Mach-Zehnder干涉型长周界预警系统入侵目标定位.pdfVIP

4 8 传感器与微系统 T r a n s d u ce r a n d Micr o s y s t e m T e ch n o l o g ie s 2 0 1 1年 第 3 O卷 第 4期 Ma ch Z e h n d e r干涉型长周界预警 系统入 侵 目标 定位 蒋立辉 张峰 刘向明 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室 天津 3 0 0 3 0 0 摘要 分布式光纤传感器尤其是干涉型光纤传感器以其特有的优点近年来成为研究的热点 针对长周 界大范围设施的实时监测问题 阐述了双 Ma ch Z e h n d e r 环监测系统的原理 根据入侵干扰信号的特点 改进丁原有的定位方法 提出了一种二次相关的方法以解决在入侵点定位过程中运算量与实时性的问题 并用实验数据加 以说 明此方法确实有效 关键词 预警系统 Ma ch Z e h n d e r 干涉仪 入侵目标 定位方法 中图分类号 T N 2 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 1 0 4 0 0 4 8 0 3 A l o ca t io n me t ho d f o r in v a s io n t a r g e t in l o n g p e r ime t e r e a r l y wa r n in g s y s t e m ba s e d o n M a ch Ze hn d e r in t e r f e r o me t e r J I ANG L i h u i Z HA NG F e n g L I U Xia n g min g T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y o f Ad v a n ce d S i g n a l P r o ce s s in g C iv i l A v ia t io n U n iv e r s it y o f C h i n a T i a n j in 3 0 0 3 0 0 C h in a Ab s t r a ct D is t ri b u t e d fi b e r o p t ic s e n s o r e s p e cia l l y in t e r f e r o me t e r s w h ich h a s u n iq u e a d v a n t a g e s b e co me a h o t t o p ic in r e ce n t y e a r s P ri n cip l e o f d u a l ri n g Ma ch Z e h n d e r in t e r f e r o me t e r s y s t e m is p r o p o s e d t o d e al w it h t h e is s u e o f mo n it o ri n g o f l o n g p e r ime t e r a n d w id e r a n g e o f f a cil it ie s A ccco r d in g t o t h e ch a r a ct e r is t ics o f in v a s io n s ig n a l an imp r o v e d me t h o d w h ich call e d d u a1 co r r e l a t io n alg o r it h m iS u s e d t o s o l v e t h e p r o b l e m o f r e a1 t ime an d co mp u t a t io n qua n t i t y i n t h e p o ce s s o f l o caliz a t i o n o f in v a s i o n p o i n t T h e e x p e ri me n t al d a t as i n d i ca t e t h a t t h i s me t h o d r e all y wo r k s Ke y wo r d s e arl y wa rnin g s y s t e m Ma ch Ze h n d e r in t e r f e r o me t e r t a r g e t o f in v a s io n l o ca t io n me t h o d 0引 言 机场 军事设施 输油管线 核电站等大面积长周界重 要设施的 自动化警戒关系到以上设施的正常运行 传统的 警戒方法如视频监测 人员巡视 电容电压传感器网络等方 法存在着可靠性低 维护成本高 监测距离有限等缺点 随 着光纤传感技术的发展 分布式光纤传感器在长程监测领 域表现出了巨大的应用前景 光纤传感器具有维护成本 低 不易受电磁干扰的 监测距离长等优点 尤其是干涉型 分布式光 纤传感 器 以其极高 的灵敏 度受 到广泛 的关 注 圳 干涉型光纤传感器是利用 S a g n a c Mi ck e l s o n Ma ch Z e h n d e r 3种干涉仪的干涉对扰动信号进行提取 3种干涉仪 应用于此领域各有优缺点 M a ch Z e h n d e r 干涉仪是一种相 位干涉的方案 具有极高的灵敏度 且对光源的相干度要求 不高 解调信号也比较容易 J 预警系统的定位精度受限于系统的采样率 为了得到 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 2 3 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 6 0 8 7 9 0 1 6 精确的定位结果 就需要高采样率下的数据作为基础 但 是 高采样率产生的数据量是非常大的 如果直接对数据进 行相关运算 在大数据量的情况下又不太容易保证系统的 实时性 本文采用了一种二次相关法来解决精确性和 实时性矛盾 1 系统原理 基于 M a ch Z e h n d e r 干涉仪的长程监测系统应用光相 位干涉原理 通过测量输出端干涉条纹的光强变化情况来 解调出干扰信号的波形 图 l为双 Ma ch Z e h n d e r 环的系 统框图 光源发出的连续波光束经 c0耦合器分振幅分别 注入正反 2个方向的 Ma ch Z e n d e r干涉仪中 正方向传播 的信号在 C 2处产生干涉条纹 由 D 2观测 c2干涉条纹的 光强变化并送到 P c 机 中进行数据处理 反方 向的信号在 cl处产生干涉条纹由D l对数据进行观测 由干涉原理可知 同频率同振动方向的两束光波干涉 仪中任一点产生的干涉条纹的光强为 1 1 2 1 2 c0 s A咖 1 第 4期 蒋立辉 等 Ma ch Z e h n d e r 干涉型长周界预警系统入侵 目标定位 4 9 其 中 2 分别为传感光纤 和参考光 纤 中发 生干涉 的 两束光的光强 为两束光之间的相位差 在系统中 它 可以看成是由传感光纤和参考光纤本身参数不对称造成的 初始相位差 咖 光纤应受外界 干扰发生的相位差 咖 组成 0 2 式中 由光纤的物理参数确定 是一个可被观测到的定 值 那么 光 强的变化 只与 因光纤感 受外 界干扰 产生 的相 位 的有关 光纤的应力应变效应是光纤的基本物理效 应 当光纤感受外力时 光纤感受 区折射率 长度都会相应 的发生变化 由此引 发光 束在 光线 中传播 的相 位发 生 变化 相位 随光纤 折射率 长度变化 的公 式表示为 A q b fl A L 三 3 式中 为传播常数 n为光在光纤中的折射率 A 0 当尺处感受到外界干扰时 干扰信号进过光纤的相位 调制在正方向上经过时间 t 一 n c 传 导到 C 2 反 方 向上经过时间 t R n c 传导到 c 1 经过 D l D 2的解调 干扰信号被送人 P c 机中 由于正反 2个方向上的信号均 由同一干扰源产生 所以 2个方向上接收到的信号具有相 同的频域特性和 波形特性 只是存 在是一个 时间差 r 具有 极强的相关性 在信号处理的时候根据 2个信号的相关曲 线 的极值点很容易能够确定 出 由式 t 一 2 R n c 可得干扰点 的位置 R L 一 4 理想情况下 干扰发生 的位置可以由式 4 精确地计 算出来 当存在多点干扰的时候 两路信号的相关曲线将出 现多个极值点 其中每个极值点对应一个干扰点的时延 图 1 双 Ma ch Z e h n d e r干涉环预 警系统原 理图 Fig 1 Pr in cipl e d iag r a m o f e a r l y wa r n in g s y s t e m b a s e d O il d ua l r in g o f M ach Ze h n d e r int e r f e r o m e t e r 2定位方法研究 2 1 实验 环 境 本文的实验系统全长 1 0 k m 采用 G O 5 2工作在 i 5 5 0 n m 窗 口的单模光纤 折射率 1 4 6 8 0 耦合器 cO c 1 C 2均采用 3 d B耦 合器 以保 证经耦合 器分 离后 两路光 波的比例为 l 1 信号的采样率 3 0 MH z 在实际系统中 定位精度会受到采样率和噪声的影响 越高的采样率可以达到的定位精度也越精细 如本文的系 统定位的精度理论上可以达到 d 一6 8m 但是 高的 采样率必然会导致非常大的数据量 大数据量的相关运算 会影响到算法运算的实时性 而相关运算时 2个信号之 间的相关信息量越大 相关运算的结果越好 抗噪声的能力 越 强 所 以 解决好数 据量 与实时 性 的矛 盾是本 文研 究 的 重点 2 2入侵信号分析 根据系统应用的实际情况 人员的非法入侵将是本系 统监测的主要 目标 人员走步通过传感光纤产生的信号波 形如 图 2 经大量 的实 验与 分析 人 员脚 步振 动经 土壤 传 递到光纤后的信号有以下的特征 J 1 每一步走 动的时间周期大概在 0 4 5 0 6 S 之 间 2 每次脚着地产 生的波形持续时 间在 0 3 S 左右 3 脚本振动的信号频率一般在 1 0 0 H z以下 j型 馨 0 5 O 3 O 1 O O 一0 1 0 3 0 5 L L L L L F r r 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 时 间 s 图 2人员脚步信号波形 Fig 2 Sig n a l wa v e f o r m o f h un ma n wa l k ing 2 3二 次相 关 法 根据双 Ma ch Z e h n d e r 干涉环的定位原理 并结合入侵 信号的特点 本文提出的方法是二次相关法 流程如下 1 采用低采样率长时的数据进行相关运算 对干扰点 进行粗定位 脚步信号的频率一般在 1 0 0 k H z以下 每次 定位取数据的长度为0 0 1 S 采样率 3 0 0 k H z 的数据作为粗 定 位的样本数据 其理想的定位精度可达 到 6 8 0 m 2 在第一步粗定位的定位结果基础上 已经可以确定 干扰点 的大致范 围 在 此范 围内 在使用 系统采 样率 3 0 M Hz 的数据进 行进一步 的相关运算 以确定 干扰点精确的 位置 这 时的数 据长度可取的短一些 本文 中取 了 1 0 S 3 结合 l 2两步 的数据 即可最终得 到干扰点的精确位 置 4 为了防止突发 噪声 对干扰 结果 的影 响 可对 多组采 样数据应用以上 1 2 3步进行定位 并取多次定位的结果 的平均值作为最后的结果 第一步中的数据采用低采样率是相对于系统的采样率 来说 的 3 0 0 k H z的采样率 远远大于入侵信号理论上 的耐奎 斯特速率 此采样率下的信号可完整的还原入侵信号 而 0 0 1 S的长时数据完整的包含了入侵信号一个个周期的信 息 第二部的精细定位采用的数据是系统的采样率 这样 就能使定位精度精确到系统理论上可达到的最高精确度 5 0 传 感 器 与 微 系 统 第 3 O卷 可以看 到低采样率 数据定 位时 数据搜 索速度 快 范 围大 当发现干扰点时 再根据粗搜索的定位结果进行精细定位 3 实验仿真 在实验系统的4 0 6 0 m处通过一个人 然后采集传感器 的信号 在 Ma t l a b中进行定位的的仿真运算 第一步低采 样率下的定位结果如图3 a 由于监测距离是 1 0 k m 按照 粗定位的采样率 1 5个采样点即可覆盖监测全程的位置 所以 每次相关运算的长度最太只取 1 5个点 由图中可 以看 出 在第 6个采样点 的位 置处相 关度 最 大 以此结果为基础 取一个范围作细定位 取 5 6 7点覆 盖的范围的数据做第 2次的相关运算定位 与此相对应的高采样率数据相关运算 的长度最大取 3 0 0点 图3 b 为高采样率数据的相关曲线 1 0 O 0 99 0 98 0 97 O 9 6 O 9 5 1 0 0 0 0 0 9 9 9 5 0 9 9 9 0 0 9 9 8 5 0 9 9 8 0 0 9 9 7 5 采样点 a 低采样率的相关曲线 a co r r e l a t iv e cu r v e o f l o w s a mp l in g r a t e 采 样点 b 高采样率下的相关曲线 b co r r e l a t i v e cu l v e o f h ig h s a mp l in g r a t e 圉 3 二次定位的结果 F ig 3 Lo cat io n r e s u l t o f d ua l c o r r e l a ti o n 可看到在相关曲线的峰值在第 9 7个采样点处 综合 两次运算的结果可以很容易的算出干扰点发生的位置是 4 0 5 9 6 IT t 按照此流程本文分别取了5组不同时间段数据 进行定位 表 1列出了5组定位结果 5次定位的平均值4 0 6 5 0 4 i n与干扰点发生的位置的 误差为 5 0 4 i n 在系统误差的允许范围之内 上接第4 7页 8 C h e n S h i g a n g F a n G u a n g b i n C u i J u n h o u g A v o i d i n g e o g r a p h i c ro u t i n g f o r d a t a a g g r e g a t io n i n s e n s o r n e t w o r k s J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f A d Ho c a n d U b iq u i t o u s C o mp u t i n g 2 0 0 6 1 4 1 6 9 1 7 8 9 F a n g Q i n g G a o J ie Gu ib a s L J L o ca t i o n a n d b y p a s s i n g r o u t i n g h o l e s i n s e n s o r n e t w o r k s J Mo b i l e N e t w o r k s a n d A p p l i ca t i o n s 2 0 0 6 1 1 1 87 2 0 0 1 O He T S t a n k o v i c J A L u C Y e t a1 S P E E D A s t a t e l e s s p r o t o co l fo r r e a l t i m e co m m u n i ca t i o n i n s e n s o r n e t w o r k s C P r o c o f I n t e r n a t io n a l Co n f e r e n c e o n Dis tri b u t e d Co mp u t in g S y s t e ms Rh o d e 表 1 5次定位 的结果 Ta b 1 Fiv e ti me s r e s u l t o f l o ca ti o n 次 数 l 2 3 4 5 定位结果 m 4 0 5 9 6 4 0 5 2 8 4 0 6 6 4 4 0 6 6 4 4 0 8 0 4 结束语 本文介绍 了双 Ma ch Z e h n d e r 干 涉环 预警 系统 的对 干 扰点定位的原理 在现有方法的基础上提出的二次相关定 位的方法很好地解决了传统定位方法在精确度和实时性上 存在的矛盾 显著降低了算法的运算量 保证了算法的实 时性 由于干涉型光纤传感器的高灵敏度 噪声对算法的性 能有较大的影响 因此 对信号进行前期的预处理和除噪 的工作是非常有必要的 参考文献 1 F u t u r e F i b r e T e ch n o lo g ie s C o r p o r a t i o n F F T s e cu r e f e n ce P e r i me t e r s e cu rit y s y s t e m Z O L 2 0 0 9 0 9 2 1 h t t p w w w f f t s e c u r it y co m p r o d u ct s f e n e e p h p 2 Wi l l ms I B e r e n t s e n M R e x f o r t C S o l i d s t a t e s i mu l a t i o n o f m o v e me rit s fo r t h e t e s t o f v o l u m e t ric i n t r u s i o n d e t e ct o r s C P roce e d in g s o f I EEE 3 3 r d An n u m 1 9 9 9 I n t e r n a t io n a l C a ma h a n Co n f e r e n c e o n S e cu ri t y Te c h n o l o g y 1 9 9 9 9 5 1 0 0 3 B u ca r o J A D a r d y H D C a rom e E F O p t ica l fib e r a co u s t i c s e n s o r J A p p l O p t 1 9 7 7 1 6 7 1 7 6 1 1 7 6 2 4 S u n Q Z l i u D M Wa n g J e t a 1 D i s t rib u t e d fib e r o p t i c v i b r a t i o n s e n s o r u s i n g a r in g M a ch Z e h n d e r i n t e r f e ro m