的原理反射可以满足一般的要求，但技术有以下缺点：（1）对光源的要求较高；（2）后面的光纤瑞利散射信号弱，因此需要光学检测器；（3）多点干扰识别更加困难；（4）为了获得高信噪比，一般需要对脉冲多重检测的平均和实时监控。

而基于干涉原理的光纤周界入侵监测系统可以实现分布式测量、传感器便于安装、成本低廉、检测范围广、维护方便简单、灵敏度也可以根据实际的外界环境变化来调整，因此得到了广泛的应用。 2.3.2模式识别技术

模式识别是一个分布式光纤传感系统的重要组成部分，具有广泛的现实意义，因为在大多数应用中都不能实时监测和事故判断，而自动模式识别技术的发展有力地补充了系统的不足，使其更广泛的工程应用前景。

在非常复杂的环境中，要求分布式扰动传感系统能够判断是否应该报警，从而使系统虚警率和误报警率得到降低。因此，辨别能力和实时

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武汉工程大学硕士学位论文

性是事件模式识别技术的关键。模式识别技术通常包含数据的采集、数据的预处理、特征值提取选择以及分类决策这几部分。目前的主要方法有：

（1）时域法。时域分析是通过解微分方程系统直接从形状随时间变化的规律进行了信号，然后根据相应表达式和过程曲线来分析系统的时间响应的全部信息，如平均作用力幅度、峰值个数、自相关性、下降和上升时间等信息，并以此作为入侵信号模式识别的依据。时域分析法的优点是计算量比较小、结果准确、容易理解、系统易于实现，缺点是可在系统实现时有一定的局限性。

（2）频域法。频域分析法研究的对象是信号的频谱，通过投影变换将信号变换成频域特征，得到信号的频域特征值，再找出每个模型集的特点，分析采集到的信号特点，并与模型集特点进行比较来进行模式识别。现在识识方法主要有神经网络和神经系统两种，但是这种方法需要大量的计算且比较复杂，要想得到良好的识别效果，就需要对特征向量进行较好的提取。

（3）小波分析法。采用小波变换方法是将信号展开，并在不同频段上提取信号特征。小波分析法是在被测信号时间和频率上的局部进行变换，能够将变换不具备和缩平移不变性信号中的但是小波，信息有效的提取出来，对接题解决进行收得到了解决的难很好的到的信号能放处理。即如果信号在时域有一个延时小波系数会发生很大改变[22][23]。

模式识别算法中衡量算法性能的重要指标是算法识别的准确率和算法的复杂度，尤其是对实时性要求比较高的系统，与国外的模式识别方法在家也提出了很多的方法，如：taopeilin提出多元统计原理的信号识别技术，该方法优化了对特征点的选取，但是在不同的环境中应用时需要对许多特征参数进行一些调整而限制了其应用[24]。Seedahmed等人提出了结合能级交叉的监督式神经网络事件识别技术，该方法能够准确识别入侵和非入侵行为[25]。曲志刚等人提出了多尺度混沌分析的新方法，这种方法的优点是能对多种常见的入侵事件进行有效的区分和识别判断；由于系统的计算量比较大二无法得到广泛的应用[26]。

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第2章 系统原理、组成及关键技术

2.3.3定位技术

事件定位是光纤周界安防系统的核心问题，因此国内外提出了很多不同结构的分布式光纤传感定位技术。1976年Barnoskim和Jensen[27]提出了基于瑞利散射的光时域反射技术，使得对待测信号的检测与定位在时域上得到了实现。但是该技术探测灵敏度低、检测距离较短，精确度较低，从而阻碍了其在安防领域的推广和应用。StephanusJ.Spammer提出了一种定位技术是基于萨格奈克/迈克耳逊干涉[28]原理的。这种技术的探测范围不大，只对高频信号探测比较灵敏。一种提出基于萨格奈克和马赫-泽德干涉

[29]

原理相结合的定位技术是由南非科学家

AnatoliA.Chtcherbakov在1999 年提出的，这种技术的探测距离比较短。一种基于双波长萨格奈克[30]干涉原理的定位技术是由英国科学家 Stuart J.Russell 在1999 年提出的。该技术对高频信息响应比较敏感，对低频信息的检测不够敏感，不能进行长距离的检测和对入侵点精确的的定位。另一种是基于sannac干 …… 此处隐藏：1568字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……