基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测系统的研究

摘要

随着人为入侵对重点区域造成极大经济损失情况的增多，对重点区域进行周界入侵监测的重要性已经不容忽视。传统的周界入侵监测方法因其高昂的维护成本、较低的监测性能以及不能实现大范围监测的缺点，已经不能满足如今复杂环境下周界入侵监测的需求。由于φ-OTDR分布式传感技术在长距离传感中有着高灵敏度、高定位精度的优势，人们越来越多地将其应用于周界入侵监测领域。本文搭建了基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测系统，以此为基础进行基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测系统的研究，主要研究工作如下：
　　①从散射原理出发，描述瑞利散射原理，介绍基于光时域反射仪的分布式传感技术。在此基础上通过构建离散模型着重描述基于φ-OTDR的分布式传感系统的结构和原理，并对分布式传感系统中的空间分辨率、频率响应范围、动态范围等重要性能指标进行分析。
　　②在实验室搭建基于φ-OTDR的分布式入侵监测系统，介绍该系统中所使用到的重要仪器和材料的原理并对其性能指标进行分析。利用长度约为9740m的康宁裸光纤作为传感光纤，在传感光纤9610m处缠绕柱形PZT作为模拟振动点，用任意波形发生器在PZT上加上频率200Hz、幅度5V的正弦波模拟振动，最终完成实验室的传感光纤布线。SOA的脉宽设置为50ns，重复频率设置为10kHz。理论上，整个系统空间分辨率为5m，最大频率响应为5kHz。
　　③首次利用集成化的界面软件实现对本传感系统中所使用的三种有源光学仪器：NKT激光器、SOA光开关和EDFA进行控制。通过对这三种仪器的串口通信协议进行分析，编写相应的控制代码并将所有代码制作成 DLL。利用模块化编程方法，通过调用制作好的DLL完成基于MFC的控制界面软件编程。
　　④分析叠加平均、移动平均和移动差分等降噪算法，介绍前后时刻数据差值的信号解调算法与自适应均值取阈值算法。设计出完整的振动点定位方案，完成信号采集功能和振动点定位功能的集成，成功实现实验室条件下的振动点定位。设计出室外传感光缆布线、光缆线路地图模拟及振动点定位的方案。此外，还实现了用于振动点地图显示和传感光缆线路模拟的地图模块。
　　本文的工作将有效促进基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测系统的研究，为后期实际制备实用型、可靠型、功能集成型的基于φ-OTDR的分布式入侵监测仪器提供理论和技术支撑。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 传统周界入侵监测技术

1.3 分布式光纤传感技术及其分类

1.4 基于φ-OTDR技术的周界安全系统研究现状

1.5 课题研究意义及研究内容

2φ-OTDR基本原理

2.1 光的散射

2.2 基于光时域反射(OTDR)技术的分布式传感技术

2.3 本章小结

3 基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测系统搭建

3.1 系统原理

3.2 系统搭建及主要仪器材料选用

3.3 实验室传感光纤布线

3.4 本章小结

4 光学仪器控制界面软件设计与实现

4.1 软件设计要求及功能架构

4.2 控制界面软件的总体设计方案

4.3 光学仪器功能编程及DLL制作

4.4 基于MFC的界面软件编程

4.5 本章小结

5 基于φ-OTDR的分布式周界入侵监测实验研究

5.1 降噪算法研究

5.2 解调算法研究

5.3 振动点定位方案设计

5.4 采集、定位功能集成与振动点地图显示

5.5 实验结果

5.6 本章小结

6 总 结

6.1 全文总结

6.2 论文的创新点

6.3 展望

致谢

参考文献