• ISSN 0258-2724
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相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术

胡祖翰 钱恒 石先明 刘利平 徐余明 罗斌

胡祖翰, 钱恒, 石先明, 刘利平, 徐余明, 罗斌. 相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术[J]. 西南交通大学学报, 2024, 59(3): 564-571. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220443
引用本文: 胡祖翰, 钱恒, 石先明, 刘利平, 徐余明, 罗斌. 相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术[J]. 西南交通大学学报, 2024, 59(3): 564-571. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220443
HU Zuhan, QIAN Heng, SHI Xianming, LIU Liping, XU Yuming, LUO Bin. Distributed Optical Fiber Perimeter Security Technology Based on Φ-OTDR with Interference Fading Suppression[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2024, 59(3): 564-571. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220443
Citation: HU Zuhan, QIAN Heng, SHI Xianming, LIU Liping, XU Yuming, LUO Bin. Distributed Optical Fiber Perimeter Security Technology Based on Φ-OTDR with Interference Fading Suppression[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2024, 59(3): 564-571. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220443

相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220443
基金项目: 国家自然科学基金(61735015)
详细信息
    作者简介:

    胡祖翰(1986—),男,高级工程师,研究方向为通信信号设计,E-mail:huzuhan_1934@163.com

    通讯作者:

    罗斌(1968—),男, 教授,博士,研究方向为信息与通信工程专业,E-mail:bluo@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP929.1

Distributed Optical Fiber Perimeter Security Technology Based on Φ-OTDR with Interference Fading Suppression

  • 摘要:

    基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在铁路周界安防中有着重要的应用前景. 为降低Φ-OTDR中固有的相干衰落对相位解调的影响,提高扰动信号识别率,提出一种基于矢量旋转滑动平均(MVRA)的相干衰落抑制方法. 首先,对探测信号复矢量化,并对各位置的复矢量信号按初相角进行旋转对齐;然后,采用滑动平均的方法缓和信号幅度起伏以及减小噪声功率,提高信噪比,进而抑制相干衰落;其次,从衰落抑制信号解调出扰动信号,将MVRA与频谱提取重组(SERM)、数字向移变换(DPST)方法进行对比,通过差分相位标准差验证抗衰落效果;最后,通过搭建分布式光纤周界入侵检测实验平台,模拟环境噪声、应力破坏、攀爬、剪网4种防护扰动信号,以解调的相位灰度图作为特征图像,使用卷积神经网络进行模式识别. 实验结果表明:相比SERM、DPST,MVRA能更高效地抑制衰落,当滑动窗长50 ns时,MVRA提高11.2 dB信噪比;扰动信号的识别率由衰落抑制前的88%提高到衰落抑制后的92%.

     

  • 图 1  矢量旋转滑动平均示意

    Figure 1.  Schematic diagram of MVRA

    图 2  外差相干探测 Ф-OTDR实验装置

    Figure 2.  Experimental setup based on Ф-OTDR for heterodyne interference detection

    图 3  原始探测信号解调的幅度和差分相位

    Figure 3.  Demodulated amplitude and differential phase of original detected signal

    图 4  衰落抑制后信号的解调的幅度和差分相位

    Figure 4.  Demodulated amplitude and differential phase of signal after fading suppression

    图 5  非扰动区的相位解调

    Figure 5.  Phase demodulation results in non-disturbed region

    图 6  扰动区的相位解调

    Figure 6.  Phase demodulation results in disturbed region

    图 7  功率谱密度在频率10 kHz处沿距离轴的分布

    Figure 7.  Distribution of power spectral density along distance axis at frequency of 10 kHz

    图 8  SERM、DPST和MVRA衰落抑制后解调的差分相位标准差

    Figure 8.  Standard deviation of demodulated differential phase after fading suppression by SERM, DPST, and MVRA

    图 9  周界入侵监测实验平台及防护网

    Figure 9.  Perimeter intrusion monitoring experimental platform and protective net

    图 10  衰落抑制前后4种模拟扰动的模式识别结果

    Figure 10.  Pattern recognition results of four simulated disturbances before and after fading suppression

    表  1  相干衰落抑制前后4种振动模式下解调的差分相位

    Table  1.   Demodulated differential phase under four vibration modes before and after interference fading suppression

    模式890 m 处解调的相位信号原始信号解调的相位
    分布局部截图
    衰落抑制后解调的相位
    分布局部截图
    风吹信号
    晃动信号
    敲击信号
    剪切信号
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-28
  • 修回日期:  2023-02-24
  • 网络出版日期:  2023-12-04
  • 刊出日期:  2023-03-17

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