[发明专利]一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法

摘要

本发明公开了一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法。本方法利用混沌对初值的敏感性作检测机理，用混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点及相邻帧波形的分布相似性，把每帧波形平均分成N段，每段称为一个短时窗，计算相邻两帧波形的对应短时窗的互相关，即短时互相关，根据短时互相关峰值开始下降的帧内时刻来确定环内的入侵位置。本发明有效提高了混沌光纤围栏系统定位的精度，避免了提高相邻帧分布相似性即短时互相关峰值与提高定位分辨率的矛盾。

主权项

一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，采用混沌对初值的敏感性作检测机理，用混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点及相邻帧波形的分布相似性来定位扰动，其特征在于把每帧波形平均分成N段，每段称为一个短时窗，计算相邻两帧波形的对应短时窗的互相关，即短时互相关，根据短时互相关峰值开始下降的帧内时刻来确定环内的入侵位置；采用以下步骤进行定位：(1) 确定帧长τ：连续采集若干帧混沌输出波形数据，取多于一帧点数的混沌数据进行自相关运算，确定激光器输出的一帧时间即帧长τ；混沌信号的自相关函数类似于一个冲击函数，我们对多于一帧的混沌信号做自相关运算时会出现准周期的自相关峰，各自相关峰值之间的时间间隔都等于激光器输出的一帧时间τ，只是峰值大小随延迟时间增大而减小；(2) 确定第一帧完整波形的起点：用多帧混沌波形叠加法确定激光器输出的第1帧完整波形的起点；所谓多帧混沌波形叠加法，就是从第一点采集数据开始，将连续多帧混沌波形一帧一帧地进行叠加；由于混沌波形中往往夹杂着自脉冲信号，而自脉冲具有周期性，混沌信号是类随机的，因此，多帧波形叠加后自脉冲便会增强，而混沌信号的幅度不会明显增加；通过这种方法，可以找到混沌波形中隐藏的自脉冲；这个自脉冲即是激光器输出的第1帧完整波形的起点，舍弃起点以前不足一帧的数据； (3) 确定扰动发生帧：计算相邻帧混沌波形的整体互相关，确定扰动发生帧；在系统的环路上人为加入一个扰动；不断计算前后帧的互相关，根据实际确定一个合适的归一化帧间互相关峰值的阈值，哪一帧与前一帧的互相关峰值小于阈值，扰动就是从哪一帧开始出现的； (4) 寻找合适的短时窗长：以不同短时窗长计算扰动帧之前的两个相邻无扰动帧的各个短时互相关，取短时互相关峰值一致性最好，即方差或标准偏差最小的短时窗长；短时窗越长，相似性越好，但是定位分辨率越低；短时窗越短，定位分辨率越高，但是相似性越低，因此选择短时窗长时也要考虑定位分辨率的要求； (5) 寻找合适的短时窗起点n0：根据定位精度的要求分别从扰动帧和之前的无扰动帧的第一点开始把每个短时窗向后逐步移动n点，选取扰动短时窗的互相关峰值下降最大的第一个短时窗的起点n0为两个帧的短时窗的起点，此时应有扰动起始点与某一个短时窗的起点正好重合，此时定位最准确； (6) 确定扰动短时窗：计算扰动发生帧与前一个无扰动帧混沌波形的短时互相关，扰动发生前，前后帧的归一化短时互相关峰值较一致且都接近于1；扰动发生时，短时互相关峰值在相应短时窗处开始明显下降；该短时窗便是扰动短时窗； (7) 确定扰动发生的帧内时刻：    由扰动短时窗在帧内的序号j和短时窗后移n0点对应的时间，可以精确换算出环路中扰动发生的起始时刻； (8) 确定扰动发生的环内位置：混沌光纤围栏系统输出的一帧混沌波形的时间点与光纤环上的位置是一一对应的，找到扰动发生的帧内时刻便可以确定扰动发生的环内位置。