一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及傳感及檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于光纖周界安防的高效率多事 件的模式識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人民的生活質(zhì)量有了很大變化，人們對(duì)于物質(zhì)財(cái) 產(chǎn)W及生命安全越來越重視，對(duì)于安防的需求也越來越高，學(xué)校、機(jī)場(chǎng)、加油站、軍事基地等 基礎(chǔ)設(shè)施也越來越完備。分布式光纖擾動(dòng)定位系統(tǒng)采用光波干設(shè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)入侵?jǐn)_動(dòng)檢測(cè)及 定位，具有長距離監(jiān)控、高精度定位功能、低能源依賴性、高環(huán)境耐受性、抗電磁干擾、抗腐 蝕等特性。
[0003] 為了更加充分的確定外界的入侵行為，模式識(shí)別就隨之成為了人們更加關(guān)注的對(duì) 象。
[0004] W往的光纖周界安防定位系統(tǒng)算法是將周界擾動(dòng)信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)直接進(jìn)行模 式識(shí)別的處理。由于外界有擾信號(hào)在系統(tǒng)檢測(cè)過程中，存在著環(huán)境中風(fēng)、雨或者噪聲的影 響，最后檢測(cè)到的有效信號(hào)往往只占很小的比例，提取的各個(gè)入侵事件的特征向量差異不 明顯，導(dǎo)致模式識(shí)別的成功率不高，并且可區(qū)分的入侵行為的種類也比較少。因此首先對(duì)信 號(hào)進(jìn)行一些預(yù)處理，去掉環(huán)境對(duì)入侵信號(hào)的影響，并對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行有效的特征提取，采用 高效的識(shí)別方法，運(yùn)樣在一定程度上整個(gè)系統(tǒng)模式識(shí)別的成功率會(huì)有很大的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述的現(xiàn)有技術(shù)存在的分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)中模式識(shí)別的種類少， 識(shí)別的成功率低等問題及存在的問題，本發(fā)明提出了一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)，對(duì)所 獲得的擾動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)包括擾動(dòng)定位、擾動(dòng)報(bào)警、模式識(shí)別的信號(hào)處理。
[0006] 本發(fā)明提出了一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光光源1、隔離器2、第 一禪合器3、第一環(huán)形器4、第二禪合器5、第Ξ禪合器6、第二環(huán)形器7、第一探測(cè)器8、第二探 測(cè)器9、第一、第二高速采集卡10、11、計(jì)算機(jī)12和傳感光纜13;其中：
[0007] 光由激光光源1發(fā)出后，經(jīng)過隔離器2后，由第一禪合器3分成1:1的兩束光，運(yùn)兩束 光分別經(jīng)過第一環(huán)形器4和第二禪合器5后，從構(gòu)成干設(shè)臂兩端的第Ξ禪合器6和第二環(huán)形 器7進(jìn)入傳感環(huán)路中并沿相反的兩個(gè)方向傳輸，在對(duì)端的禪合器3處發(fā)生干設(shè)，傳感光纜12 遇到的擾動(dòng)，擾動(dòng)發(fā)生位置到傳感光纜兩端距離不同，形成相干光波到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間延 遲，沿逆時(shí)針方向傳播的光波先后到達(dá)第一探測(cè)器8和沿順時(shí)針方向傳播的光波到達(dá)第二 探測(cè)器9上，由第一探測(cè)器8和第二探測(cè)器9把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)隔直后，由第一、第二 高速采集卡1〇、11采集到計(jì)算機(jī)12中，進(jìn)行下一步信號(hào)處理;所述信號(hào)處理包括擾動(dòng)定位算 法、擾動(dòng)報(bào)警和模式識(shí)別算法。
[000引所述擾動(dòng)定位算法包括W下處理：
[0009]傳感光纜受到擾動(dòng)，沿逆時(shí)針方向傳播的光波到達(dá)第一探測(cè)器8的時(shí)間為：
[0010] ti = l^in/c
[0011] 沿順時(shí)針方向傳播的光波到達(dá)第二探測(cè)器9的時(shí)間為：
[0012] t2=(X_Li)n/c
[0013 ]由此可計(jì)算出擾動(dòng)點(diǎn)位置公式：
[0014]
[0015] 式中，Li為擾動(dòng)點(diǎn)距離第一探測(cè)器的距離，L是光纖總長度，η是光纖折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0016] 所述模式識(shí)別算法利用EMD分解信號(hào)得到IMF分量，提取包含主要信息的IMF分量 的峭度特征，最后再通過支持向量機(jī)進(jìn)行模式識(shí)別，具體包括W下處理：
[0017] 步驟一、取一段已知入侵行為的擾動(dòng)信號(hào)x(t)，求取擾動(dòng)信號(hào)x(t)的所有極大值 和極小值，并用Ξ次樣條對(duì)運(yùn)些極大值和極小值進(jìn)行插值，得到極大值包絡(luò)Xmax和極小值包 絡(luò)Xmin，求取極大值包絡(luò)和極小值包絡(luò)的平均值mi= (Xmax+Xmin)/2;
[0018] 步驟二、從擾動(dòng)信號(hào)x(t)中減去上下包絡(luò)的平均值，得到信號(hào)，即:hi = x(t)-mi;
[0019] 步驟S、如果hi滿足IMF條件，則hi即為第一個(gè)IMF，即為Hi，若hi不滿足IMF條件，則 hi代替擾動(dòng)信號(hào)x(t)重復(fù)步驟一至二k次，直到hik滿足IMF條件，此時(shí)的hik就作為第一個(gè) IMF,記為:Hi;
[0020] 步驟四、從擾動(dòng)信號(hào)x(t)中減去第一個(gè)IMF化得到剩余部分ri，用剩余部分ri代替 擾動(dòng)信號(hào)x(t)，重復(fù)步驟一至四，直到最后的剩余部分ri滿足下列條件之一：
[0021] (1)剩余部分η足夠小，W至于小于我們大量實(shí)驗(yàn)得到的設(shè)定闊值；
[0022] (2)剩余部分η是一個(gè)單調(diào)函數(shù)，不滿足IMF分解條件，則分解結(jié)束；
[0023] EMD將一個(gè)復(fù)雜的擾動(dòng)信號(hào)x(t)分解為有限個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)化和一個(gè)剩余部分r 的和值，即：
[0024] 步驟五、前Μ個(gè)IMF分量已經(jīng)能夠基本描述擾動(dòng)信號(hào)的擾動(dòng)特征值，包含了擾動(dòng)信 號(hào)的主要信息，因此選擇前Μ個(gè)IMF分量，利用峭度的定義
十算出包含主要 信息的每個(gè)IMF分量的峭度特征;其中：i代表第i個(gè)IMF分量;N是有限整數(shù);k代表1MF分量中 離散點(diǎn)的位置;η代表該位置信號(hào)的中屯、距；
[0025] 步驟六、利用公式
對(duì)每個(gè)峭度進(jìn)行歸一化得到歸一化峭度；
[00%]步驟屯、前Μ個(gè)包含主要信息的歸一化峭度構(gòu)成一個(gè)特征向量Τ=[Τ/ι，Τ/2，···，Τ 'Μ];
[0027]步驟八、利用D-SVM找到最優(yōu)的分類函數(shù)：
[002引
[0029] 0=1，2，.''111，日/，護(hù)分別為拉格朗日系數(shù)和分類闊值，1((^，義丫）代表核函數(shù)，
[0030] 將擾動(dòng)信號(hào)的特征向量τ= [Τ'/i，r2,…，1"Μ]輸入支持向量機(jī)中，根據(jù)各種入侵行 為的特征向量的不同進(jìn)行分類。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一方面能夠?qū)崿F(xiàn)擾動(dòng)定位，另一方面有效提高了周界安 防定位系統(tǒng)模式識(shí)別的成功率，用于準(zhǔn)確識(shí)別外界多種入侵行為。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明的基于光纖周界安防的高效率多事件的模式識(shí)別分布式光纖周界安 防定位系統(tǒng)；
[0033] 圖2是模式識(shí)別流程圖；
[0034] 圖3是4種外界的入侵模式；
[0035] 圖4是4種入侵信號(hào)的原始波形圖；
[0036] 圖5是4種入侵信號(hào)經(jīng)過EMD分解得到IMF圖；
[0037] 圖6是4種入侵信號(hào)的歸一化峭度特征圖；
[0038] 圖7是支持向量機(jī)識(shí)別分類示意圖；
[0039] 附圖標(biāo)記：1、激光光源；2、隔離器;3、第一禪合器;4、第一環(huán)形器;5、第二禪合器； 6、第二環(huán)形器;7、第Ξ禪合器;8、第一探測(cè)器;9、第二探測(cè)器；10、第一高速采集卡；11、第二 高速采集卡;12、計(jì)算機(jī);13、傳感光纜。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 本發(fā)明的原理
[0041] 1、分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)的基本原理
[0042] 如圖1所示，分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)基于雙馬赫曾德光纖干設(shè)儀原理建立， 利用光纜中的兩條單模光纖構(gòu)成馬赫曾德光纖干設(shè)儀的兩個(gè)測(cè)試光纖來感應(yīng)光纜周圍的 擾動(dòng)信號(hào)。光由激光光源1發(fā)出后，經(jīng)第一禪合器3后被分成1:1的兩束光，運(yùn)兩束光分別經(jīng) 過第一環(huán)形器4和第二禪合器5后，從構(gòu)成干設(shè)臂兩端的第Ξ禪合器6和第二環(huán)形器7進(jìn)入傳 感環(huán)路中并沿相反的兩個(gè)方向傳輸，在對(duì)端的禪合器3處發(fā)生干設(shè)并輸出到第一探測(cè)器8和 第二探測(cè)器9上；由第一探測(cè)器8和第二探測(cè)器9把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)隔直后，由第一、 第二高速采集卡10、11采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行下一步信號(hào)處理;傳感光纜的P處受到擾動(dòng)，貝U 由于擾動(dòng)位置到傳感光纜兩端距離的不同，導(dǎo)致相干光波到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間有一定的延 遲，沿逆時(shí)針方向傳播的光波到達(dá)第一探測(cè)器8的時(shí)間為：
[0043] ti = l^in/c
[0044] 沿順時(shí)針方向傳播的光波到達(dá)第二探測(cè)器9的時(shí)間為：
[0045] t2=(X_Li)n/c
[0046] 式中，Li為擾動(dòng)點(diǎn)距離第一探測(cè)器的距離，L是光纖總長度，η是光纖折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0047] 由此可計(jì)算出擾動(dòng)點(diǎn)位置公式：
[004引
[0049] 2、EMD原理分析
[0050] 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析理論均是建立在線性信號(hào)和穩(wěn)定性系統(tǒng)的假設(shè)之上。但是在大多 數(shù)情況下，實(shí)際的測(cè)量或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都是非線性和非穩(wěn)定的，為此，1998年化ang 等人提出了一種用于非線性和非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法化化ert-Huang transform化HT)理 論。
[0051] HHT理論主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和希爾伯特光譜分析。
[0052] 對(duì)于任何一個(gè)時(shí)間序列信號(hào)x(t)，經(jīng)過希爾伯特變換之后，可W得到其復(fù)共輛信 號(hào) y(t):
[0化3]
[0054]其中x(t)屬于1/空間，PV是柯西積分主值。經(jīng)過希爾伯特變換之后，實(shí)際的探測(cè)信 號(hào)可W重新定義為：
[0化5]
[0056]其中；
[0化7]
[0058]其中a(t)代表信號(hào)的瞬時(shí)幅值，0(t)代表相位函數(shù)，從而瞬時(shí)頻率定義為：
[0化9]
[0060] 經(jīng)過希爾伯特變換之后，可W得到被調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位。然而，任意 函數(shù)信號(hào)的瞬時(shí)頻率是難W精確測(cè)量的，所W運(yùn)種方法并不是對(duì)所有的測(cè)量信號(hào)都有效。 只有在被變換的信號(hào)是窄帶信號(hào)，并且此窄帶