[发明专利]一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法，所述方法包括步骤：1、对来自分布式光纤传感器的原始数据进行特征扩展，得到扩展特征函数向量；2、根据所述扩展特征函数向量计算降维矩阵；3、将所述降维矩阵作用于原始数据和所述扩展特征函数向量，得到降维后的特征函数；4、由参数数据库得到初级分类参数并分类，得到振动信号的初步分类结果；5、接收所述振动信号的初步分类结果，删除误检结果、修改错误分类，得到振动信号修正后的分类结果并输出。本发明还提出了基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位系统，解决了分布式光纤传感器信号准确识别环境振动难的问题。

技术领域

本发明属于光纤信号处理领域，具体涉及一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法和系统。

背景技术

基于分布式光纤传感器的振动检测系统，由于其部署方便，探测区域广、探测灵敏度高，在设备监控、区域安防、环境检测等领域得到应用。然而由于分布式光纤传感器的物理特性，分布式光纤传感器得到的信号波形和它所受到的机械振动难以通过简单的数学方程关联起来，并且在实际应用过程中，分布式光纤传感器信号中还存在各种干扰和噪声，难以从中准确地检测和识别振动类型，并对振动进行时空定位。

目前的检测手段主要的通过分布式光纤传感器信号在特定时间窗口内变化幅度大小对振动进行检测，并粗略的确定时间空间位置，这一类方法检测错误率高，分辨不同类型振动的能力差，对振动的时间空间位置定位能力低，无法满足日益增长的应用需求。

现有的基于光纤信号的振动检测识别和时空定位算法主要依赖于特定时间窗口和频率范围内，分布式光纤传感器信号的波动幅度检测。将信号波动幅度和给定的门限比较来确定振动是否发生。其中门限通常凭经验设置，基于简单门限区分复杂振动类型的能力有限，并且难以在检测误报率和漏报率之间取得平衡。这些缺点限制了光纤传感器在高可靠性和准确性的领域应用。

通过光纤信号的检测识别振动的另一类方法是基于分布式光纤传感器信号波形和振动机械波之间的理论模型，建立方程并从中获得检出振动所需要提取的信号特征和参考门限值。由于机械振动到光纤传感器信号的过程中经历多重非线性变换，只能够对特定的简单振动情况进行理论分析，并且由于模型中使用了大量近似，忽略了实际应用过程中遇到的各种信号特征的畸变，导致理论模型误差大、应用效果差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了解决分布式光纤传感器信号准确识别环境振动难的问题，本发明提出一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法和系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法，步骤包括：

步骤一、特征扩展：对来自分布式光纤传感器的振动信号原始数据进行特征扩展，得到扩展特征函数向量和C个振动类型；

步骤二、计算降维矩阵：根据所述扩展特征函数向量计算降维矩阵；

步骤三、线性降维：将所述降维矩阵作用于所述原始数据和所述扩展特征函数向量，得到降维后的特征函数；

步骤四、初级分类：由参数数据库得到初级分类参数并分类，得到振动信号的初步分类结果；

步骤五、次级分类：接收所述振动信号的初步分类结果，删除误检结果、修改错误分类，得到振动信号修正后的分类结果并输出。

如前所述的一种基于光纤信号特征的振动检测识别和时空定位方法，进一步地，步骤二所述降维矩阵计算过程具体步骤包括：

步骤2.1、对于编号为c的振动类型，收集训练样本集其中表示振动类型为c的第k个训练样本；

步骤2.2、针对每个振动类型计算以下统计量：

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