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摘 要：为提高光纤周界报警系统对入侵事件报警的实时性和准确性，设计了一种高效的基于时域的干涉信号特征参数提取算法，并搭建了迈克尔逊光纤干涉仪原理的光纤周界报警系统用以验证该算法。经过对敲击、切割、攀爬和刮风等四种典型扰动事件的干涉信号特征参数的提取，并输入模式识别系统进行事件甄别，实验数据表明系统的报警准确率达到90%以上。
关键词：光纤周界报警系统 迈克尔逊光纤干涉仪 时域 特征参数提取
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-000-02
光纤周界报警系统是一种基于分布式光纤传感器的安全防范系统，相比传统的传动的被动式红外对射或基于振动电缆的入侵探测系统，具有监视距离长（超过
30 km）、抗电磁干扰能力强和维护成本低廉等优点。目前，国外已经大量采用光纤周界系统对机场、军事禁区等高安全区域进行安全监测。
光纤周界报警系统一般具有对入侵事件进行报警、事件定位、事件甄别等三个主要功能，其中事件甄别是指系统采用模式识别算法对攀爬围栏、切割围栏、敲击围栏等有效入侵事件与刮风下雨等干扰性的事件进行分类和鉴别，以减少误报警。
应用模式识别算法提高报警准确率的关键是信号特征参数的选择和提取，只有提取出可以表示待识别事件本质特性的特征参数，才能对事件进行识别。国内的部分学者提出了从频率域提取干涉信号的特征参数方法[1-3]，国外的研究者也多从频域着手提取干涉信号的特征参数。
该文提出并验证了一种基于在时域内高效提取干涉信号特征参数的方法。相比频域的算法具有特征参数少、算法简洁、实时性高等优点，可以有效提高光纤周界报警系统的性能。该文将详细描述这种方法的原理和软硬件实现方法。
1 光纤周界报警系统的技术原理
光纤受到振动时会由于“光弹效应”改变光纤的折射率，光纤折射率的变化又会改变在光纤传播的光波的相位。通过光学干涉法检测光波相位的变化，就能获得振动的信息，这是光纤周界报警系统探测入侵事件的理论基础。
基于迈克尔逊光纤干涉仪的光纤传感器的原理。光源采用低相干性的宽带光源SLED，经过光隔离器和去偏器进入2X2耦合器中，耦合器的输出分光比为1∶1的两束光分别进入两条光纤，其中一条为传感光纤，另一条为参考光纤。输出的光一路沿A-B-C-D-A的方向传播，另一路沿A-D-C-B-A的方向传播。当传感光纤受到扰动作用时，会产生应力变化，因此传感光纤中传播的光会产生相位变化为：
其中，为光波的相位变化，为光在光纤中的传播常数，L为受到扰动作用的光纤长度。
沿传感光纤和参考光纤中传播的光波可以分别表示为
其中，、表示两个光波的场强，、为振幅，为光波角频率，、为光波的初始相位，、为由于振动产生的光波相位变化。
由光波的干涉理论可知相干叠加后的光波可以表示为
其中，，是常量。
长度为受到扰动后，引起的相位变化为
其中n为光纤的折射率。
由（5）式可以看出由于外力导致的光纤的变形将导致在光纤中传播的光波的相位的变化，由（4）式可以看出两列光波相位差的变化会产生干涉信号。用光电探测器实时监测干涉光信号的变化，就可以检测出光纤传感器沿途入侵产生的振动信号，从而为报警算法提供了基本数据。
2 光纤周界系统的特征参数提取与模式识别
光纤周界报警系统在实际应用中，一般是将光纤铺设在防区的围栏之上。对围栏的人为侵犯包括敲击、切割、攀爬围栏等行为，同时一些自然现象如刮风、下雨等也会产生扰动。因此，对光纤周界报警系统来讲，为了减少误报警，必须甄别入侵事件的类型。
在光纤周界报警系统中采用模式识别技术可以满足这一要求，它的基本思路就是通过对干涉信号进行分析，找出每类事件对应的干涉信号的特征，然后提取它的特征参数。再将特征参数作为模式识别子系统的输入数据，模式识别子系统能从训练样本中自我学习形成识别模型，最终完成对各类入侵事件的甄别。在模式识别中，只有提取出可以表示入侵事件本质特性的特征参数，才能对其进行识别。良好的特征参数应该具有可区分性、可靠性、独立性和数量少的特点。
在光纤周界报警系统中，需要对光纤干涉信号的采样值进行数字信号处理，进而提取该信号的特征参数。在该文的第4小节将详细描述这一方法。
3 光纤周界报警系统实验平台的设计
如图2所示是光纤周界报警系统的实验平台。整个平台由光学传感光路、检测和控制电路、周界报警服务主机三个部分组成。
其中传感光路由SLED、出射光纤、2X2耦合器、参考光纤和传感光纤以及法拉第旋转镜组成。其中1550 nm波长的SLED发出的通过出射光纤进入2X2耦合器，通过2X2耦合后的两束光纤一路为参考光纤，一路为传感光纤，这两路光纤中的光束经过法拉第旋转镜反射后在2X2耦合器处重新交汇。我们将传感光纤固定在围栏上，当我们对围栏施加各种干扰时，传感光纤接收这些机械扰动，并在2X2耦合器处叠加产生干涉信号，此干涉信号又可以被连接在2X2耦合器一臂的PIN管接收，从而将干涉光信號转化为电信号。
图1中的检测和控制电路有几个主要组成部分。一是光源的驱动和温度控制电路，这部分电路产生恒电流源以驱动SLED发光，同时为了获得稳定的干涉信号，必须保持光源波长的稳定，因此需要 TEC（热电制冷器）对SLED进行控温（控温在25 ℃）以稳定SLED的波长。二是干涉模拟信号的检测和处理电路，这部分电路将PIN管产生的光电流转化为电压信号，同时经过带通滤波、程控放大等环节调整到最佳的SNR后送入ADC采样。三是主控和数字信号预处理电路，这部分电路的核心是FPGA，由于光纤周界入侵报警系统在应用中有多个防区，需要对多个防区的干涉信号进行并行采集和处理，而且对干涉信号的采样率一般要达到250 ksps以上，以精确重构干涉信号。所以本平台采用FPGA控制ADC采样和提取干涉信号的特征参数。同时FPGA要提取干涉信号的特征值并通过以太网上传到报警服务主机上。 报警服务主机上运行报警服务应用软件，该应用软件的主要功能一是对下位机设定运行参数，二是实时采集下位机上传的干涉信号的特征参数等数据，并基于这些特征参数对入侵事件的类型进行甄别，从而产生正确的报警动作。
4 基于时域的特征参数提取算法的设计
在图2所示的实验平台上以250ksps采样率采集到的一次敲击围栏行为采集到的原始干涉信号。其中横坐标是采样点数，纵坐标是以AD数字量表示的信号幅度。
由于干涉信号在时域内表现为一个幅度和频率变化的波形。因此，记录干涉信号穿过某个阈值的次数就能指示此时干涉信号频率的大小。而根据（5）式可知，相位差的大小与光纤的弹性位移成正比。
由此，我们用以下几个特征参数代表一个干扰事件：
（1）背景噪声幅度：信号的背景噪声幅度。
（2）事件触发阈值：干涉信号幅度超过此阈值，意味着有外力作用于光纤，标志一个可能的入侵事件的起始，触发系统开始采样记录。
（3）穿过阈值：开始记录事件后，干涉信号每正向穿过阈值一次，计数1次。
（4）事件单元：为便于分析干涉信号特征，将整个事件持续的时间分为若干个时间段，例如N=2000点为一段。
（5）穿过次数：在一个事件单元内，信号正向通过穿过阈值的次数记为。
（6）每个事件单元内的峰值
（7）事件持续时间：干涉信号反映的整个事件的持续时间。当在连续若干个事件单元时间内小于某个值时，可认为此事件已经结束。
图2是几个特征参数的在一个事件单元内的图形示意。特征参数的提取过程如下：首先由报警服务主机设定采集参数，包括采样率、事件触发阈值（设定为大于背景噪声幅度）以及穿过阈值。然后，启动采样，FPGA以设定采样率对信号持续采样，当传感光纤受到扰动时，产生的干涉信号幅度将高于，进而触发系统采集干涉信号并實时分析该事件的特征参数和，FPGA将每个事件单元内的和，以及事件持续时间上传到报警服务主机上。
报警服务主机在接收到下位机上传的特征参数后，会将这些特征参数输入模式识别软件中进行进一步的分析，从而确定事件的类型和性质，最后做出报警处理动作。
5 算法的实验验证
为了验证本算法对入侵事件的甄别能力，我们基于图2所示的实验平台进行了一系列的测试。分别测试了在围栏受到敲击、切割、攀爬以及刮风四种扰动情况下的干涉信号及其穿过次数统计值，提取特征参数的设置如下：信号的采样率为250 ksps，一个事件单元时为8 ms（即2000个采样点），事件触发阈值=1.2 V，穿过阈值=0.5 V。提取出的4个典型事件的特征参数（穿过次数和事件持续事件）具有明显的差异，可以作为模式识别的输入特征参数进行做进一步的事件甄别。
6 结语
以基于迈克尔逊干涉仪原理的光纤周界报警系统为平台，提出了一种在时间域内实时提取信号特征参数的算法，这个算法的核心思想提取干涉信号的穿越次数（穿过某一预设幅度的计数）和持续时间，相比提取在频域内进行的特征参数提取算法，该算法具有特征参数少、运算量小的小的优点。经过对光纤周界系统最常见的典型干扰事件（即敲击、攀爬、切割和刮风）的干涉信号特征参数进行提取测试证明：采用基于时域的提取算法提取的特征参数，在不同事件中区别度良好，适合作为模式识别系统的输入参数进一步进行事件类型甄别。
参考文献
[1] 蓝天.全光纤周界安全防范系统[J].光学技术，2008.
[2] 洪滨.基于光纤振动传感器的周界防范装置的研究[J].技术探讨，2009.
[3] 王燕花.新型光纤传感系统的研究与实现[D].北京：北京交通大学，2009.
[4] 侯媛彬.神经网络[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
关键词：光纤周界报警系统 迈克尔逊光纤干涉仪 时域 特征参数提取
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-000-02
光纤周界报警系统是一种基于分布式光纤传感器的安全防范系统，相比传统的传动的被动式红外对射或基于振动电缆的入侵探测系统，具有监视距离长（超过
30 km）、抗电磁干扰能力强和维护成本低廉等优点。目前，国外已经大量采用光纤周界系统对机场、军事禁区等高安全区域进行安全监测。
光纤周界报警系统一般具有对入侵事件进行报警、事件定位、事件甄别等三个主要功能，其中事件甄别是指系统采用模式识别算法对攀爬围栏、切割围栏、敲击围栏等有效入侵事件与刮风下雨等干扰性的事件进行分类和鉴别，以减少误报警。
应用模式识别算法提高报警准确率的关键是信号特征参数的选择和提取，只有提取出可以表示待识别事件本质特性的特征参数，才能对事件进行识别。国内的部分学者提出了从频率域提取干涉信号的特征参数方法[1-3]，国外的研究者也多从频域着手提取干涉信号的特征参数。
该文提出并验证了一种基于在时域内高效提取干涉信号特征参数的方法。相比频域的算法具有特征参数少、算法简洁、实时性高等优点，可以有效提高光纤周界报警系统的性能。该文将详细描述这种方法的原理和软硬件实现方法。
1 光纤周界报警系统的技术原理
光纤受到振动时会由于“光弹效应”改变光纤的折射率，光纤折射率的变化又会改变在光纤传播的光波的相位。通过光学干涉法检测光波相位的变化，就能获得振动的信息，这是光纤周界报警系统探测入侵事件的理论基础。
基于迈克尔逊光纤干涉仪的光纤传感器的原理。光源采用低相干性的宽带光源SLED，经过光隔离器和去偏器进入2X2耦合器中，耦合器的输出分光比为1∶1的两束光分别进入两条光纤，其中一条为传感光纤，另一条为参考光纤。输出的光一路沿A-B-C-D-A的方向传播，另一路沿A-D-C-B-A的方向传播。当传感光纤受到扰动作用时，会产生应力变化，因此传感光纤中传播的光会产生相位变化为：
其中，为光波的相位变化，为光在光纤中的传播常数，L为受到扰动作用的光纤长度。
沿传感光纤和参考光纤中传播的光波可以分别表示为
其中，、表示两个光波的场强，、为振幅，为光波角频率，、为光波的初始相位，、为由于振动产生的光波相位变化。
由光波的干涉理论可知相干叠加后的光波可以表示为
其中，，是常量。
长度为受到扰动后，引起的相位变化为
其中n为光纤的折射率。
由（5）式可以看出由于外力导致的光纤的变形将导致在光纤中传播的光波的相位的变化，由（4）式可以看出两列光波相位差的变化会产生干涉信号。用光电探测器实时监测干涉光信号的变化，就可以检测出光纤传感器沿途入侵产生的振动信号，从而为报警算法提供了基本数据。
2 光纤周界系统的特征参数提取与模式识别
光纤周界报警系统在实际应用中，一般是将光纤铺设在防区的围栏之上。对围栏的人为侵犯包括敲击、切割、攀爬围栏等行为，同时一些自然现象如刮风、下雨等也会产生扰动。因此，对光纤周界报警系统来讲，为了减少误报警，必须甄别入侵事件的类型。
在光纤周界报警系统中采用模式识别技术可以满足这一要求，它的基本思路就是通过对干涉信号进行分析，找出每类事件对应的干涉信号的特征，然后提取它的特征参数。再将特征参数作为模式识别子系统的输入数据，模式识别子系统能从训练样本中自我学习形成识别模型，最终完成对各类入侵事件的甄别。在模式识别中，只有提取出可以表示入侵事件本质特性的特征参数，才能对其进行识别。良好的特征参数应该具有可区分性、可靠性、独立性和数量少的特点。
在光纤周界报警系统中，需要对光纤干涉信号的采样值进行数字信号处理，进而提取该信号的特征参数。在该文的第4小节将详细描述这一方法。
3 光纤周界报警系统实验平台的设计
如图2所示是光纤周界报警系统的实验平台。整个平台由光学传感光路、检测和控制电路、周界报警服务主机三个部分组成。
其中传感光路由SLED、出射光纤、2X2耦合器、参考光纤和传感光纤以及法拉第旋转镜组成。其中1550 nm波长的SLED发出的通过出射光纤进入2X2耦合器，通过2X2耦合后的两束光纤一路为参考光纤，一路为传感光纤，这两路光纤中的光束经过法拉第旋转镜反射后在2X2耦合器处重新交汇。我们将传感光纤固定在围栏上，当我们对围栏施加各种干扰时，传感光纤接收这些机械扰动，并在2X2耦合器处叠加产生干涉信号，此干涉信号又可以被连接在2X2耦合器一臂的PIN管接收，从而将干涉光信號转化为电信号。
图1中的检测和控制电路有几个主要组成部分。一是光源的驱动和温度控制电路，这部分电路产生恒电流源以驱动SLED发光，同时为了获得稳定的干涉信号，必须保持光源波长的稳定，因此需要 TEC（热电制冷器）对SLED进行控温（控温在25 ℃）以稳定SLED的波长。二是干涉模拟信号的检测和处理电路，这部分电路将PIN管产生的光电流转化为电压信号，同时经过带通滤波、程控放大等环节调整到最佳的SNR后送入ADC采样。三是主控和数字信号预处理电路，这部分电路的核心是FPGA，由于光纤周界入侵报警系统在应用中有多个防区，需要对多个防区的干涉信号进行并行采集和处理，而且对干涉信号的采样率一般要达到250 ksps以上，以精确重构干涉信号。所以本平台采用FPGA控制ADC采样和提取干涉信号的特征参数。同时FPGA要提取干涉信号的特征值并通过以太网上传到报警服务主机上。 报警服务主机上运行报警服务应用软件，该应用软件的主要功能一是对下位机设定运行参数，二是实时采集下位机上传的干涉信号的特征参数等数据，并基于这些特征参数对入侵事件的类型进行甄别，从而产生正确的报警动作。
4 基于时域的特征参数提取算法的设计
在图2所示的实验平台上以250ksps采样率采集到的一次敲击围栏行为采集到的原始干涉信号。其中横坐标是采样点数，纵坐标是以AD数字量表示的信号幅度。
由于干涉信号在时域内表现为一个幅度和频率变化的波形。因此，记录干涉信号穿过某个阈值的次数就能指示此时干涉信号频率的大小。而根据（5）式可知，相位差的大小与光纤的弹性位移成正比。
由此，我们用以下几个特征参数代表一个干扰事件：
（1）背景噪声幅度：信号的背景噪声幅度。
（2）事件触发阈值：干涉信号幅度超过此阈值，意味着有外力作用于光纤，标志一个可能的入侵事件的起始，触发系统开始采样记录。
（3）穿过阈值：开始记录事件后，干涉信号每正向穿过阈值一次，计数1次。
（4）事件单元：为便于分析干涉信号特征，将整个事件持续的时间分为若干个时间段，例如N=2000点为一段。
（5）穿过次数：在一个事件单元内，信号正向通过穿过阈值的次数记为。
（6）每个事件单元内的峰值
（7）事件持续时间：干涉信号反映的整个事件的持续时间。当在连续若干个事件单元时间内小于某个值时，可认为此事件已经结束。
图2是几个特征参数的在一个事件单元内的图形示意。特征参数的提取过程如下：首先由报警服务主机设定采集参数，包括采样率、事件触发阈值（设定为大于背景噪声幅度）以及穿过阈值。然后，启动采样，FPGA以设定采样率对信号持续采样，当传感光纤受到扰动时，产生的干涉信号幅度将高于，进而触发系统采集干涉信号并實时分析该事件的特征参数和，FPGA将每个事件单元内的和，以及事件持续时间上传到报警服务主机上。
报警服务主机在接收到下位机上传的特征参数后，会将这些特征参数输入模式识别软件中进行进一步的分析，从而确定事件的类型和性质，最后做出报警处理动作。
5 算法的实验验证
为了验证本算法对入侵事件的甄别能力，我们基于图2所示的实验平台进行了一系列的测试。分别测试了在围栏受到敲击、切割、攀爬以及刮风四种扰动情况下的干涉信号及其穿过次数统计值，提取特征参数的设置如下：信号的采样率为250 ksps，一个事件单元时为8 ms（即2000个采样点），事件触发阈值=1.2 V，穿过阈值=0.5 V。提取出的4个典型事件的特征参数（穿过次数和事件持续事件）具有明显的差异，可以作为模式识别的输入特征参数进行做进一步的事件甄别。
6 结语
以基于迈克尔逊干涉仪原理的光纤周界报警系统为平台，提出了一种在时间域内实时提取信号特征参数的算法，这个算法的核心思想提取干涉信号的穿越次数（穿过某一预设幅度的计数）和持续时间，相比提取在频域内进行的特征参数提取算法，该算法具有特征参数少、运算量小的小的优点。经过对光纤周界系统最常见的典型干扰事件（即敲击、攀爬、切割和刮风）的干涉信号特征参数进行提取测试证明：采用基于时域的提取算法提取的特征参数，在不同事件中区别度良好，适合作为模式识别系统的输入参数进一步进行事件类型甄别。
参考文献
[1] 蓝天.全光纤周界安全防范系统[J].光学技术，2008.
[2] 洪滨.基于光纤振动传感器的周界防范装置的研究[J].技术探讨，2009.
[3] 王燕花.新型光纤传感系统的研究与实现[D].北京：北京交通大学，2009.
[4] 侯媛彬.神经网络[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.