[发明专利]一种基于恒虚警与过零率相结合的Φ-OTDR振动信号端点检测方法

摘要

本发明涉及基于恒虚警与过零率相结合的Φ‑OTDR振动信号端点检测方法，是一种对振动信号进行检测识别的方法，属于信号处理与模式识别领域，其特征在于采用如下步骤：(1)确定噪声信号的概率分布和预加重的滤波器；(2)确定恒虚警率阈值和预加重后的振动信号；(3)确定光纤帧信号；(4)确定过零率；(5)建立短时过零率检测模型；(6)融合恒虚警阈值检测结果与短时过零率的检测结果。本发明将过零率方法与恒虚警检测算法相结合，提出一种振动信号端点检测方法，增加了许多新的报警点，具有较高的检测率。实验结果表明本发明设计的振动信号端点检测方法有着较好的信号检测效果，极大程度上降低了虚警率。

主权项

1.本发明特征在于：(1)确定噪声信号的概率分布和预加重的滤波器；(2)确定恒虚警率阈值和预加重后的振动信号；(3)确定光纤帧信号；(4)确定过零率；(5)建立短时过零率检测模型；(6)融合恒虚警阈值检测结果与短时过零率的检测结果；具体包括以下六个步骤：步骤一：确定噪声信号的概率分布p₁(z)和预加重的滤波器H_pre(x)：噪声信号服从高斯分布，因此它的概率密度分布为：式中，p₁(z)表示噪声信号的概率分布，μ表示均值，σ²表示方差，z表示噪声信号；预加重的作用是降低信号的低频部分，使信号变平，维持信号在整个频谱的信噪比一致，以便于对信号进行进一步的分析，为了完全消除信号的直流偏置，用来预加重的滤波器的表达式如下：H_pre(x)＝1‑x^‑k；式中，H_pre(x)表示预加重滤波器，x表示原始振动信号，k表示滤波器阶数；步骤二：确定恒虚警率阈值T和预加重后的振动信号X(n)：恒虚警率p_fa为：式中，p_fa表示恒虚警率，p₁(z)表示噪声信号的概率分布，μ表示均值，σ²表示方差，z表示噪声信号，T表示恒虚警率阈值，当恒虚警率p_fa≤10^‑5时，可得出阈值T；经过滤波器对振动信号进行预加重后，得到的信号X(n)为：X(n)＝1‑x(n)^‑k；式中，X(n)表示预加重后的振动信号，x(n)表示原始Φ‑OTDR振动信号；步骤三：确定光纤帧信号X_n(n)：X_n(n)＝X(n)*w(n)；式中，X_n(n)表示光线帧信号，X(n)表示预加重后的振动信号，w(n)表示窗函数；步骤四：确定过零率R(n)：在离散振动信号情况下，如果相邻的振动信号具有不同的代数符号就称为发生了过零，因此可以计算过零的次数，单位时间内过零的次数就称为过零率，本发明用到的过零率是短时过零率，因此，定义为：式中，R(n)表示过零率，N表示窗函数的帧长，m表示当前第m帧，X_n(m)表示光线帧信号，egn[X_n(n)]表示符号函数，表达式如下：式中，X_n(m)表示光线帧信号；步骤五：建立短时过零率检测模型：式中，Z表示短时过零率的检测结果，H₁表示有振动信号的假设，H₀表示无振动信号的假设，det表示检测出振动信号的假设，R(n)表示过零率；步骤六：融合恒虚警阈值检测结果T与短时过零率的检测结果Z：将恒虚警计算出阈值的检测结果与短时过零率的检测结果相融合，对于小于恒虚警阈值的结果置1，得出真正的检测结果，即：式中，S(n)表示最终检测出的振动信号，T表示恒虚警阈值检测结果，Z表示短时过零率的检测结果。