一种有效的光纤振动信号检测算法

何启航

摘 要：该文提出采用单元平均恒虚警（CA-CFAR）和有序统计恒虚警（OS-CFAR）二级检测算法，保持虚警率稳定，既可以提高运算速度，参考单元中如果能够存在多个目标，还能够改善它的检测性能，另外利用蒙特卡罗方法确定二级检测的门限系数，最后使用蒙特卡罗仿真方法以及现场实验验证，验证和分析了算法性能，算法的可行性和有效性得到了证明。

关键词：信号处理 振动信号检测 二级检测

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0011-02

在大多数分布式光纤传感技术方面，因为测量过程中灵敏度不高，以及实时性差的原因，极大限制了光石域反射仪（OTDR）在实际当中的应用；而相对测量技术方面，偏振敏感的石域反射仪（P-OTDR）技术，是因为不能克服的测量精度低，和传感距离缺陷，有待提高性能；布里渊光石域反射计（B-OTDR），和拉曼石域反射仪（R-OTDR）和拉曼频率域反射仪（ROFDR），基于非线性效应的技术、测量距离更短和响应速度慢和技术复杂、成本偏高等几个方面的问题，也极大限制了实际应用；干涉仪技术方面有迈克耳孙、马赫-曾德尔等，但是因为易受多种外界因素影响、信噪比（SNR）较低、测量距离有限、系统信号处理复杂等方面，难以在实际中得到广泛应用。近年来，出现了超级窄带功率光技术、相位敏感光石域反射仪（φ-OTDR）技术已经可以实现，该技术具有较大的优势，像检测灵敏度速度反应快，并能够准确定位、较长的测量距离、高信噪比、较低成本等众多优点，目前已经成为大范围分布式监测技术领域的最佳选择之一，但该系统有其局限性，主要表现在它异常敏感，反映信号携带大量的杂波和噪声的振动，造成振动信号的高虚警率。

通过合理设置虚警概率设置的恒虚警率（CFAR）检测算法，从而提高求解效率高的虚警率检测信号。均匀噪声背景下，单元平均恒虚警率（CFAR）检测性能好，但在目标单位检测时，滑动窗口将出现在其他目标和恒虚警检测阈值（CA_CFAR_TH）会增加，而且CA-恒虚警率对主要目标检测性能将大大下降。有序统计恒虚警率（CFAR）方法与CA-恒虚警率和均匀杂波相比必须检测损失，但在多个目标环境中，这种方法具有明显的优势，但由于过度的排序处理时间，不符合要求实时性的项目。

Φ-OTDR通过使用的光纤振动系统采用恒虚警检测技术，通过φOTDR 技术以减少虚警率的检测信号。CA-恒虚警率就多重目标检测性能和排序的长时间OS-恒虚警问题，第1页级检测使用CA-恒虚警，提高CA CAFR速度的二维列窗，然后测试为2级的OS CFAR检测结果。通过这次的方法，提高操作速度3倍，多个参考目标检测的情况下，得到有效的改善，最后，利用蒙特Carlo模拟和现场试验验证方法，分析算法性能，进行算法可行性和有效性验证。

1 关于二维列窗结构

在实际应用中，光纤中收集到的信号包含具有距离和时间第二层面度，是同时存在的，在需要使用包括距离和时间的二维恒虚拟警察法时，对检测处理实际在待检查单位附近的信号，使用二维度空间商的单位，更有效的得到背景复杂的包的估计。二维恒虚警的结构，在图1中，是一种采用距离-时间的二维恒虚警方法的检测方式，2中选定显示二维恒定假警察方法。

在图1中，d是检测单元，如果r是一個参考单位。那么，为防止接收的其他目标，可在检测单位加上p的保护方法。在图1（a）形成分布在周围单位下测试的矩形的参考元素。这种方法是从一维CA CFAR滑动窗口检测方法进一步的发展，滑动窗口法对二维窗口延长一维。但在过程中会有大量的无关检测单位参考单元，导致检测性能退化。图1（b）中，你可以看到，参考窗不是直接从二维平面获取，它选取参考单元的方式是，一方面利用和检测单元处于同一距离的单元，另一方面选取处于同一时间单元的那些单元，即参考窗方式为十字形的结构。可以在在单独的一维测试不同尺寸，判断出标准的目标，只是在距离和时间两个维度在条件超出其阈值的时候。

以上2种方式，通过实际应用中取得了一些成果，但是这种方法在工程实际使用中，都需要对所有的数据进行遍历性检测，其运算量巨大，实时性无法保证。在实际应用中，为了解决这个问题，一般选择一条中间道路—— 二维列窗检测法。在第二维度列窗检测的时候，在距离维检测单元维度上，包括周围的b的范围内，在相应的时间维度上的所有单位，不参与噪声估计，而停留在检测单位距离维上，包括在c附近的范围内，一个单位和相应的时间维度上所有单位，作为参考单元对噪声估计，如图2所示，二维度列窗具有不同的结构。

在检测过程能够发现，和相邻的b距离单位范围内的杂波和检测单位的相关检测单元是很大的检测的时候，一般要将检测单元相邻的b附件，在检测过程中的一套“保护单位”，可以将它作为检测单元和计算参考单元之间的时间间隔，在检测算法在不是对杂波统计特性的估计。在二维列窗口中，都拿来引用元素，和其对应的相同的距离，有数种不同途径为时间维度，您可以使用相同的阈值，可以就是需要每个列和列对应于相同的阈值进行比较。

2 二级检测原理

Φ OTDR光纤振动系统的研究，通过分析振动信号的采集，您可以看到信号2噪音使用方形和处理，它跟随指数分布的趋势。图3可以看到，它是后加工10000点为基础，其概率密度分布函数（PDF）图中已经指出，图3（a）是在没有振动的情况下，收集到的噪声概率密度函数的分布情况，图3（b）是由具有振动的情况下，收集到的振动信号概率密度函数的分布情况。

列表窗格中的恒虚警检测方法，其探测器可以估计背景杂波的功率级，计算样本均值获得参考单位是n。OS-恒虚警率可以指定采样单元，从大到小的排序、采取一种更加简单的算法估计，这种方法中是选取了采样单元中的第k个值，用它作为杂波功率水平的估计，这样的估计在这样的检测中是更加科学合理的，在实际中收到了良好的效果。

3 结语

Φ-OTDR通过使用技术的光纤振动系统采用恒虚警检测技术，通过φ OTDR技术以减少虚警率的检测而信号。CA-恒虚警率就多重目标检测性能和排序的长时间问题使用CA-恒虚警率，第1页级检测中一些OS-CFAR，改进检测二维列窗CA CAFR的速度，再对其检测结果进行第2级的OS-CFAR检测。采用蒙特卡罗仿真方法确定选择检测门限系数时，如果实际的假报警接近预设率，选择相应的系数。第二级别的测试，测试速度不同参考编号两倍以上OS-CFAR的速度。最后，验证算法性能时，采用算现场分析的实验方法与蒙特Carlo仿真方法，对算法可行性和有效性做了验证。通过蒙特卡罗仿真确定二级检测门限系数的关系，其理论是不完美的，后来的研究需要继续考虑二次检测门限系数的关系，更多的科学公式进行定量的分析。

参考文献

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