分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理

题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 El：盆查式当红返动篮壁丕统数麴堡丞塞皇处堡学号：Q25羔5量姓名：蒸旭蝰专业：电磁场皇邀这这丕导师：沈垩学院：羞逗筐墨堂皇王堂婴窒瞳．2010年1月10日北京邮电人学硕十学位论文lL▲-北京邮电人学硕+学位论文独创性(或创新性)声明JIIIIIII]11IIIIIIIIIII＼1757663本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人签名：五丝啤本人承担一切相关 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 。日期：2翌么!：墨：堇关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：葚趋堡同期：导师签名：20／o．：；．6-日期：塑!!!■≤北京邮电人学硕士学位论文北京邮电人学硕十学位论文分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理摘要光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的高速发展而迅速发展起来的一门新兴技术，经历了近30年的发展，取得了巨大的成就。基于光纤传感器的非接触式测量、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰和耐高温腐蚀等突出优点，它被广泛应用于敏感区域的安防报警。本论文从理论和实验两个方面对分布式干涉型光纤振动传感器系统的数据采集和信号处理进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和探讨。研究成果对于分布式干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域具有应用前景。本论文主要研究一种基于马赫一泽德(Mach．Zehnder)：于涉仪的干涉型光纤传感器系统，该系统组成主要包括管理中心、监控节点和监控设备三部分。其中，监控节点主要包括用户界面模块、数据采集模块、数据处理模块和数据库系统模块等四个部分。在此基础之上，本论文着重对基于PCI总线的数据采集模块的设计与实现和数据处理算法的原理与实现进行了研究。分布式光纤振动传感系统采用了一种新的信号采集方式，通过分层设计，对不同公司生产的采集卡驱动程序进行封装，保证了在使用不同公司采集卡时上层软件的兼容性。信号处理算法包括信号的报警算法和定位运算两大部分。报警算法中，引入了基于事件特征值的模板数据库，通过对入侵产生的事件特征值与报警误报模板的相似匹配，在提高系统报警的准确性同时，为用户根据自身需求区分报警事件与误报事件提供了方便；定位算法中，采用完全使用PC机的处理模式，选用以ML窗函数作为权函数的tder算法，较好地抑制了噪声的影响，提高了时延估计的精度。关键词光纤传感器事件特征值模板匹配广义互相关北京邮电人学硕十学位论文o◆1^^北京邮电人学硕士学位论文DATAACQUISITIONANDPROCESSINGOFDISTRIBUTEDOPTICALFIBERVIBRATIONSENSORSYSTEMABSTRACTWiththerapiddevelopmentofopticalfiberandopticalfibercommunicationtechnology，opticalfibersensortechnology，asanewtechnology，hasmadetremendousdevelopment．Throughnearly30years’development，ithasmadegreatachievements．Basedontheadvantagessuchasnon—touchmeasurement，highsensitivity，fastresponse，anti—electromagneticinterferencehightemperatureresistanceandcorrosionresistance．theopticalfibersensoriSwidelyusedinthesecurityalarmofsensitiveareas．Inthispaper，thedataacquisitionandprocessingofdistributedopticalfibervibrationsensorsystemisanalysedanddiscussedbothintheoryandexperiments．Theresultsofthispaperhaveimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvalueinthecommercializationofdistributedinterferometricfiber—opticsensor．Andtheyalsohaveapotentialapplicationinthefieldofindustrialandnationaldefence．ThispaperstudiestheopticalfibersensorsystemwhichisbasedontheMach——Zehnderinterferometer．Thesystemprimarilyconsistsofthemanagementcenter，themonitornodeandthesengsingequipment．Themonitornodeprimarilyconsistsoftheinterfacemodule，thedataacquisitionmodule，thedataprocessingmoduleandthedatabasesystemmodule．ThispaperfocusesonthestudiesofthedesignandimplementationofthedataacquisitionmodulebasedonthePCIbusandthedataprocessingalgorithms．Anewsignalacquisitionmodeisadoptedinthedistributedopticalfibervibrationsensorsystem．Thedriversoftheacquisitioncardsproducedbydifferentcompaniesarepackagedthroughthehierarchicaldesign．Asaresult，thecompatibilityoftheupper北京邮电人学硕十学位论文softwareiSensuredwhentheacquisitioncardsproducedbydifferentcompaniesareusedinthesystem．Thesignalprocessingalgorithmsconsistsofthealarmalgorithmsandthepositioningalgorithms．Inthealarmalgorithms，thetemplatedatabasebasedonthecharacteristicvaluesoftheeffectivesignalsiSadopted．TheaccuracyofthesystemalarmiSimprovedthroughpatterncomparisonbetweentheinvasionandthetemplates．Andthisalsofacilitatestheuserstodistinguishbetweenthealarmeventandthefalseeventontheirownneeds．Inthepositioningalgorithms，thePCprocessingmode，insteadoftheDSPmode，isadopted．Thetderalgorithm．inwhichMLwindowfunctioniSselectedasweightfunction，ischosentosuppressthenoiseimpactandincreasetheaccuracyoftimedelayestimation．KEYWORDSOpticalfibersensor，characteristicvaluesofevents，templatematching，thegeneralizedcorrelation^^北京邮电人学硕十学位论文第一章绪论目录1．1i；I言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2光纤传感器综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1J．ZJ辫劈：感留彩噬塬揪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯jj．Z2辫传感器拗娄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯?j．z3辫劈镀籍薷移2重用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31．3论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4第二章基于马赫．泽德干涉原理的分布式光纤传感器系统52．1分布式光纤传感器原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．2两类典掣的分布式光纤传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．2．1基于反射结构的分布式光纤传感器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5ZZ2基于于彦≠结灼的分方菇老纡传理克器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．3马赫一泽德分布式光纤传感器系统的_T作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10ZiJ肩绣彰牙￡≤曼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10Zi2a勉原醒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．J彳2．4系统结构及各功能模块介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15第三章基于PCI总线的数据采集模块的设计与实现193．1PCI数据采集模块概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．2数据采集模块的分层设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．203．Z1属I层票集≠旃要赞计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。刀3．2．2内核层采集卡驱动概要设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，．2l3．3数据采集模块的软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23i主j属．层采集≠举纫狰计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．刀3．3．2力核层票第≠驱动律纫旋劳⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．27第四章分布式光纤传感器数据处理算法的研究与实现。314．1信号处理概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。314．2报警算法的设计及软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324ZJ报著算哮}筒分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．了2422拐燃越理苏醒目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．鲥zz3搦譬算宏：励赣绎买叨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．364．3定位算法的研究及软件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．39钔Lj互桓芜瑟希分缀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．3．2tedr算宏僳0酲⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．钌4．3．3tedr鼻宏谚磁绎实况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．私4．4数据处理算法的试验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46北京邮电人学硕+学何论文4．4．1矗滋粤；台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．464．4．2斑疆喙黝荔E⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。47第五章论文总结与展望515．1论文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。515．2腱15目!⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52参考文献致谢发表文章5455，、56^北京邮电人学硕十学位论文1．1引言第一章绪论20世纪70年代中期，随着光导纤维和光纤通信技术的发展，光纤传感器开始迅速发展。光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作，通过被测物理量(如应力、温度、压力、电场、磁场等)对光纤内的传输光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振念等特性发生变化，在接收端通过对被调制光信号进行检测，得出被测物理量的一种新型传感器。与传统传感器相比，光纤传感器具有其独特的优点，如非接触式测量、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、超高压绝缘、耐高温腐蚀、防燃防爆、可灵活挠曲、测量对象广泛等IlJ。基于以上特点，光纤传感器的应用范围非常广泛。不仅可以用于居民小区、政府机关、银行金库、机场等的安防报警，还可应用于石油管道监控、隧道监控、地震和洪水监测等I翻。1．2光纤传感器综述1．2．1光纤传感器的发展概况光纤传感技术是20世纪80年代，伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。经过几十年的发展，光纤传感器已经成为当今极具发展潜力和广阔应用前景的产业，国内外很多公司和科研机构都丌展了这方面的研究工作。在国外，很多发达国家不仅注重光纤传感器的技术研究，而且重视其商业化开发，使光纤传感器逐步形成比较全面的工业化生产体系，成为新的朝阳产业。美国海军研究所(NRL)于1977年丌始执FOSS(光纤传感器系统)计划，从此以后许多国家对光纤传感器进行了大量的研究。美国对光纤传感器的研究最早、投资最大、水平最高，仅1983年就投入12～14亿美元，主要的研究机构有美国海军研究所、国家宇航局(NASA)、西屋电器公司、斯坦福大学等，主要研究方向有6个：光纤传感器系统(FOSS)、现代数字光纤控制系统(ADOsS)、光纤陀螺(FOG)、北京邮电人学硕+学位论文核辐射监控(NRM)、飞机发动机监控(AEM)、民用研究计戈IJ(CRP)。由于光纤传感器具有广阔的工业和民用市场，因此日本和西欧各国高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究开发工作。日本在20世纪80年代便制定了“光应用计划控制系统”7年 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 ，投资70亿美元将光纤传感器应用于大型工厂，该规划的主要目标是解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣条件下的信息测量、传输和全过程控制问题，主要的研究机构有松下、三菱、东京大学等。20世纪90年代，F1本研究开发出多种具有一流水平的民用光纤传感器。英国的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电讯公司、牛津大学、南安普顿大学、法国的汤姆逊公司、德国的西门子公司等企业和大学也都积极参与了光纤传感器这一领域的研究丌发和市场竞争，并取得了很大的发展【3】o目前，很多发达国家在大力开展光纤传感器的实验室研究的同时，还特别注重光纤传感器的商业丌发与运用，着重研究光纤传感器的工业化生产技术，并达到了较高的水平，迅速形成具有竞争力的新兴产业，研究开发出了许多光纤传感系统的商用产品。Yamatake．Honeywell公司为电子和半导体工业提供了应用很广的HPX系列光纤传感器。ldecIzumi公司推出了SAIC—FU系列模拟传感器，用于水污染和混浊度监测。日本富士公司推出光纤式网络总线(OpticalFieldbusSystem)为工业自动化提出标准而优秀的光纤传感器网络系统，并推出了光纤压力表、流量计、温度计等一系列工业自动化应用的光纤传感器。国际光纤传感器从八十年代起以平均每年40％左右的速度在递增，1996年销售额达5．05亿美元，2000年达60亿美元，预计到2006年将达到100亿美元。如今传感系统新技术的发展方向为：开发新型传感材料、开发多用途传感系统、分布式传感系统灵敏度的提高和成本的降低、传感系统的智能化等。在国内，从20世纪70年代末就有少数单位开展光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。至今已有上百家单位在这一领域开展工作，研究工作主要集中在大学和研究所，如清华大学、电子科技大学、武汉理工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学等高校以及中科院物理所、声学所、核工业总公司九院、电子工业部1426所等研究所。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。但是与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投人批量生产和工程化应用。我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，缩短我国传感器技术与国外的差距，促进我国仪器仪表工业和自动化技术的发展。2北京邮电人学硕+学位论文1．2．2光纤传感器的分类根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型和非功能两大类【41。(1)功能型光纤传感器，又称传感型光纤传感器。这种传感系统中，光纤不仅起到传输光波的作用，同时自身可直接接收外界的被测量。外界的被测物理量能够引起传感臂的长度、折射率、直径等参数的变化，使得光纤内传输的光信号在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化，从而可以检测出外部物理量的变化。由于光纤本身就是敏感元件，此类光纤传感器具有极高的灵敏度。但它需要特殊光纤和先进的检测技术，因此成本高，结构复杂。(2)非功能型光纤传感器，又称称传光型光纤传感器。光纤在其中仅起导光作用，必须在光纤端部或中间安装其他敏感元件才能组成完整的传感器。此类光纤传感器结构简单、技术上易实现、适用范围广，但是精度和灵敏度比传感型光纤传感系统稍低。根据被测量对光的调制方法不同，传感型光纤传感器可分为以下几类：(1)强度传感器。这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件参数变化，枞而导致光强度变化来实现敏感检测的传感器。这类光纤传感器的优点是结构简单、成本低。缺点是光源强度的波动对其影响较大。(2)频率(或波长)传感器。这是一种利用由被测对象引起的光频率(或波长)的变化来进行检测的传感器。(3)相位传感器。其基本原理是被测量作用于敏感元件，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，从而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测量的信息。这类传感器的灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本较高。(4)光纤偏振式传感器。这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度较高。从被检测对象的不同来说，光纤传感器分为温度传感器、电压传感器、位移传感器、浓度传感器、电流传感器、流速传感器等。1．2．3光纤传感器的应用在一些重要的区域，如机场、军事基地、武器弹药库、石油管道等处，为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝篱笆网等，并安排人员巡逻。但是人力防范往往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误。因此需要应用一些先进的周界探测报警系统形成一道人眼看不到的“电子围墙”。另3V北京邮电人学硕十学位论文外，传感器定位系统也可以用于很多民用设施中，例如：道路交通，通信光缆防护等等。以道路交通为例，传感器定位系统可以用于优化道路交通，在十字路口处监控道路上是否有车辆驶来，如果没有，就可以减少这条路的绿灯，让别的路上始终是绿灯，这样就最大程度的优化了交通。全光纤分布式检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行预警、保护，可沿管线(油、天然气)铺设光缆，定位入侵位置。铺设电子围栏，提供入侵者对保护地域的入侵位置。对通信光缆保护，利用光缆中暗纤进行防护，可在窃听方接近光缆，剥开光缆，泄漏光信号的整个过程中，进行提前定位报警。还可以分区域防护，每个区域面积在几平方米到几平方公罩，不提供精确定位。光缆可以安装在围墙、屋顶，或者在地下，保护政府机构、军事基地、输油管线、电厂、机场、通信设施、通信线路、国界等对安全性和实时性要求非常高的地段，检测现场破坏或者入侵，提前报警，将损失降到最小。这不仅对于干涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论和实际意义，而且在国防、工业等方面也会有极其广泛的应用，将会带来较大的经济和社会效益15l。1．3论文主要研究内容本论文主要研究一种基于马赫．泽德(Mach．Zehnder)-T涉仪的干涉型光纤传感器，并着重研究光纤传感器的信号采集和处理算法及其实现。传感器系统中采用了一种新的信号采集方式，通过对采集卡驱动程序的封装，保证了在使用不同公司采集卡时上层软件的兼容性。信号处理算法包括信号的报警算法和定位运算两大部分。报警算法中，通过对入侵产生的事件特征值与报警误报模板的相似匹配，提高入侵报警的准确性：定位算法中，选用ML窗函数作为权函数，以提高时延估计的精度。本论文的结构如下：第一章为绪论，对光纤传感器系统做综述性介绍。第二章为分布式光纤传感器系统结构，主要介绍了马赫．泽德分布式光纤传感器系统的工作原理以及结构组成，并对系统中的各个模块进行说明。第三章为传感器数据采集模块的设计与实现，主要介绍了数据采集模块的分层设计及其软件实现。第四章为数据处理算法的实现与实验验证，实现了报警算法和定位算法，并通过若干实验结果对算法进行验证。第五章为论文的结论，对上述论文的内容进行总结与展望。4北京邮电人学硕士学位论文第二章基于马赫．泽德干涉原理的分布式光纤传感器系统2．1分布式光纤传感器原理分布式光纤传感技术的原理是：用光纤几何上的一维特性进行测量，把被测量作为光纤位置长度的函数，在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行实时连续的测量，获取被测量在空间和时问上的分布信息。由于其能对被测量进行实时测量，并获得被测量在空间和时间上的连续分布，分布式光传感技术得到了快速的应用和发展。2．2两类典型的分布式光纤传感器分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的特点，而且充分利用了光纤空间连续分布的特点，可以实时获得光纤分布路径上被测量的时间和空间分布信息。分布式光纤传感器在实际应用中，主要分为反射法和干涉法两大类。2．2．1基于反射结构的分布式光纤传感器反射法是研究和应用最多的一种方法，它利用光在光纤传输过程中产生的后向散射效应进行测量16J。在反射法中，基于光时域反射(OTDR：OpticalTimeDomainReflection)技术的分布式光纤传感器是目前研究最多、应用不断扩展、作用大幅度提升的真正意义上的分布式光纤传感技术。光时域反射技术的基本原理【J7】是：由光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中会随着距离增长而按一定规律衰减，而在光速不变的情况下距离与时间成证比。因此，根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任意一点的初始后向散射光强。反射法分布式光纤传感技术最初提出于20世界70年代未期，迄今已经取得了相当大的发展，主要表现在以下三个方面博J：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术及基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。5北京邮电人学硕十学位论文(1)基于后向瑞利散射的分布式光纤传感器图2·1基于后向瑞利散射的分布式光纤传感器原理图在利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术中，一般采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测量的空间定位。基于后向瑞利散射的分布式光纤温度传感器的基本结构如图2-1所示，其基本工作原理19J是：从光源发出的光沿光纤向前传播过程中会产生后向散射，后向散射光强在向后运行过程中随着距离的增加而按一定的规律衰减，当光纤某处受到外界扰动时，该处的后向瑞利散射光强就会产生明显下降，在光速不变的情况下，距离与时间成讵比。因此，根据探测器探测到的后向散射光强的变化及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强，并实现被测点的空间定位。由于该技术是以微弱的瑞利散射为基础的，传感光纤中光信号的偏振态同时会受到温度、电场、应力应变以及环境振动等众多参数的影响，引起后向瑞利散射光强发生变化，使得其测量精度不高、传感距离短。(2)基于布罩渊散射的分布式光纤传感器图2-2基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器原理图布罩渊散射型分布式光纤传感技术利用光纤中的布罩渊散射频移与时问和应力的关系来实现传感。基于布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)I拘分布式光纤传6北京邮电大学硕十学位论文感器是布罩渊散射和OTDR探测技术相结合构成的分布式应变传感别删，原理如图2．2所示。探测器接受的是布里渊后向散射光，它相对于入射光脉冲会发生频移。布罩渊频移vB主要由入射光频率vo、纤芯折射率n、光纤内声速v等决定。当光纤中的温度和应变发生变化时，光纤纤芯的折射率n和声速v会发生相应的变化，从而导致布罩渊频移的改变。通过监测布里渊频移的变化量就可获知温度和应变的变化量。同时，通过测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位置。由于目前只能通过测量布罩渊频移来实现传感，不能避免温度和应力交叉敏感问题，BOTDR技术还需改进。(3)基于拉曼散射的分布式光纤传感器图2-3基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理图基于拉曼散射光时域反射仪(ROTDR)的分布式光纤温度传感器的基本结构如图2．3所示。由激光器产生的光脉冲，经定向藕合器进入传感光纤，在传感光纤中某一点处产生自发拉曼散射，其中后向斯托克斯光和反斯托克斯光经定向耦合器，然后经过光栅或滤光片进行滤光，然后通过雪崩光电二极管(APD)进行光电转换，将电信号经多点信号平均器进行叠加，得到信噪比较高的各散射光所对应的信号，最后经计算机进行计算和处理，由反斯托克斯光与斯托克斯光两信号强度的比值得到对应点的温度信息，从而实现分布式温度传感【nJ。由于ROTDR直接测量的是拉曼反射光中斯托克斯光与反斯托克斯光的光强之比，与其光强的绝对值无关，因此即使光纤随时间老化，光损耗增加，仍可保证测温精度。7北京邮电人学硕十学位论文2．2．2基于干涉结构的分布式光纤传感器相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型光纤传感器有迈克尔逊(Michelson)干涉型、马赫．泽德(Mach．Zebnder)干涉型、赛格纳克(Sagnac)干涉型及法布里．珀罗腔(Fabry．Perot)干涉型光纤传感器【12郴1。(1)迈克尔逊干涉型光纤传感器迈克尔逊干涉型光纤传感器的原理如图2．4所示。图2—4迈克尔逊干涉型光纤传感器原理图光源(激光器)发出的光经耦合器分成两路，一路经参考臂(光纤)到达反射镜M1，经M1反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参考光；另一路经传感臂到反射镜M2，被M2反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为信号光。传感臂放在被测场，被测量的变化将引起传感光纤的长度发生变化，则光在光纤内部传输时的相位随之变化。当参考光与信号光相遇时发生干涉，干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后光束的相位受被测量的调制。通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。由于迈克尔逊干涉型光纤传感器中存在反射镜，部分反射光被直接反馈到激光二极管中，会导致光路不稳定并产生噪声。此外，由于迈克尔逊干涉型光纤传感器的两束光干涉发生在光纤耦合器中，且由于外界条件的影响，很难保持两束光的恒定相位差。(2)马赫一泽德干涉型光纤传感器马赫．泽德干涉型光纤传感器的原理如图2．5所示。8北京邮电人学硕十学位论文图2-5马赫·泽德干涉型光纤传感器原理图马赫．泽德干涉型光纤传感器与迈克尔逊干涉型光纤传感器的结构相似，都是由两根光纤(双臂)一信号光纤和参考光纤组成，如图2．5所示。激光器发出的光经过光纤耦合器分两路至参考光纤和信号光纤中。信号光纤中的光信号在传输过程中受被测量调制成信号光；参考光纤的光不经过调制直接作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干涉光经光电转换变为与被测量成比例的电信号。马赫．泽德干涉型光纤传感器的实际应用受其结构的限制，参考臂光纤不能埋入待测结构中，否则同时受到待测场的影响就失去了参考的意义，而放在外边又会给实际使用带来不可接收的“累赘”。(3)赛格纳克干涉型光纤传感器赛格纳克干涉型光纤传感器的原理2．6如图所示。图2-6赛格纳克干涉型光纤传感器原理图典型的赛格纳克干涉仪是光纤陀螺，是一种角速度传感器，其基本结构是一个光纤环。激光器输出的光经耦合器后分为两部分，这两束光分别从两端耦合进入一个多匝单模光纤环，在光纤中相向传播再回到耦合器回合相干，干涉条纹经耦合器的另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路的角速度。由于光纤中光的相位对各种环境变化都非常敏感，很难保证M．Z参考光纤中的参考光相位保持不变，而且多种因素的影响容易混杂在一起，产生串音。而Sagnac干涉仪只使用一根光纤，可以避免这些不良因素的影响。(4)法布旱一珀罗腔干涉型光纤传感器法布罩一珀罗腔干涉型光纤传感器的原理2．7如图所示。92．3．1传感原理从上节基于干涉结构的分布式光纤线传感器可知，马赫．泽德干涉型光纤传感器的接收端能够检测出被测物理量在光纤上造成的极其微小的相位变化。假设光纤中传播的光的相位如下式所示：矽=nkL其中：n代表纤芯中的折射率；k是真空中的光波数；L则为光纤的长度；nL代表了光路的长度。对通常的单模光纤而言，存在着两个相互正交的偏振模式。一些影响如将光纤弯曲，可能导致双折射，因此使得光纤中传输的光变成椭圆偏振。毋值会受到偏振态变化的影响，这是由于光纤的双折射现象改变了光的偏振态。在不同的偏10北京邮电人学硕十学位论文振模式下，nl≠n2。在Ll≠=L2的条件下，妒值不同。本论文在探讨基本原理时忽略了偏振的影响。对式(2．1)微分，式(2-2)的前两项是由光纤上发生的物理变化造成的，它们描述的是传感量在光纤上的换能机制。例如：压力、温度以及磁场的变化就是通过影响式子的前两项来影响相位变化的。而光源的波长或频率的变化影响了第三项。在考虑激光频率抖动所造成的相位噪声时，对第三项的研究则变得非常有用。图2．5表示了一个典型的马赫．泽德干涉型光纤传感器。在具体的系统中，通常由耦合器来完成光的分路和合路的功能。在耦合器中，两条光纤的纤芯会被放得足够近以使能量可以从一条光纤传到另一条光纤中去。设两个耦合器的功率耦合系数分别为kl、k2，传感光纤和参考光纤的损耗系数分别为口。、口，，则在一个输出端上得到的传感臂和参考臂的场强分别为13J：E=磊止再石cos(％f+咖)巨=毛扛万i河面cos(w+晚)则干涉仪光检测器输出的光强可以表示为：I=‘E：>+‘E：>+2‘ErEs>式(2-3)式(2．4)其中：<>表示对时问取平均。将式(2．3)和式(2．4)代入式(2．5)得输出光强为：，=，o【口，七，七2-I-Or，O-k1)(1-k2)+2√口，口，t七2(1一七。)(1一七2)cos(C,一唬)式(2—6)引入干涉条纹对比度(或反差度)V的定义：y：争争式(2-7)，m“+，mjn由式(2．6)得：y：堑巫砸巫口，七1七2+口，(1一七1)(1一k2)式(2．8)北京邮电人学硕十学位论文在推导过程中，除了上文所说的忽略了偏振效应的影响之外，还忽略了另一种因素的影响——光源相干长度。假设光源光谱线相对强度按频率分布满足洛伦兹分布即线型为洛伦兹线型，则标准的自相干函数r(r)定义为：)，O)=exp[-v／z'。]式(2-9)其中：f是沿信号臂和参考臂光传输的时延，t是光源的相干时问。由于它的影响，条纹对比度V的实际值要比式(2．8)给出的值小。由于这个原因，要求光沿信号臂和参考臂传输的时延要远小于光源的相干时间，即f《t，使r(r)-'1。此时的条纹对比度V近似等于式(2．8)的结果。现在考虑干涉仪的另一路输出，其表达式类似于I：I’=lo[a，kl(1-k2)+a，(1-k1)后2—2√a，a，七1七2(1一足1)(1一七2)cos(九一痧)式(2—10)对应的条纹对比度为：y．。堑巫砸巫乜，k1(1-k2)+口。(1-k1)七2可见，两路输出的干涉条纹对比度的表达式是不同的，因此，当耦合器的分束比等于理想情况的O．5时，两路输出的条纹对比度是相同的；但当分束比不再是0．5时，输出条纹对比度则不同。但是，复杂条件下还可能会出现以下两种情况(忽略损耗的影响)：(1)一个耦合器的分束比等于O．5，另一个不等于，每个输出的条纹对比度相同；(2)如果两个耦合器的分束比相同但都不等于0．5，输出端产生联合条纹对比度。为了方便分析，我们假设：Ct，一口，一口，A=klk2+(1-k1)(1一k2)，B；24klk2(1一k1)(1一k2)，C=kl(1-k2)+(1-k。)尼2，△驴=谚一九。则l和l7的表达式可以简化为：J=loa似+BcosA掣,)，’一Ioa(C-BcosA妒)令kl=k2=O．5，做进一步地简化，得到：12北京邮电人学硕十学位论文，。L号-q-(1+COS△≯)式(2．14)，。：气2-(1-COS△妒)式(2．15)在这种情况下，两路输出的条纹对比度都等于1。现在，把相位差△≯分解为一个慢变的相移信号九和幅度为噍频率为∞的正弦信号的和，即△≯=九+识sincot，代入上两式得：，；华(1+c。s(丸+凭sin础))式(2．16)，’；竽(1一c。s(丸+嗔sin耐))式(2．17)在光输出端，光电转换器将两路光强信号转换成电信号，光电流的表达式可以由下式给出：i=eloacos(#d+织sin60t)式(2—18)其中：￡是光检测器的响应度。式(2．18)可以以贝赛尔方程的形式展开，得到新的表达式如下【14】：i=g，0口．[cos丸【J。(钇)+2薹，：。(唆)c。s2，zn厅】+sin九【2薹Jz。+-(纯)sin((2以+1)甜)】)式(2．19)其中：J。(钇)是n阶自变量为晚的贝赛尔函数。在慢变的相移信号九存在下，从输出信号中提取d驴比较困难，分析低阶(n=1，2，3)的贝赛尔函数可以发现，函数关于织近似成周期性振荡，但总的幅度随着织的增加而降低。考虑小的自变量(噍《1)、J。=1以及，，(唬)=晚／2，并只考虑与时问变化相关的部分，式(2．19)可以近似为：di—eloasin丸晚sintot式(2．20)实际上，上式可由对式(2-18)直接求微分并利用小角度近似得到。可见，d矽的值和sin九有关。sin#a=0时也即当九=嬲时，信号消失；sin#a=±1时也即九=(am+1加／2，信号最大，此时的奶也被称为是J下交点。13北京邮电人学硕七学位论文至此，包含着相位变化的强度已经被检测得到，但是整个过程的探讨是在一个理想的情况下进行的，没有考虑偏振的影响，同时认为d妒是个小信号(d≯《1)，当后者不再满足时，从检测的强度信号中提取相位变化将变得更为复杂。以上内容详细讨论了马赫．泽德干涉型光纤传感器对相位变化的检测过程。当扰动信号发生时，应力，震动或其他外力变化将导致光信号相位的变化。通过上面的分析，马赫．泽德干涉结构可以将相位变化反映到光强的变化上，扰动信号即可被光检测器捕捉，实现传感。通过对这种相位引起的光强信号变化的分析，可以实现对扰动的报警。在迄今为止的实际应用中，并未深入到相位解调的层次，因为实际应用的目的仅仅是为了在检测器端检测并提取出扰动信号。但是对相位变化的准确提取和研究，对于提高传感器定位精度有着很大的意义。2．3．2定位原理本论文研究的分布式干涉型光纤传感系统正是这种利用单模光纤作为干涉臂的马赫．德干涉仪结构束检测信号的变化。其光路结构如图2．8所示：图2．8干涉型光纤传感系统结构图中左侧部分为系统的光发射接收模块，主要包括激光器、PIN和耦合器：右侧部分为系统的传感监测部分，主要包括传感光纤Fiberl、Fiber2和引导光纤Fiber3，其中Fiberl和Fiber2长度相等。在实际的系统中，Fiberl、Fiber2和Fiber3是放在同一根光缆中，这三根光纤的长度相等。光的发射接收模块处于同一块板卡上。激光器LD发出的光经耦合器1分为c、d两束；C束光经耦合器2分为两束光分别在Fiberl、Fiber2中传输，然后经耦合器4干涉后由Fiber3传送到PIN2处进行光电转换；d束光经过耦合器3和Fiber3传输，由耦合器4分为两束光并在耦合器2处干涉，最终在PINl进行光电转换。14北京邮电人学硕+学位论文当传感光纤Fiberl、Fiber2受到外力作用时时，光纤会发生形变，对信道中的信号起到相位调制作用【14】。a、b两束光除了传输的方向不同，其它的条件都相同，理想状况下PINl和PIN2接收到的信号的差别只是一个时延差。信号可表示为：fSl@)=50)ls：O)一s@一％)其中：％为两路信号的时延差。如图2．8所示，假设Fiberl、Fiber2和Fiber3的长度为L，外力作用的位置距耦合器2为X，由于耦合器2距PINl的距离与耦合器3距PIN2的距离相等，则信号到达PIN2和PINl的距离差为2木(L-X)。设时延差为△f，信号在光纤中的传输速度为vo。则：Af：—2*(L—-X)’，0由上式可得：X：墨二丝：监由式(2．23)式可知，只要求出时延差，就可以得到外力发生的位置。实现系统的定位监测功能。2．4系统结构及各功能模块介绍分布式光纤振动传感系统结构主要包括三部分，即管理中心、监控节点和监控设备，如图2-9所示。15北京邮电人学硕士学位论文图2-9分布式光纤振动传感系统结构图管理中心通过与多台监控节点相连，可实现对于监控区域的分区监控。管理中心对各监控节点统一进行操作、维护和管理。管理中心与监控节点之间的通信通过SOCKET实现。同时管理中心可以查询各监控节点的监控软件事件记录数据表。监控节点直接控制着监控设备、采集卡、算法模块和数据库系统。监控设北京邮电人学硕+学位论文其中：>用户界面模块：主要完成系统的配置、状态显示功能。可对监控设备、采集卡、算法模块和数据库系统进行相应的配置，并显示各模块的状态信息，显示报警、撤销报警状态等。同时也可对数据库进行查询和读写操作，当模板表发生变化时，用户界面将该表内容传递给数据处理模块，由相应的算法进行处理。>数据采集模块：定时查询采集卡状态，当发现采集卡采集到有效数据时，向用户界面发送相应消息，同时将采集到的有效数据进行缓存，并锁定该有效数据。>数据处理模块：调用相应算法，对采集卡采集到的有效数据进行处理，得到报警与否的信息反传给用户界面，同时将事件特征值表传递给数据库系统。>数据库系统模块：根据用户的配置要求，完成对时间特征值表的相应操作，包括修改、导入导出、保存、删除等。17北京邮电人学硕十学位论文18北京邮电人学硕十学位论文第三章基于PCI总线的数据采集模块的设计与实现3．1PCI数据采集模块概述PCI(PeripheralComponentInterconnect)夕b部设备互联总线是Intel公司于1991年下半年首先提出的，并得到IBM，Compaq，AST，HP，DEC等100多家大型计算机公司的支持，于1992年正式推出了PCI局部总线标准1．0版技术规范：2．0版于1993年发布；2．1版于1995年发布，最新的2．2版于1999发布。PCI局部总线是一种具有多路地址线和数据线的高性能的32／64位总线。它在高度集成的外围控制器件、外围插件板和处理器存储器之间作为互连机构应用。目前应用的PCI局部总线规范2．2版包括PCI局部总线部件和扩展板的协议、电气、机械和配置规范，并规定了PCI的硬件环境【15】。PCI总线也是一种即插即用的总线标准，支持全面的自动配置，最大允许64位并行数据传送，采用地址／数据总线复用方式，最高总线时钟可达66MHz，支持多总线结构和线性突发(Burst)传输，最高峰值传输速度可达528MB／s。1161pcI总线通过桥接技术保持与传统总线如ISA，EISA，VESA，MCA等标准的兼容性，使高性能的PCI总线与已大量使用的传统总线技术特别是ISA总线共存。PCI总线在早期专门用于提高系统的数据传输性能，现在也作为一个高性能的外设接，PCI总线非常适用于网络适配器、硬盘驱动器、动态视频卡、图形卡以及其它各类高速外设的接口。下面介绍一下PCI数据采集模块系统，其框图如下所示。图3-1PCI数据采集模块系统框图在PCI数据采集卡上，以A／D变换器为主的采集电路由控制信号转换为数据，数据经缓存通过接口电路送入计算机内存，再由用户界面对内存中的数据进行相19北京邮电人学硕十学何论文应的处理。其工作过程为：将采集卡插入计算机PCI插槽内，连接上监控节点。用户在用户界面软件采集卡设置中输入采集卡工作所需各种参数，采集卡驱动程序根据用户配置信息分配相应的计算机内存，并将其余的参数传至PCI采集插卡，发出采集命令。在PCI采集卡上，采集命令及参数通过接口电路送至控制电路，由控制电路完成参数的硬件设置并发出数据采样时钟。数据采集完成后，采集卡驱动程序将数据从采集卡缓存导入计算机内存中，用户界面调用相应的算法对采集到的数据进行处理。3．2数据采集模块的分层设计为了在使用不同公司采集卡时保证上层软件的兼容性，需要对采集卡的驱动进行封装。为了保证采集卡能够进行高速不问断采样的同时仍能进行其他操作，通常使用中断及虚拟软件采集方式，采样任务的优先级高于其他用户层(rin931上运行的应用软件，用户的应用层操作不会影响内核层(rin901的任务，保证了采集程序不问断的运行；FIFO是采集卡内的硬件缓存，缓冲池是计算机操作系统中的软件缓存，缓冲池应该至少大于两次中断查询间隔所采数据长度的2倍。内核驱动层与用户应用层数据流向的原理框图如下：图3．2数据采集模块的分层结构图AD采样数据流程如上图所示。当启动采样后，采集卡即按用户设定的采样方式、速率等参数进行采样，数据按时间和通道顺序进入板载FIFO中；当板载FIFO半满时，产生中断；驱动程序响应中断，将FIFO／2个采样点写入缓冲池。用户界面应用程序随时可以查询采样状态，查看缓冲池中的数据情况，按需要读取缓冲池中的数据。由于在内核中使用了中断方式，其优先级别高于其他操作，因此可保证采集卡的采样数据完整的进入ringo层的数据缓冲；用户主要应该注意的是要在内核缓冲池溢出之前，及时读走数据。北京邮电人学硕十学位论文3．2．1底层采集卡概要设计底层采集卡程序可以包含不同公司生产的PCI采集卡，各采集卡通过采集卡各自的序列号即PIC插槽号来区分。每一个采集卡定义为一个独立的类，包含采集卡的一切相关操作，包括打开采集卡、初始化采集卡、查询采集卡状态、启动采集卡、停止采集卡、关闭采集卡等。3．2．2内核层采集卡驱动概要设计内核层采集卡驱动程序兼容不同公司生产的PCI采集卡，包含了采集卡完成采样过程的所有操作。其数据采样流程如下图所示。21北京邮电人学硕+学位论文图3-3数据采样流程图北京邮电人学硕士学位论文如图3．3所示，数据采集工作流程为：1．打开采集卡，获得采集卡设备句柄。2．初始化采集卡各项工作参数。3．启动采集卡开始采集数据，并不间断地检查采集卡FIFO的状态，当IsDataReady为真时，将数据从采集卡FIFO搬移到ringo层的数据缓冲池；然后再将数据从rin90层的数据缓冲池搬移到rin93层的用户数据缓冲池。4．停止采集卡，关闭中断。3．3数据采集模块的软件实现3．3．1底层采集卡详细设计底层采集卡程序可以包含不同公司生产的PCI采集卡。每一个采集卡定义为一个独立的类，包含采集卡的一切相关操作，包括打丌采集卡、初始化采集卡、查询采集卡状态、启动采集卡、停止采集卡、关闭采集卡等。以下以北京双诺测控技术有限公司生产的采集卡AC6621为例说明。整个程序包括两部分：1．采集卡参数结构(1)structACQINl包括：unsignedshortpci_slot：PCIslotnumberunsignedshortsample_rate：samplerateunsignedlongsample——len——perch：numberofsamplepointsperchannelunsignedshortbitwidth：cardbitwidthunsignedshorttrig_mode：triggermodeunsignedshorttrig_pol：triggerpolunsignedshorttrig_ch：triggerchannelunmgnedshortclk_pol：triggerclockunsignedshortclk—shtriggerclockselectionunsignedshortsample_mode：0：normal|1：shunmgnedshortinput_mode：inputsignalmodeunsi‘gnedshortinputrange：inputvoltagerangeunsignedshortstartch：startchannel23北京邮电人学硕士学位论文unsignedshortendch：endchannelunsignedlongbuffer——len：bufferlengthforallchannelsunsignedlongbuffer_notify_len：whenbufferislargerthanit，eventexecutedunsignedshortirq_en：interruptenableunsignedshortevent——en：eventenableHANDLEevent：whenbufferislargerthanit，eventwillbeexecutedHANDLEeventfifofull：whenbufferiSoverflow，eventfifofullwillbe(2)structACQSTATE包括：unsignedshortHardFifoState-hardwareFIFOstateunsignedlongSoflFifoltemForRead：datalengthofsoftFIFOunsignedlongSoflFifoltemForWrite：lengthofsoftFIFOthatisnotfi2．采集卡类AC6621表3-1AC6621类24北京邮电入学硕十学位论文AC6621类publicprotectedtdatadataLengthstartChannelendChannelsampleRatepciSlot表3．1给出了classAC6621类的各个成员，左边是公共成员函数，是可以被外部调用的成员函数即采集卡类的接口；右边是保护数据成员，是封装在类内部的成员，外部不可见，只能通过成员函数间接访问。●类的成员函数公共：_CreateAcq功能：打开采集卡，获得采集卡操作句柄。参数：无。．返回值：0(成功)；．1(失败)。-CloseAcq功能：关闭采集卡，释放采集卡句柄、缓存。参数：采集卡序列号。返回值：0(成功)；．1(失败)。■SetPciSlot＼SetDataLen＼SetStartChannel＼SetEndChannel＼SetSampleRate功能：设置采集卡相关的一些参数(私有数据成员)，它们是采集卡序列号、单通道的采样帧长、起始通道、终止通道、采样率。参数：设置值。返回值：0(成功)；．1(失败)。_SetBufferNotifyLength功能：设置采集卡所有通道数据长度。参数：无。返回值：0(成功)。一GetChannelNumber功能：返回已设置防区数目。参数：无。北京邮电火学硕士学位论文返回值：已设置防区数目。保护：●IniAcq功能：初始化采集卡，包括AD采样模式、采样速率、采集卡序列号、单通道的采样帧长、起止通道、输入电压范围、触发方式、边沿选择、中断使用、事件使用、事件通知门限等。参数：无。返回值：0(成功)；．1(失败)。-CheckAcq功能：查询采集卡硬件FIFO状态、软件FIFO的状态。参数：无。返回值：0(成功)。-StartAcq功能：启动采样过程。参数：无。返回值：0(成功)；．1(失败)。●StopAcq功能：停止采样，关闭中断。参数：无。返回值：0(成功)；．1(失败)。一GetData功能：将数据从采集卡FIFO搬移到rin舯数据缓存池。参数：整形指针，指向咖的数据缓存池。返回值：采样数据长度。·类的数据成员保护：■IsStarted采集卡状态标志。当其值为true时，表示采集卡处于打开状态；为false时表示采集卡处于关闭状念。-IsDataReady采集卡数据标志。当其值为true时，表示采集卡FIFO数据已好；为false时表示采集卡FIFO数据尚未采完。_trig_volh＼trigvoll触发电压高V芪电平。北京邮电人学硕十学位论文■acqhandle采集卡设备句柄。_inputhalfrange电压量化动态范围，可以改变量化精度，有5个等级可选。■tdata计算采样率参数：sample_rate=4000000／tdata／(endch．startch+1)。_dataLength单通道的采样数据帧长。●startC：hannel采集卡起始通道。●endChannel采集卡终止通道。_sampleRate采集卡的采样率。-pciSlot采集卡序列号。3．3．2内核层采集卡驱动详细设计内核层采集卡驱动程序兼容不同公司生产的PCI采集卡。数据采集以采集卡为单元，用户界面程序调用StartAcq后启动该采集卡，采集卡采集到数据后，锁定采集到的数据，并发消息给用户界面程序，消息中包含采集卡序列号，用户界面程序处理完该数据后解除数据锁定。内核层采集卡驱动程序类描述如下：表3—2ACQDriver类ACQDriver类publicprotectedACQDriverinterface——hwind～ACQDriverAcq——Card——PointChannel——Section卡操作函数ChanneljIigVoltStartAcqchannelDataLengthCloseAcq北京邮电人学硕+学位论文ACQDriver类publicprotected卡设置函数SetTrigVoltSetDataLenSetStartChannelSetEndChannelSetSampleRateSetBufferNotifyLen其他设置函数SetAcqchannelSectionSetWindowHandleSetDataLockedSetFinishCollectiondataLockedfinishCollection表3．2给出了ACQDriver类的各个成员，左边是公共成员函数，是可以被外部调用的成员函数即内核层采集卡驱动程序的接口；右边是保护数据成员，是封装在类内部的成员，外部不可见，只能通过成员函数间接访问。●类的成员函数公共：●ACQDriver功能：设置采集卡序列号，初始化采集卡，并为咖93缓存开辟内存空间。参数：采集卡序列号。返回值：无一叫～CQDriver功能：释放rin93缓存。参数：无。返回值：无一SetTrigVolt北京邮电人学硕十学位论文功能：设置所选防区所对应的触发电压。参数：SectionSerialNumber(防区号)TriggerThreshold(触发电压门限)。返回值：0(成功)；．2(参数异常)■SetDataLen＼SetStartChannel＼SetEndChannel＼SetSampleRate功能：设置采集卡相关的一些参数，它们是采集卡单通道的采样帧长、起始通道、终止通道、采样率。参数：相应设置值。返回值：0(成功)；．2(参数异常)。一SetBufferNotifyLength功能：设置采集卡所有通道数据长度。参数：无。返回值：0(成功)；．1(失败)。_SetAcqchannelSection功能：设置所选防区所对应的采集卡通道。参数：ChannelSerialNumber(采集卡通道)；SectionSerialNumber(所选防区)。返回值：0(成功)；．2(参数异常)。一SetWindowHandle功能：设置消息发送的窗口句柄。参数：窗口句柄。‘·返回值：0(成功)。■SetD；ataLocked功能：设置数据锁定标志。参数：true(锁定)；false(解锁)。返回值：0(成功)。●SetFinishGlollection功能：设置数据采集状态。参数：true(采集结束)；false(采集持续)。返回值：0(成功)。●类的数据成员保护：●interface—hwind消息发送的窗口句柄。北京邮电人学硕十学位论文■Acq_Card_Point采集数据指针，指向rin93缓存。●Channel—Section整形指针，表示监控防区和采集卡通道之间的对应关系。一Channel_TrigVolt整形指针，表示采集卡各通道所对应的触发电压。_channelDataLength单通道的采样数据帧长。北京邮电人学硕士学位论文第四章分布式光纤传感器数据处理算法的研究与实现第三章介绍了干涉型光纤传感器的数据采集模块的设计及其实现。本章将详细介绍信号处理算法的原理及其实现方法，对数据采集模块采集到的有效数据调用相应的算法进行处理。通过专门设计的实验平台，对算法和实现进行全面的分析和验证。4．1信号处理概述分布式光纤传感器的信号处理是本论文研究的重点，主要包括信号的报警算法和定位运算两大部分，如下图所示。图4-1信号处理框图．其中，报警算法模块将采集卡采集到的有效数据根据不同的算法做相应的处理，得到各算法所对应的特征值，形成事件特征值表，然后将该事件特征值表与31北京邮电人学硕士学位论文用户选定的N个模板(包括报警模板和误报模板)进行相似性匹配，从而得到报警与否的信息反传给用户界面，用户界面根据报警信息对事件特征值表做不同的标记，并将其写入数据库。定位算法模块接到上一级呈递的报警数据后，调用相应的算法进行定位计算，得到入侵信号的位置，并将结果反传给用户界面。4．2报警算法的设计及软件实现当采集卡采集到有效数据后，将采集到的有效数据进行缓存，并将该数据锁定，同时向用户界面发送DataReady消息。用户界面接收到消息后，调用数据处理模块中的相应算法，对采集卡采集到的有效数据进行处理，得到报警与否的信息反传给用户界面，同时将事件特征值表传递给数据库系统进行保存处理。4．2．1报警算法简介报警算法模块主要包括四类算法，即时域统计算法、频域统计算法、峰值统计算法和峰值信息熵统计算法。主要针对三类实际信号的特征进行分析：入侵信号，弱扰动信号和噪声信号。如图4．2所示：图4-2信号类型从时域上看，当一个标准的入侵事件产生的时候，信号的幅度会发生较大的跳变，在事件发生的开始将处于一种较高的强度，同时事件会持续相对较长的时间；噪声信号指示了系统在未发生扰动时的状念，即信号处于一种长时间的低电32北京邮电人学硕十学位论文平状态；弱扰动信号介于噪声与入侵信号之间，具有信号幅度跳变，但强度和持续时间都较弱。这种信号根据不同的需求既可以归入入侵，也可以归入噪声。(1)时域统计算法从信号的波形上可以看出，能量是区别这些信号的重要手段之一，时域统计算法即采用通过分析信号的能量来得到时间的特征值。◆短时平均能量短时平均能量的表达式为：E=∑[x(m)to(n一胁)】2式(4·1)该式的意义可以理解为，首先求取原始序列各个样值的平方，再用一个移动窗∞∽一历)选取出短时平方序列，并将每一段的短时平方序列求和得到短时平均能量值。◆峰均比有的时候，环境中可能会有这样的信号，它们长时间地以较弱较平均的作用力作用于传感光纤，使得扰动的波形类似于图4．3中噪声的波形，特点是幅度分布比较平均，但是幅度值更高。因此，这类信号包含比噪声更大的能量，但又不属于入侵扰动。当扰动事件持续时间与帧长相比较小的时候，区分这种信号与入侵信号的一个有效手段是使用峰均比参数。设x0)为输入短时序列，令彳脚=max(x(n)1)为该序列的峰值，峰均比表示为：一nAp破’N％，=昔生一善石o)式(4．2)该参数描述了输入序列中是否具有含有较高脉冲扰动的特点。(2)频域统计算法◆频域平均能量能量在频域上则体现为功率谱密度，所以使用功率谱估计的方法来分析信号的能量分布。可以用参数化方法估计信号功率谱密度，用AR过程为信号建模，通过计算AR系数来估计功率谱密度。通过对实际采集的数据进行分析可知：入侵信号事件帧的能量分布较噪声信号有更为丰富的高频分量；噪声信号的能量仅分布在非常低的频率上。◆3dB谱宽度北京邮电人学硕十学位论文可以选择功率谱密度下降3dB的宽度作为信号的频域特征。该参数对区分入侵信号和非入侵信号非常有效，在某些情况，弱扰动信号能量很低，其功率谱密度与噪声之问的区别并不明显，该参数在区分这两种信号时会有困难。(3)峰值统计算法对于有效的入侵信号而言，其信号的幅度会发生较大的跳变，在事件发生的开始将处于一种较高的强度，且这种较高的幅度会持续相对较长的时间。而对噪声信号来说，当其幅度的持续时间较长时，其幅度大小较入侵信号而言比较小；当其幅度大小相对入侵信号较大时，其持续时间较入侵信号较短。峰值统计算法即根据上述差别来区别入侵信号与噪声信号。其基本思想是根据预先给定的凸峰上、下阈值，统计整个信号始于凸峰上阈值终于凸峰下阈值间凸峰的数目及其宽度。入侵信号的事件帧包含较多的凸峰数目和较小的凸峰间距，弱扰动信号则包含较少的凸峰数目且凸峰间隔较大，噪声信号基本不包含凸峰。(4)峰值信息熵统计算法可以用随机变量X的熵来描述一个有限离散概率场的不确定性。熵的定义式[1rl是：日(x)=一罗pflogpf式(4—3)简其中：∑胪1式(4·4)概率等大时，熵取最大值，其物理意义是x的概率分布越难以判断，熵值越大，X所包含的信息量越多。对于输入信号而言，可以借鉴熵的思想来描述信号包含信息量的多少，统计样值分布在各个幅度区间的概率，计算熵值。入侵信号的事件帧包含最高的信息量，弱扰动信号次之，噪声信号包含最少的信息量。4．2．2报警算法处理流程图每种算法与其他算法之问的结果可以是“与”或“或”的关系，该关系由用户界面进行选择。以下假设有N种算法和M种识别模板，如下图所示北京邮电人学硕十学位论文图4-3报警算法处理流程图如上图可知，当采集卡采集到有效的入侵数据信号时，根据用户指定的算法对有效数据进行计算处理，得到入侵信号的特征值表，并与用户指定的模板(包括报警模板和误报模板)进行相似性匹配处理，从而得到报警与否的信息，并记录该事件特征值表。北京邮电人学硕+学位论文4．2．3报警算法的软件实现(1)报警算法概要设计报警算法类描述如下：表4-1Arithmetic类Arithmetic类publicprotected时域统计时域统计PatternTimeDomainEnergy——PAR频域统计频域统计PatternFrequencyDomainEnergy——Width峰值统计峰值统计PatternPeakPeakInterval峰值信息熵统计峰值信息熵统计PatternEntropyDataEntropy表4．1给出了Arithmetic类的各个成员，左边是公共成员函数，是可以被外部调用的成员函数即内核层采集卡驱动程序的接口；右边是保护数据成员，是封装在类内部的成员，外部不可见，只能通过成员函数问接访问。(2)报警算法详细设计当有告警信号发生时，根据用户所选定的算法计算得到相应的事件特征值表，并将其与用户选定的识别模板一一进行比对，根据事件特征值表与识别模板之间的匹配相似程度，得到报警与否的信息反传给用户界面，同时将事件特征值表传递给数据库系统进行保存处理。·类的成员函数公共：■PatternTimeDomain功能：将计算得到的事件时域特征值与输入模板进行匹配相似对比，得到报警与否的信息。参数：inputdata(输入数据指针)；inputdatalength(输入数据长度)；inputpattern(输入模板指针)；inputpatternlength(输入模板长度)；thresholdl(预留阈值1)：北京邮电人学硕士学位论文threshold2(预留阂值2)；PatternType(输入模板类型)；outputpattern(输出模板指针)；outputpatternlength(输出模板长度)。返回值：1(报警)；0(不报警)；．2(参数异常)。一PatternFrequencyDomain功能：将计算得到的事件频域特征值与输入模板进行匹配相似对比，得到报警与否的信息。参数：inputdata(输入数据指针)；inputdatalength(输入数据长度)；inputpattem(输入模板指针)；inputpattemlength(输入模板长度)；thresholdl(预留阈值1)；threshold2(预留阈值2)；PatternType(输入模板类型)；～outputpattern(输出模板指针)；outputpatternlength(输出模板长度)。返回值：1(报警)；0(不报警)；．2(参数异常)。■PatternPeak功能：将计算得到的事件峰值统计特征值与输入模板进行匹配相似对比，得到报警与否的信息。参数：inputdata(输入数据指针)；inputdatalength(输入数据长度)；inputpattern(输入模板指针)；inputpattemlength(输入模板长度)；thresholdl(输入阈值1)；threshold2(输入阈值2)：PattemType(输入模板类型)；outputpattern(输出模板指针)；outputpatternlength(输出模板长度)。返回值：1(报警)；0(不报警)；．2(参数异常)。●PatternEntropy功能：将计算得到的事件峰值信息熵统计特征值与输入模板进行匹配相似对比，得到报警与否的信息。37北京邮电人学硕士学位论文参数：inputdata(输入数据指针)；inputdatalength(输入数据长度)：inputpattern(输入模板指针)；inputpatternlength(输入模板长度)；thresholdl(预留阈值1)；threshold2(预留阈值2)：PatternType(输入模板类型)；outputpattern(输出模板指针)；outputpatternlength(输出模板长度)。返回值：1(报警)；0(不报警)；．2(参数异常)。保护：●Energy—PAR功能：计算得到数据的时域特征值，包括能量和PAR。参数：data(输入数据指针)：datalength(输入数据长度)；point(输出特征值指针)。返回值：0(成功)。一Energy_Width功能：计算得到数据的频域特征值，包括能量和3dB带宽。参数：data(输入数据指针)：point(输出特征值指针)。返回值：0(成功)。一PeakInterval功能：计算得到数据的峰值统计特征值，包括凸峰个数、最大值、最小值和平均值。参数：data(输入数据指针)；Datalength(输入数据长度)：threshold_higIl(输入阈值上限)；threshold—low(输入阈值下限)；point(输出特征值指针)。返回值：0(成功)。_DataEntropy功能：计算得到数据的峰值信息熵统计特征值，包括峰值信息熵平均值、最大值和方差值。北京邮电人学硕士学位论文参数：data(输入数据指针)；datalength(输入数据长度)；point(输出特征值指针)。返回值：0(成功)。4．3定位算法的研究及软件实现根据2．3节的讨论及式(2．23)，只要得到两路接收信号的时间差△t，就可以计算出入侵发生的位置X，从而实现系统的定位监测功能。时延估计最常用的方法是互相关法。4．3．1互相关技术介绍在信号处理中经常要研究一个信号经过一段时间延迟后与自己的相似性，以实现两信号时间延迟△t的提取。互相关技术J下是研究信号相关性的一种常见技术，它借助互相关函数来分析两路信号的相关性从而获得两信号之间的时间延迟At。其基本原理如下：假设两信号的数学模型为：Xl(t)=sl(t)+咒1(f)x2(t)=asl(t—D)+刀2(f)式(4．5)式中：xl(t)，x2(t)分别为两个检测器PINl和PIN2所接收到的信号，sl(t)为源信号，D为时间延迟，nl(t)，n2(t)为均值为0的加性噪声。并假设Sl(t)，nl(t)，n2(t)为实的平稳随机过程，信号Sl(t)与噪声nl(t)，nz(t)不相关。互相关法是一类最基本的时延估计算法，这种方法的基本思想是利用两接收信号Xl(t)和x2(t)的相关函数来估计时间延迟。两接收信号的互相关函数为：R尚(t)=E[xl(t)x20)】=口足南O—D)式(4—6)由自相关函数的性质可知，当t=D时，信号X1(t)和x2(t)的互相关函数达到最大值，为：Rxlx，p)=aR函(0)式(4·7)由上式可知，使用互相关技术来测量两路信号之间的时延时，就是取互相关函数峰值所对应的变量值。北京邮电人学硕十学位论文在信号频谱特性不够理想，或者信噪比S／N较低的情况下，互相关函数的峰值会受到噪声的影响，对时延估计的精度和检测定位的准确性产生影响。为了削弱噪声对相关时延估计的影响，提高时延估计的准确性，可以对两个接收信号的互功率谱密度进行加权滤波处理，称这种方法为广义互相关法。广义互相关法是在信号进行相关运算前对信号进行加权滤波，增强信号中信噪比较高的频率成分，抑制噪声功率，以便使相关函数在时延处的峰值更为突出，从而获得更为理想的时延估计精度。Xl(t)和x2(t)之间的互相关与互功率谱密度之间的关系为：‰o)2，瓯，：(伽口吖7够式(4．8)为了提高时延估计的准确度，在上式积分之前对X1(t)和x2(t)进行预滤波，如下图所示由图4-4可知：图4-4广义互相关法结构框图北京邮电人学硕+学位论文峰。将上式代入式(4．10)得：礁”量糟胁n彤式(4．12)式(4．13)等价于Winener滤波，可以有效地抑制噪声大的频带，但会展宽相关函数的(2)Scot(光滑相干变换)函数Scot权函数为：妒s(舻瓦霸1霞丽将上式代入式(4．10)得：彤翌p)。，k，：(厂户皿町。df式(4．14)式(4．15)其中：+w)2稿为一致估计函数。当两路信号的信噪比差异较大时，且事先又不能确定，可采用这种权函数。当瓯而(厂)=q：jr2(厂)时，Scot等价于Roth方法，所以也会展宽相关函数的峰。(3)Phat函数Phat权函数为：lf，P(舻医1硐将上式代入式(4．10)得：R“狲乏鼢脚7彤，肌p)=r芒哔胁，f彤理想条件下：41式(4．16)式(4．17)北京邮电人学硕十学位论文^Gv：(厂)一qm(厂)则：幽“州)刮2z归J瓯≈(厂)l将上式代入式(4．17)得：^(P)RyIy20)=6p—D)式(4．18)式(4．19)相当于白化滤波，但在实际中，G，屯(厂)≠瓯，，(，)，所得的相关函数并非理想的冲激函数，这会造成时延估计检测的困难。另一方面，用lq尚(，)l。对qm(厂)进行加权，在信号能量较小时，分母会趋于o，从而加大误差，一些改进的方法考虑在分母中加入一个固定的常数。(4)Eckart函数Eckart权函数为：北京邮电人学硕士学位论文删=量黼螅扩仃彤(4-22)最大似然加权函数对大信噪比频段给与大权值(按信噪比加权)，小信噪比频段给与小的权值(按信噪比平方加权)，从而较好地抑制了噪声的影响，是一种时延估计方差达到Cremer--Rao下界的最优估计法【1引，是统计意义下最优的滤波器。唯一的缺点是它需要信号统计特性的先验知识，实际应用是比较困难，只能代之以互功率谱的估值。4．3．2tedr算法原理假设信号x1(t)和x2(t)的互功率谱密度为q，：(厂)，xl(t)l拘自功率谱密度为q1(厂)，x2(t)的自功率谱密度为qF：(，)，则均方一致估计函数为：删一尚岛IZ式(4．23)由此可得ML窗函数(Maximum．LikelihoodWindowofHannanandThompson)为：姒加南尚式(4．24)在tder算法中，式取ML窗函数作为权函数。则可得到X1(t)和x2(t)的互相关函数R心o)为妒暑(f)Gx,xz(f)I的傅里叶反比换。当互相关函数氏恐o)取得最大值时，其对应的变量值即为时延D的一个初始估计值d。为了提高时延估计的精度，选用三点插值公式D：一2d-1一型!二墨丝二!!式(q4．-25)=一U．～￡，，2n(d+1)一2R(d)+n(a一1)柬估计时延值D。由于tder算法采用的是ML窗函数作为权函数，故tder算法能达到时延估计的Cramer．Rao极划18】，是理论上估计偏差最小的估计。4．3．3tedr算法的软件实现(1)tder算法的概要设计tder算法类描述如下：北京邮电人学硕十学位论文表4-2TDER类TDER类publicprotectedtderconi——Multireal——Multidevide——By——Pointreciprocalremainderhanningfftshiftcorr——maxmaX表给出了TDER类的各个成员，左边是公共成员函数，是可以被外部调用的成员函数即定位算法TDER程序的接口：右边是保护数据成员，是封装在类内部的成员，外部不可见，只能通过成员函数间接访问。(2)tder算法的详细设计首先，计算输入信号signall与signal2的互功率谱密度Gsls2(0；其次，计算ML权函数，通过对加窗处理后的互功率谱密度Gsls2(f)做傅里叶反变换得到signall与signal2的广义互相关函数Rsls2(t)；最后，利用三点插值公式计算得到时延估计值D。●类的成员函数公共：●tder功能：利用tder算法计算得到两路接收信号的时间差At，从而得到入侵发生的位置。参数：signall(第一路接收信号)；signal2(第二路接收信号)；Maxdelay(时延的最大动态范围)；overlap(帧数据重合率)；nfft(FFr点数)。返回值：时延估计值。保护：一conj—Multi北京邮电人学硕十学位论文功能：计算两路复数数据的乘法，结果存放在第一路复数数据中。参数：datal(第一路复数数据指针)；data2(第一路复数数据指针)；length(输入数据长度)。返回值：无。_real—Multi功能：计算两路实数数据的乘法，结果存放在第一路实数数据中。参数：datal(第一路实数数据指针)；data2(第一路实数数据指针)；length(输入数据长度)。返回值：无。_devide—By—Point功能：计算两路实数数据的除法，结果存放在第一路实数数据中。参数：datal(第一路实数数据指针)；data2(第一路实数数据指针)：length(输入数据长度)。返回值：无。-reciprocal功能：计算两路实数数据的除法，结果存放在第一路实数数据中。参数：datal(第一路实数数据指针)；data2(第一路实数数据指针)；length(输入数据长度)。返回值：无。_devide_By—Point功能：计算输入实数数据的倒数，结果存放在该实数数据中。参数：data(实数数据指针)；length(输入数据长度)；kmu(比例因子)。返回值：无。■remainder功能：计算输入数据的余数。参数：n(输入数据)；返回值：余数。■hanning北京邮电人学硕十学位论文功能：计算指定长度的hanning窗。参数：n(hanning窗口大小)；返回值：hanning窗指针。一fftshifl功能：实现频谱搬移。参数：data(输入数据指针)：length(频谱搬移宽度)；返回值：无。■max功能：计算输入数据最大值所对应的位置。参数：data(输入数据指针)；length(输入数据长度)；返回值：最大值位置。4．4数据处理算法的试验验证北京邮电人学硕十学位论文4．4．2试验结果分析1、报警算法测试分析第一组：●测试光缆总长：40．1Km。·振动平台位置：光缆2、光缆3。·数据采集卡单通道采样率：10K／s。●输入模板：第一次选择正常入侵产生的事件特征值作为输入报警模板(可同时选择多个)，同时选择平常噪声产生的事件特征值作为输入误报模板(可同时选择多个)；第二次选择正常入侵产生的事件特征值作为输入误报模板(可同时选择多个)，同时选择平常噪声产生的事件特征值作为输入报警模板(可同时选择多个)。●测试波形：图舢6入侵事件与噪声事件波形对光缆2监控的区域施加正常入侵扰动，而对光缆4监控的的区域不施加任何扰动。●测试结果：对于第一次选择的模板，光缆2监控的区域发生入侵报警，光缆4监控的区域未发生报警入侵；对于第二次选择的模板，光缆2监控的区域未发生入侵报警，光缆4监控的区域发生报警入侵。●结果分析：在用户指定的模板相似度阈值范围内，对于第一次选择的模板，正常入侵产生的事件特征值与报警模板匹配成功，发生入侵报警，噪声产生的事件特征值与误报模板匹配成功，未发生报警入侵；而对于第二次选择的模板，47北京邮电人学硕十学位论文正常入侵产生的事件特征值与误报模板匹配成功生的事件特征值与误报模板匹配成功，发生报警第二组：·测试光缆总长：40．1Krn。·振动平台位置：光缆2、光缆3。·数据采集卡单通道采样率：10K／s。·输入模板：第一次选择模拟下雨产生的事件特征值作为输入报警模板(可同时选择多个)，同时选择模拟刮风产生的事件特征值作为输入误报模板(可同时选择多个)；第二次选择模拟下雨产生的事件特征值作为输入误报模板(可同时选择多个)，同时选择模拟刮风产生的事件特征值作为输入报警模板(可同时选择多个)。·测试波形：图4．7模拟下雨与模拟刮风事件波形对光缆2监控的区域施加模拟下雨事件，而对光缆4监控的区域施加模拟刮风事件。●测试结果：对于第一次选择的模板，光缆2监控的区域发生入侵报警，光缆4监控的区域未发生报警入侵；对于第二次选择的模板，光缆2监控的区域未发生入侵报警，光缆4监控的区域发生报警入侵。●结果分析：在用户指定的模板相似度阈值范围内，对于第一次选择的模板，模拟下雨产生的事件特征值与报警模板匹配成功，发生入侵报警，模拟刮风产生的事件特征值与误报模板匹配成功，未发生报警入侵；而对于第二次选择的模北京邮电人学硕+学位论文板，模拟下雨产生的事件特征值与误报模板匹配成功，未发生入侵报警，模拟刮风产生的事件特征值与报警模板匹配成功，发生报警入侵。2、定位算法对比分析在同样的测试环境下，对于同一组数据信号，调用不同的算法可得到不同的时间差点数，如表4．3所示。表4-3定位算法实验结果＼算法詹罗＼＼RothScotPhatTDER125325225225222542542542543253251251251425025025025351952472492516261259260253714576788432518162113201460238929901047187根据理论计算，入侵位置所对应的时间差点数标准值为252。从上述实验结果可以看出TDER算法的优越性。对于受噪声影响很小的数据信号，如信号一、信号2、信号3，四类算法之间没有明显的差别，跟标准值都很接近；当信号中信噪比较高时，如信号4、信号5、信号6，噪声对Roth权函数、Scot权函数、Phat权函数影响较大，时问差点数开始偏离标准值，而噪声对于TDER算法影响不大，结果基本接近标准值；当信号中的信噪比较低时，由Roth、Scot、Phat算法计算出的时间差点数严重偏离标准值，同时由TDER算法得出的时间差点数也开始偏离标准值。由于最大似然加权函数对大信噪比频段给与大权值(按信噪比加权)，小信噪比频段给与小的权值(按信噪比平方加权)，从而可以较好地抑制噪声的影响，能够在低信噪比条件下较准确地计算出时间差点数，从而确定入侵发生的大致位置。北京邮电人学硕十学位论文北京邮电人学硕士学位论文5．1论文总结第五章论文总结与展望本论文在对基于马赫．泽德干涉结构的分布式光纤传感器的原理和组成的研究基础之上，着重对基于PCI总线的数据采集模块的设计与实现和数据处理算法的原理与实现进行了研究，论文的主要工作归纳如下：(1)为了在使用不同公司采集卡时保证上层软件的兼容性，对不同公司生产的采集卡驱动程序进行了封装。底层采集卡程序可以包含不同公司生产的PCI采集卡，各采集卡通过采集卡各自的序列号即PIC插槽号来区分。每一个采集卡定义为一个独立的类，包含采集卡的一切相关操作，包括打开采集卡、初始化采集卡、查询采集卡状态、启动采集卡、停止采集卡、关闭采集卡等。内核层采集卡驱动程序兼容不同公司生产的PCI采集卡。数据采集以采集卡为单元，用户界面程序调用StartAcq后启动该采集卡，采集卡采集到数据后，锁定采集到的数据，并发消息给用户界面程序，消息中包含采集卡序列号，用户界面程序处理完该数据后解除数据锁定。(2)在通过采集时域和频域两方面的信号特征以实现信号特征辨别技术的研究基础之上，研究并实现了报警算法的设计。本论文提出了四类报警算法，即时域统计算法、频域统计算法、峰值统计算法和峰值信息熵统计算法，主要针对三类实际信号的特征进行分析：入侵信号，弱扰动信号和噪声信号。通过将入侵信号的事件特征值表与用户指定的模板(包括报警模板和误报模板)进行相似性匹配处理，从而得到报警与否的信息，并记录该事件特征值表。报警算法模块的实现，可以有效地区别报警信号和误报信号。基于事件特征值表的模板数据库的引入，在提高系统报警的准确性同时，为用户根据自身需求区分报警事件与误报事件提供了方便。(3)本论文的定位算法模块采用完全使用PC机的处理模式，在基于滑动窗口平均技术的定位算法的研究基础之上，研究并丰富了定位算法的种类。在引入互相关技术的基础之上，通过对比分析基于Roth、Scot、Phat、Eckart和ML／HT等五类窗函数的互相关技术之间的差异，数据处理模块的定位算法最终采用基于MI_．／HT的tder算法。由于tder算法是理论上估计偏差最小的估计，能达到时延估计的Cramer．Rao极限，从而较好地抑制了噪声的影响，一定程度上有效地降51北京邮电人学硕十学位论文低了定位的误差。(4)在实验室内搭建振动测试平台，进行了多样化的测试，使用多组数据验证了信号处理算法实现的可行性和准确性。在外场实地进行测试和调试，一方面验证了系统的可用性，另一方面积累了大量的经验，根据需求对系统做出的改进，大大提高了系统的应用范围。(5)按照软件工程的要求，编写了类库和接口的代码，规范了软件结构和开发流程，同时撰写了详细的文档，为设计开发规范化打下了一个基础，也在科技成果的产业化进程中迈出了重要的一步。实验证明，本论文中研究的数据采集技术和数据处理算法合理可行。在实际系统测试应用中，工作稳定，运行正常。数据采集模块中，采用了一种新的信号采集方式，通过对不同公司生产的采集卡驱动程序的封装，保证了在使用不同公司采集卡时上层软件的兼容性。数据处理模块中，报警算法通过对入侵信号的事件特征值表与用户指定的模板(包括报警模板和误报模板)进行相似性匹配处理，提高入侵报警的准确性；定位算法通过选用ML窗函数作为权函数，提高了时延估计的精度。5．2展望分布式光纤振动传感系统，可以对监控区域内的入侵准确报警和快速定位。可应用于保护政府机构、军事基地、输油管线、电厂、机场、通信设施、通信线路、国界等对安全性和实时性要求非常高的地段，检测现场破坏或者入侵，提前报警，将损失降到最小。在系统报警方面，随着技术的发展和用户需求的变化，分布式光纤传感系统主要应用于分区防护，每个区域面积在几平方米到几平方公里，不提供精确定位，并能够实时反映入侵现场的情况。当监控区域发生入侵时，分布式光纤传感系统自动启动报警装置，并自动丌启摄像机，对入侵点进行录像，同时在用户界面自动弹出报警区域的现场视频图像。通过与Internet互联，使用户能够对入侵及时采取j下确的应对措施。上述应用要求分布式光纤传感系统能够准确区分各类不同的入侵信号。本论文提出的时域统计算法、频域统计算法、峰值统计算法和峰值信息熵统计算法等四类报警算法，能够准确区分入侵信号、弱扰动信号和噪声信号这三类实际信号，作用范围有限。今后的工作可以迸一步研究扩展信号特征分析手段，增加报警算法的种类，合理设计报警算法流程图，同时引入自学习机制，根据输入信号的不同特点逐步扩充基于事件特征值的模板数据库的容量，提高系统对环境变化的适应能力和对信号划分的准确性，使分布式光纤传感系统做出多北京邮电人学硕十学位论文维度多层次的报警。另外，从系统报警方式考虑，可以引入带云台的球型摄像机，构成分布式光纤传感系统+球型摄像机的联合报警方式，实现用户对于入侵区域的实时视频图像监控。在系统定位方面，随机变化的偏振态仍然是影响定位精度的一大因素。可以从两个角度改进，一是引入较为稳定的偏振控制机制，动态调整以保证信号偏振态变化在允许的范围之内；一是提高信号抗偏振影响的能力，例如采用特殊的调制与解调方式，把偏振的干扰降到最低。另外，目前对信号时问差的提取采用的是广义互相关的运算方式，精度会受到信号信噪比的影响，同时需要进行大规模的FFT运算。今后的工作可以研究新的时间差提取算法，例如相位搜索、椭圆拟合等，进一步提高运算精度。在系统软件方面，随着基于事件特征值的模板数据库和分布式光纤传感系统+球型摄像机的联合报警方式的导入，要求进一步加强系统软件各模块的之间的通信，尤其是用户界面与采集卡、数据库、摄像机之间的通信，选择合适的通信方式，以实现系统软件的新增功能。北京邮电人学硕十学位论文参考文献【1】廖延彪，黎敏，张敏，匡武光纤传感器技术与应用清华大学出版社2009年【2】A．A．Chtcherbakov，P．LSwart，S．J．Spammer．FiberOpticDistributedSensorsforIndustrialApplications．InInternationalSymposiumonIndustrialElectronicsProceedings．1998f31GambingW．A．光纤传感器原理中国计量出版社1991年【4】胡晓东，刘文辉，胡小唐分布式光纤传感技术的特点与研究现状航空精密制造技术1999年『51王惠文，江先进，赵长明光纤传感技术与应用国防工业出版社2001年【6】何存富，杭利军，吴斌分布式光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用传感器与微系统2006【7】耿军平，许家栋，郭陈江全分布式光纤温度传感器研究的进展及趋势传感器技术2001年【8】RogersA．Distributedoptical·fibersensing．Proc．SPIE．1991『91毕卫红，张燕君，齐跃峰光信通信与传感技术电子工业出版社2008年【10】ParkerTR，FarhadiroushanM，HanderekVA．AfullyDistributedSimultaneousStrainandTemperatureSensorusingSpontaneousBrillouinBackscatter[J]．IEEEPhotonicsTechnologyLetters．1997【11】JPDakin．DistributedAnti-Stokesratiothermometry3rdinternationalconferenceonopticalfibresensors，postdeadlinesession，SanDiego．1985f121刘瑞复，史锦珊光纤传感器及其应用机械工业出版社1987年【131孟克光纤干涉测量技术哈尔滨工程大学出版社2008年f14】ERICUDD．FiberOpticalSensors：AnIntroductionforEngineersandScientists．Canada：JohnWiley&Sons．1991f151李贵山，戚德虎PCI局部总线及其应用西安电子科技大学出版社2003『161WalterOney．ProgrammingtheMicrosoftWindowsDriverModel微软出版社f171李亦农，李梅信息论基础教程北京邮电大学出版社2005年【18】CHARLESH．KNAPP．TheGeneralizedCorrelationMethodForEstimationofTimeDelay．IEEETransactionsonAcoustics，SpeechandSignalProcessing．1976●J北京邮电人学硕十学位论文致谢两年多的硕士研究生生活转眼就要结束了，在这期间，实验室的老师们十分关心我的学习和生活，在科研任务和论文工作上给予我很多的帮助和指导，并尽其所能为我们创造了良好的学习环境和实验平台，使我顺利完成了学业和科研任务。借此机会，我向实验室的老师们致以最诚挚的感谢和最衷心的祝福。感谢林金桐老师，他每次高屋建瓴的讲话都给我的学习、工作和生活带来新的启示和指引，不但教会了我做课题研究的方法，而且也传授了很多做人做事的道理。林老师学识渊博、治学严谨，时时关心着实验室课题进展和同学们的学习生活，这种无私的敬业精神将永远激励我前进。感谢洪小斌老师，他广博的专业知识、丰富的实践经验、忘我的工作精神，时时激励着我继续努力学习，是我学习工作中的楷模。洪老师在我课程学习、项目研究、论文工作及学习工作态度等很多方面都给予我悉心的指导和耐心的教诲，使我受益终身。感谢伍剑老师，他对于我们项目的实验，给予了很大的支持和帮助。伍老师扎实的理论知识、严谨的科研作风和证直的为人风范对我影响至深。从伍老师的身上可以看到知识的闪光和师长的风范，给了我很大的鼓舞，是我今后工作学习的榜样。感谢徐坤老师，他深厚的专业知识、富有激情的讲授和出色的亲和力，给我留下了深刻的印象。徐老师经常为我们带来业界最新发展和科研前沿热点知识，拓宽了我们的视野。在实验室的管理方面，徐老师投入了不少精力，为我们安心学习工作提供了保障。感谢刘扬、牟运帷师兄在项目上对我的指导和帮助。感谢陶继方、王微、罗超、李辉、赵辉同学，和他们一起学习和工作是我的荣幸，与他们的交流和讨论使我开阔了视野，受到了很多有益的启发。与他们默契的合作是完成项目的重要保证。最后，对所有关心、指导和帮助过我的各位老师、师兄师姐和同学表示感谢。我的论文能够顺利完成，与各位的帮助和实验室良好的的工作环境密不可分。北京邮电人学硕十!学1：：7：论文发表文章【1】分布式光纤传感系统数据处理算法的研究与实现中国科技论文在线200912．534收录于：2009年12月17日分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理作者：苏旭峰学位授予单位：北京邮电大学本文读者也读过(10条)1.王艺基于DM642的DVB2AVC视频转码器DSP软件设计[学位论文]20112.吴卫锋提高全光纤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分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第1部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第2部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第3部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第4部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第5部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第6部分) 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理(第7部分)