[发明专利]基于振动信号空时二维稀疏表示K‑S检验的光纤入侵检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤入侵系统的振动检测的基于振动信号空时二维稀疏表示柯尔莫哥洛夫-斯摩洛夫(K-S)检验的光纤入侵检测方法。

技术背景

随着经济的发展，石油和天然气已经成为国民经济发展的最重要能源。长输管道作为石油和天然气最理想、经济的运输方式，已经得到广泛的应用。油气管道是能源运输的大动脉，管道一旦泄漏极易发生燃烧爆炸，不仅影响管道的安全生产，还将给国家和人民群众的生命与财产造成巨大损失。因此，对管道安全的预警系统有广泛的应用场景。

由于油气管道大都会采取同沟埋设的光缆进行生产数据通信，这为光纤入侵检测技术的使用提供了便利条件。其可以通过直接测量光缆的振动，实现快速、长距离、大范围的油气管道入侵检测与预警。光纤入侵检测的应用背景复杂，其中包括难以避免的噪声，并且在特殊的场景下存在干扰入侵，例如：公路过车，工地施工等，该入侵一般对埋在地下的管道不造成安全威胁，但其会使埋在附近的光纤产生振动，从而导致振动检测的入侵背景呈现出非平稳、大量并发的特点，从中检测出有害入侵变得较为困难。

目前光纤振动信号处理还存在明显不足，其设计思路一般是直接检测的方法，将检测到的信号直接送到显示器，将噪声和干扰振动的幅度变化同时显示出来，对目标信号的检测能力由操作员对显示器的监视决定的。但是，这种处理方法所得到的监测结果误差大、报警不准确，使长距离复杂振动检测面临严峻挑战，急需在此基础上开展长距离光纤振动检测方法研究。

经过一系列研究发现，入侵特点是空、时二维非平稳的。因此，需要从空、时二维分别对入侵结果进行检测，剔除噪声以及干扰噪声部分，得到潜在有害入侵的信息。

发明内容

本发明涉及光纤入侵系统的振动检测，其通过空域、时域二维检测，对系统进行入侵信息提取，有效排除噪声以及干扰入侵的情况，从而得到潜在有害入侵的具体信息。

本发明基于振动信号空时二维稀疏表示柯尔莫哥洛夫-斯摩洛夫(K-S)检验的光纤入侵检测方法用以解决对光纤入侵信号的检测，提取有害入侵信号。

基于振动信号空时二维稀疏表示检验的光纤入侵检测方法，其特征在于包括：

针对同一时间，不同位置的入侵信息采用恒虚警率检测方法进行空域检测，去除噪声；

运用恒虚警率检测方法的处理结果，对同一位置，不同时间的空域检测过门限数据按照时间顺序进行分组，对同一位置取每N个空域过门限数据为一组，称为时域待测数据集，每组时域待测数据集内数据的时间间隔构成时间间隔样本集，每组时域待测数据集内数据的幅度构成幅度样本集；

将以上述方法得到的时间间隔样本集分布与先验的干扰入侵信号的时间间隔样本集进行K-S检验，若两分布相同则判断该组为干扰入侵组，若分布不同则进行下一步；

将以上述方法得到的幅度样本集分布与先验的干扰入侵信号的幅度样本集进行K-S检验，若两分布相同则判断该组为干扰入侵组，若分布不同则判断为潜在有害入侵组。

基于振动信号空时二维稀疏表示K-S检验的光纤入侵检测方法，其包括：针对同一时间，不同位置的入侵信息采用恒虚警率(CFAR)检测方法进行空域检测，去除噪声；将同一位置不同时间点的空域CFAR过门限数据分组，即：对同一位置取每N个空域过门限数据为一组，称为时域待测数据集，用每组时域待测数据集内的数据之间的时间间隔构成的样本集与先验的干扰入侵信号的时间间隔样本集进行K-S检验比较，若为同一分布，则说明检测组为干扰入侵信号，若两分布不同，则进行幅度K-S检测，即用每组时域待测数据集内的数据的幅度构成的样本集与先验干扰入侵信号幅度样本集进行K-S检验，若两分布为同分布，则为干扰入侵集，若两分布不同，则该组为潜在危害入侵集。其中，CFAR检测部分选择在均匀背景下检测性能良好的CA-CFAR(空域单元平均恒虚警率检测)，即单元平均恒虚警率检测，其主要思想为：利用前沿和后沿参考单元采样的均值形成两局部估计，然后分别对局部估计进行求和运算以确定检测单元的背景杂波平均功率水平估计：

其中，Z为总的杂波功率水平估计，x为前沿采样参考单元值，y为后沿参考采样单元采样值，前后各取个参考单元，之后即可根据虚警概率与阈值因子之间的关系求出阈值因子，而进一步求出检测阈值：

S＝T·Z

其中，T为标称化因子，通过上式可以根据检测阈值对检测单元进行检测。

之后提取CFAR检测提取的入侵信息进行时域K-S检验，主要思想为：