前言

非法入侵和破坏性行为会对军事基地、通信电缆、输油气管道及周界安防等基础设备、设施的安全造成严重威胁。针对各种危及电缆、管道安全及安防系统的非法入侵和破坏性行为，及时、准确、有效地对其进行识别具有重要的研究价值和现实意义。分布式光纤传感器检测技术将光纤作为信号的传输介质和传感单元，通过检测光纤中光信号的强度、相位、偏振态等参量在外场作用下的变化，实现对光纤沿线外部参量的连续分布式测量。分布式光纤传感器检测技术具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、动态范围大、便于快速捕捉和高精度测量动态变化的信息等技术优点，日益成为非法入侵和破坏性行为检测的主流技术。

分布式光纤传感器的工作原理包含感知和定位两个方面。在感知机制方面，分布式光纤传感器利用光纤中的背向散射及其干涉特性实现对各种被测量的传感；在定位方法方面，分布式光纤传感器基于各种分布式光反射计的架构实现定位测量。以上这些不同的感知机制和相应的信号解调方法与各种定位方法相互组合，发展出了多种形式的分布式光纤传感器技术方案。本书主要对干涉型分布式光纤传感器的定位技术和识别原理进行了研究，内容组织如下。

第1章是绪论，简要介绍了光纤传感器的发展和分类。本章对分布式光纤传感器的基本原理进行了详细的阐述，并对各种类型的干涉型分布式光纤传感系统的定位技术进行了分析和说明。

第2～4章对分布式光纤传感器的定位技术进行了详细论述。针对光纤定位系统存在的问题，分别在频域和时域内提出了两种新的基于光纤干涉原理的分布式光纤传感器。基于波分复用的分布式光纤传感器，在干涉结构中使用波分复用技术，使得同一扰动获得两路不同的干涉信号，通过比较两路相位信号的频谱特性，确定扰动发生的位置。该技术不仅消除了扰动信号幅度变化对检测的影响，而且可利用多个频率点获得的位置进行平均，具有较高的定位精度。基于时延估计的分布式光纤振动传感系统，在时域内实现了对振动信号的定位。利用分布式光纤传感器检测振动信号，采用自适应时延估计方法在时域内直接对检测到的信号进行扰动定位，可对光纤沿线发生的外部事件进行预警。该方法简单易实现，具有较高的检测灵敏度和定位精度。另外，为了证明前述分布式光纤传感器/系统定位原理及相关技术的正确性和可行性，本书对定位试验系统进行研究，分别阐述了基于波分复用和时延估计的分布式光纤传感器/系统定位试验方案，并对试验结果进行了分析说明。

第5～8章对分布式光纤传感器的识别原理进行了详细阐述。首先介绍了与分布式光纤传感系统相关的信号处理方法，对端点检测、去噪分析、相位还原及频谱分析进行了研究，详细说明了基于经验模态分解的光纤振动信号特征提取方法，并对小样本和大样本两种情况下的光纤传感信号识别分别进行了研究。针对小样本数据场景，本书提出了基于多维特征的光纤振动信号识别，采用基于Mel频率倒谱系数和基于注意力机制的显著性特征提取方法，并研究了将光纤振动信号的时域显著性特征和Mel频率倒谱系数联合送入卷积神经网络的算法，以提高多维特征光纤振动信号识别的准确性。在大样本情况下，数据量和数据特征更丰富，为了保证在大样本数据场景下系统的识别性能、实时性能和计算性能，同时解决光纤振动信号易淹没在长时间、大量的测量数据中的问题，第8章建立了具有较高泛化能力、较强普适性、较高识别精度的光纤振动信号分类识别模型，采用对时序性数据处理具有较好效果的BiLSTM网络模型作为研究对象，分析了BiLSTM网络模型在特征提取深度和复杂程度等方面的不足，并引入自注意力机制对其进行优化，提高了分类识别的准确性。

本书内容主要来源于作者十几年的工作积累。特别感谢复旦大学光纤研究中心的贾波教授，作者有幸于2008—2011年在贾波教授的指导下开展了光纤传感器的理论及应用研究工作。同时，感谢复旦大学光纤研究中心的肖倩、吴红艳、徐锲、王超教授，本书前4章的相关试验就是在复旦大学完成的，在他们的细心指导与帮助下，这些工作才得以完成。另外，硕士研究生寇庆康、单洪颖、冯心雨等也为本书作出了贡献，在此表示衷心感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。

作者
2024年6月