多传感器信息融合在Φ—OTDR系统中的应用

李　灏，杨德伟，李立京，钟　翔，孙昌君（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191）

应用技术

多传感器信息融合在Φ—OTDR系统中的应用

李灏，杨德伟，李立京，钟翔，孙昌君
（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191）

针对相位敏感光时域反射计（Φ—OTDR）扰动传感系统存在较为严重的漏警和误警现象的问题，提出了一种多传感光纤系统方案。该方案结合多传感器信息融合理论，将传统的Φ—OTDR系统扩展为多路方案，并利用一种改良的D-S证据理论算法完成了多路信息的融合。通过实验证明了方案的可行性，漏警率由2%降至了0；误警现象由72 h内出现9次降至0次。

相位敏感光时域反射计；多传感器信息融合；报警准确性

0　引言

基于相位敏感光时域反射计（Φ—OTDR）的分布式光纤扰动传感器，具备高灵敏度、高定位精度、长监测距离、分布式实时监测等优点，在安防领域有着广阔的应用前景［1］。报警准确率是Φ—OTDR扰动传感系统的关键指标之一，Φ—OTDR所检测的后向瑞利散射信号极其微弱，且受系统元件稳定性、应用环境复杂性的影响，容易出现漏警或误警现象，影响Φ-OTDR扰动传感系统的监测效果。传统方案中，想要提高报警的准确性，往往需要采用性能更加优良、稳定性更高的光学器件，大大提高了系统的成本，限制了系统的实用推广。

近年来，多传感器信息融合技术研究的深入，为解决这一问题提供了新的思路与手段［2］。本文提出一种Φ—OTDR扰动传感系统的多路信息融合方案，利用多个传感器间冗余性与互补性，提高Φ—OTDR系统报警准确率。

1　Φ—OTDR多传感器方案

图1所示为Φ—OTDR分布式扰动传感器的工作原理［3］：光脉冲自光纤一端注入，在光纤内传播时会产生后向瑞利散射。Φ—OTDR系统采用窄线宽光源，脉冲宽度区域内的后向瑞利散射光发生干涉后，光强可以被探测到。当光纤上某点发生扰动时，干涉作用会引起后向散射光光强变化。受影响时刻的瑞利散射光强曲线同正常时刻的曲线做减法运算，可以得到定位结果曲线，反映出扰动情况。

Φ—OTDR多传感器信息融合光路方案同传统Φ—OTDR方案相比，可以将多路传感器采集到的数据进行综合处理，利用多传感器信息间的互补性与冗余性，形成更加全面、精确的判断结果，增强信息的可靠程度［4］。光纤传感器的数量可以根据实际应用需求、系统硬件性能等因素进行添加与删减，理论上扩展的数量越多，系统报警性能就越优越。

图1　Φ—OTDR系统原理图Fig 1　Principle diagram of Φ—OTDR system

2　多传感器信息融合方法

考虑到系统实时性需求，本系统采用特征级融合，将各个传感器的原始数据进行特征提取作为待融合信息。融合算法采用了基于D-S证据理论的改良算法，利用一致性检测来衡量证据间彼此支持的程度，作为证据的权重［5～7］，据此进行D-S融合。

2.1多传感器信息特征提取

在Φ—OTDR多传感器系统中，建立各传感器的概率函数，作为融合的特征信息。对于识别框架Θ上的基本概率赋值函数m，应满足以下条件

Φ—OTDR系统中各传感器在识别框架内包含4种状态：1）实际有扰动，发出警报；2）实际有扰动，未发出警报；3）实际无扰动，发出警报；4）实际无扰动，未发出警报。

据此可建立描述报警事件的概率函数m，形式如m= （a，b，c，d）。

当系统有扰动报警时，a+c=1，b=d=0。a值代表报警是由扰动引起的概率，同定位曲线的信噪比呈正比，计算公式定义为

式中S为定位曲线峰值，代表信号值，N值定义为定位曲线第2～102个点的平均值，代表对信号构成干扰的噪声。

当系统无报警时，b+d=1，a=c=0。b的值代表出现漏警的概率，通过实验室测试漏警的先验概率结合光强的衰减公式

式中L指在有扰动路中触警位置，km。

2.2特征信息的融合算法

对各传感器的概率函数进行融合，每个概率函数作为一个证据，步骤如下［8，9］：

对n个证据进行求和与归一化，得到各个目标的权重wi，计算公式如下

式中m1，m2，…，mn分别为n个证据，对于其中一个证据函数mj=（mj（A1），mj（A2），mj（A3），…，mj（AN）），Aj为某一个证据识别框架内的某个目标。

计算两个证据m1与m2的距离公式为［10］

证据的相似程度计算如下

证据mi获得其他证据支持度的计算公式为

可得证据mi的可信度Crd（mi），作为证据mi的权重

加权平均证据计算公式

式中

对得到的加权平均证据m使用D-S理论进行n-1次自组合，组合公式为

2.3融合算法的仿真

基于以上融合步骤，进行了如下的实验仿真，模拟了三种可能对系统报警构成干扰的情况。其中，光纤传感器的数量选择为4个，仿真结果如表1～表3。

1）外界环境噪声较大，对扰动信号造成了一定淹没，故各路信噪比都较低。

表1　情况一中信息融合的仿真结果Tab 1　Simulation result of information fusion in the first case

2）外界有微小扰动时，某个传感器出现了漏警故障，其他正常报警。

3）外界无扰动时，某个光纤发出了误报，其他光纤不报警。

表2　情况二中信息融合的仿真结果Tab 2　Simulation result of information fusion in the second case

表3　情况三中信息融合的仿真结果Tab 3　Simulation result of information fusion in the third case

通过以上仿真结果，可以得到结论：Φ—OTDR的多路信息融合方案可以明显提升系统的扰动判定性能。具体体现在：对于几个可信度不高的传感信息，经过融合以后可以得到对结果支持力度较高的证据；对个别传感器的漏警和误警现象，多路方案具备很强的抵抗能力，综合结果可以较好地予以排除。

3　实验验证

搭建实验系统如图2所示，超窄线宽（1.3 kHz）激光光源输出波长为1550nm的光，被SOA（消光比为30dB）调制为脉冲光，脉冲周期为400 μs，脉宽为200 ns（占空比为0.05%），此时对应的空间分辨率可达20 m。产生的脉冲光经过EDFA放大以后，分为四路注入各路光纤内，采集各路的后向瑞利散射数据，在数据处理单元进行进一步的处理。

图2　多传感器实验方案原理图Fig 2　Principle diagram of multi-sensors experimental scheme

实验中每路光纤总长18 km，由一束2 km光纤与一束16 km光纤组成，中间用跳线连接，跳线捆扎在铁丝网上，通过敲击铁丝网模拟作用在跳线位置上的扰动。实验测试包含2个部分：第一部分是测试多路方案的漏报率，实验中进行了100次敲击测试，力度随机，统计单传感器和多传感器系统的报警次数，实验结果见表4。

第二部分是测试多传感器系统长时间运行过程中，对误报的抵抗效果。观测时间设定为72 h，实验期间需保证系统不受来自外界的扰动，比较单传感器和多传感器系统

表4　漏警率实验测试结果Tab 4　Test result of leak alarm rate experiment

在72 h内的误报次数差异，实验结果见表5。

表5　误警率实验测试结果Tab 5　Text result of false alarm rate experiment

结果显示：多路方案在降低系统漏警与误警方面均显示出良好效果。

4　结论

本文提出了一种Φ—OTDR扰动传感系统的多路方案，利用多传感器信息融合的技术，改善传统Φ—OTDR传感方案的报警性能。经过仿真与实验测试，表明该方案可以有效地对漏警和误警予以剔除，大大提高了系统报警判定的可靠性。对于提高Φ—OTDR扰动传感器的应用价值具有重要的意义。

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Application of multi-sensors information fusion inΦ—OTDR system

LI Hao，YANG De-wei，LI Li-jing，ZHONG Xiang，SUN Chang-jun
（School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China））

Aiming at existence of false alarm and leak alarm phenomena in Φ—OTDR disturbance sensing system，a multi-sensors optical fiber system scheme is proposed.This scheme combines multi-sensors information fusion theory with the traditional Φ—OTDR system，which expands the system to multi-path scheme，then accomplish multi-path information fusion using an improved D-S evidence theory algorithm.The feasibility is confirmed by experiment，the leak alarm rate is reduced from 2%to 0；phenomena of false alarm is reduced from 9 times to 0 in 72 h.

Φ—OTDR；multi-sensors information fusion；alarm accuracy

TP212.1

A

1000—9787（2016）06—0139—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0139—03

2015—09—30

李灏（1989-），男，河北辛集人，硕士研究生，主要研究方向为分布式光纤传感技术。