基于SVM的φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究

摘要

分布式光纤扰动传感系统以其结构简单、灵敏度高、检测距离长且能抗电磁干扰等优势，被广泛应用于周界安防、管线预警监测和通信光缆检测等领域。相位敏感光时域反射计(Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer，Φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统具有系统稳定、分辨率高、定位精确以及多点定位等重要优势，已成为分布式光纤传感系统的研究热点。本文针对Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统的扰动事件模式识别，开展深入的理论与实验研究。
　　本论文完成的主要研究工作如下:
　　(1)对光时域反射计、相位敏感光时域反射计、偏振态光时域反射计和布里渊光时域反射计等技术进行分析与对比，分别在实验室和现场搭建出基于Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统，并进行相应的实验研究。
　　(2)提出一种基于支持向量机(Support Vector Machine，SVM)算法的扰动判别和扰动模式识别的方法。通过提取信号时域和频域的平均值、方差、均方差以及信号功率数字特征，利用左偏二叉树结构建立了基于SVM算法的分类器，对有无扰动进行判别并对扰动模式进行识别研究。根据传感信号的特征，采用三级分类器，每一级分类器均采用SVM算法进行分类。首先利用分类器Ⅰ在对有无扰动信号进行判别，然后对有扰动信号利用分类器Ⅱ、分类器Ⅲ和分类器Ⅳ分别对扰动事件的模式进行识别，主要识别的扰动模式有:踩压扰动方式、浇水扰动方式和敲击扰动方式。
　　(3)开发出基于百度地图的定位导航App模块。定位导航模块具有定位、接收扰动信息和导航等三大功能。在发生扰动时，三部分能协同工作，及时指引寻线人员到达现场。
　　(4)搭建Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统，并通过实验对所提出的SVM分类算法进行验证。分别在500m、6500m和21500m处各进行100组有无扰动的判别实验;在500m处对踩压方式、浇水方式和敲击方式三种模式各进行100组模式识别实验，得到正确的扰动判别率在96％以上，对三种模式的正确识别率在94％以上，漏报率和误报率均在6％以下。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 分布式光纤传感系统

1．2．1 分布式光纤传感系统的结构

1．2．1 分布式光纤传感系统的特点

1．2．3 分布式光纤传感系统的主要技术

1．2．4 分布式光纤传感系统的应用

1．3 基于Φ-OTDR分布式光纤传感系统研究现状

1．4 基于安卓系统的位置服务

1．5 研究内容

2 Φ-OTDR分布式光纤传感系统的理论研究

2．2．1 弹性光散射

2．2．2 非弹性光散射

2．2．3 散射光对比

2．3 分布式传感器的主要技术方案

2．3．1 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术

2．3．2 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术

2．3．3 基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术

2．3．4 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

2．3．5 主要技术对比

2．4．2 Φ-OTDR分布式光纤扰动传感器输出信号

2．5 SVM算法

2．5．1 SVM基本原理

2．5．2 SVM多分类模型

2．6 本章小结

3 基于SVM模式识别算法的Φ-OTDR分布式光纤扰动传感的研究

3．1 引言

3．2 特征参量的提取

3．2．1 离散傅立叶变换

3．2．2 平均值

3．2．3 均方差、方差

3．2．4 波形因子

3．2．5 能量谱、功率谱

3．3 二叉树结构的SVM算法的改进

3．4 基于二叉树结构的SVM分类器的构建

3．4．1 分类器Ⅰ

3．4．2 分类器Ⅱ

3．4．3 分类器Ⅲ和分类器Ⅳ

3．5 本章小结

4 基于Android系统定位导航模块的研究与设计

4．1 引言

4．2 移动设备的定位原理

4．2．1 GPS定位

4．2．2 基站定位

4．3 路径算法

4．3．1 Dijkstra算法

4．3．2 A*搜索算法

4．4 定位导航模块的构建

4．4．1 定位功能

4．4．2 接收扰动点位置信息功能

4．4．3 导航功能

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 实验系统搭建

5．3 数据采集、处理与结果分析

5．3．1 识别有无扰动的实验数据与结论

5．3．2 识别扰动源的实验数据与结论

5．3．3 与多特征识别算法的实验对比

5．4 本章小结

6．1 论文完成的主要工作

6．2 下一步研究建议

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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