[发明专利]一种光纤传感振动信号的识别方法

说明书

技术领域

本发明属于模式识别技术，尤其涉及光纤传感系统的一种光纤传感振动信号的识别方法。

背景技术

光纤传感系统，采用光缆作为传感传输二合一器件，通过对直接触碰光缆或通过承载物，如覆土、铁丝网、围栏等，传递给光缆的各种振动信号，对振动信号进行持续和实时的监控，采集扰动数据，经过后端分析处理和智能识别，判断出不同的外部干扰类型，如攀爬铁丝网、围墙，设防区域的行走，挖洞开墙，以及可能威胁光缆承载物的破坏等，排除外部干扰信号，实现系统预警或实时告警，达到对侵入设防区域周界、以及内部核心区域的威胁行为进行预警监测的目的。光纤传感系统作为一种新型的安全防范设备，符合当今民用和军用安防需求，弥补了传统安防手段的不足，可以替代或结合传统设备的使用，提高传统安防系统的灵敏度和扩大防御范围。

当前的光纤传感系统的缺陷如下：许多此类系统并没有对外部扰动事件识别判断的方法，或者只是通过简单的指标(如振幅、能量、频谱等)进行筛选。某些光纤传感系统尝试引用模式识别技术进行外部扰动事件类型的识别，但是所采用的模式识别技术需要采集大量的样本进行训练，实施困难，而且识别准确率低。总之，现有的光纤传感系统缺少对外部扰动事件准确识别、降低误报率的光纤传感振动信号的识别方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有光纤传感系统扰动事件识别准确率低、训练过程长、样本需求量大等缺点，提出了类似于语音识别技术的一种光纤传感振动信号的识别方法，该方法利用了光纤传感系统振动信号作为一种音频信号的特点，采用单个事件作为训练样本，具有更高的识别准确率，同时只需要很少的训练样本即可完成常见入侵事件的模式训练。

为了实现上述目的，本发明的光纤传感振动信号的识别方法具体步骤如下：

步骤1：信号获取

光纤传感系统的光缆在受到外力作用时，光缆中传输的光信号会发生相位的变化，不同位置光纤的光信号在系统终端处发生干涉，由于振动引起的相位差的存在，使得干涉后信号发生变化，通过光电探头将干涉后的光信号转换成电流信号，光纤传感系统获得的光信号转换成电流信号后，再通过AD采样得到相应的离散数字信号s(n)，n为采样点数；

步骤2：加窗分帧

为了方便后期处理，对信号s(n)进行分帧，为了消除吉布斯现象，分帧的同时还对信号进行加窗处理。对步骤1获取的数字信号s(n)进行加窗分帧处理，得到第k帧的加窗信号s_k(n)，其计算公式如下：

s_k(n)＝s(n+kd)w(n),0≤n≤d-1

式中w(n)为窗函数，d为窗口宽度，f_m为信号采样频率，k为帧数。

步骤3：短时能量计算

为了后期扰动信号的提取，将时域信号s(n)转换成短时能量信号e(k)，本步骤计算步骤2所得每一帧加窗分帧信号s_k(n)的能量，得到第k帧的能量信号e(k)。

步骤4：滑动平均处理

系统固有的或外在的非持续干扰，即噪声或外界突发的短时非人为扰动，会产生非常短暂的脉冲现象，影响真实扰动事件的提取。为使能量信号在短时脉冲的干扰下仍表现平滑，对对步骤3所得能量信号e(k)做平滑处理，得到滑动平均处理后的能量信号e'(k)，即当前的短时能量值等于前N个能量值的均值，N为滑动平均的窗口长度，滑动平均处理后的能量信号计算公式如下：

i为窗口帧的计数参数。

步骤5：扰动事件提取

步骤4得到的滑动平均处理后的能量信号e'(k)与动态阈值Th1和Th2比较，当e'(p)超过Th1时，开始截取对应的帧信号s_p(n)，当e'(q)低于Th2时，结束对应的帧信号s_q(n)截取，所截取的p到q帧连续信号s_p(n),s_p+1(n),...,s_q(n)即作为扰动事件信号s_event(n)，称为事件信号，用于后续步骤识别。若没有得到超过动态阈值Th1的能量信号e'(k)，即无事件被截取，则认为无扰动事件发生，返回步骤1重新开始。

利用动态阈值对事件进行提取能够实时跟踪信号的噪声水平，克服固定阈值容易受噪声干扰而错误截取事件的缺点，同时使用两个动态阈值截取事件能够自适应地获取扰动事件的长度，准确地找到事件的起始端和结束端，克服固定长度截取事件所造成的事件割裂或带入噪声信号的缺点。