專利名稱：具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電傳感技術領域，具體涉及一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法及其系統(tǒng)。
背景技術：
周界安防系統(tǒng)在國防和民用以及工程領域都具有非常重要的應用。其國防應用主要包括邊境線，軍事基地，軍工廠，軍用機場，軍用倉庫，油庫和營房等的周界入侵監(jiān)測；其民用應用主要包括政府設施、機場、核電站、水庫、大型水壩、化工廠、監(jiān)獄等重要區(qū)域的周界入侵監(jiān)測。目前，已經研制了多種基于不同原理的周界安防系統(tǒng)，如吸收電纜，微波對射，紅外對射以及光纖傳感技術等。其中，光纖傳感器以其體積小，重量輕，靈敏度高，抗電磁干擾，易于組網，無需外場供電以及可以實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)良特性引起廣泛關注，正逐步成為安防領域的主流技術方案。根據(jù)工作原理的區(qū)別，光纖分布式傳感器可以分為干涉儀型、光纖光柵型、光時域反射計型等三種。光纖光柵型分布式傳感器采用光纖光柵作為敏感元件，在一定長度的間隔之間鋪設光纖光柵，實現(xiàn)準分布式傳感。因此，光纖光柵型分布式擾動傳感器的空間分辨率具有不連續(xù)性，其空間分辨率受到光纖光柵空間分布間隔的限制。同時，光纖光柵的集成基于波長復用，在一根光纖上可以復用的光纖光柵數(shù)量受到波長區(qū)分的限制，其測量長度的增加需要以增大光纖光柵間隔即降低空間分辨率為代價。除了空間分辨率和測量長度互相限制以外，光纖光柵型分布式傳感器的成本也限制了其作為分布式擾動傳感器在大范圍環(huán)境中的應用。光時域反射計型分布式傳感器可以用來檢測外界環(huán)境中溫度或壓力的變化，但其響應時間較長，對于外界擾動的實時定位比較困難，實時性限制了其作為分布式擾動傳感器的應用。雙干涉儀型分布式傳感器具有實現(xiàn)原理簡單，靈敏度高，器件成本低，適于長距離傳感用等優(yōu)良特性，已經成為光纖分布式擾動傳感器的主要技術方案。它能夠檢測到傳感光纜上任意一點產生的入侵信號，同時給出入侵的空間位置信息，實現(xiàn)定位。光纖圍欄系統(tǒng)在功能上已經實現(xiàn)了分布式測量。但是，由于進行長距離傳感，光纜沿途可能穿越鄉(xiāng)村、農田、河流、沼澤、沙漠、公路和鐵路等各種不同的環(huán)境，因此穿越地區(qū)的背景噪聲也十分復雜。這些噪聲中，一部分是由自然因素引起的振動噪聲，如風、雨、 冰雹、小地震、牛羊的碰觸等；另一部分是人為活動引起的噪聲，如車輛的行駛、周圍的施工等。這些非入侵事件的外界干擾一方面會導致系統(tǒng)誤報警，浪費警力；另一方面，這些外界噪聲疊加進真實的入侵信號中，還會降低系統(tǒng)的定位精度，嚴重影響系統(tǒng)實際應用的可靠性和準確性。
降低光纖圍欄系統(tǒng)誤警率的一個簡便的方法是計算采集信號的功率譜，并設定一個閾值，當功率譜大于這個閾值時，認為是外界入侵信號，發(fā)出警報；如果功率譜小于這個閾值時，認為是外界干擾，不予報警。為了提高該方法的適應性，還可以將閾值設置為動態(tài)閾值，即閾值能隨環(huán)境變化，動態(tài)改變入侵的判定條件。該方法能有效的防止刮風、下雨等氣候條件下的誤報警，提高了光纖圍欄系統(tǒng)在惡劣天氣條件下的性能。設置功率譜閾值的方法有效的降低了光纖圍欄系統(tǒng)的誤警率。但該方法僅僅削弱了自然環(huán)境噪聲的影響，卻沒有有效區(qū)分人為活動引起的噪聲，如車輛行駛、周圍的施工等。這些人為活動的干擾依然會導致系統(tǒng)誤報警。此外，在極端惡劣環(huán)境條件下，如暴雨、 冰雹等，該閾值將會設定的非常大，甚至可能大于某些入侵信號的功率譜密度，導致系統(tǒng)出現(xiàn)漏報警。另一種方法是利用人行走的形態(tài)學特征來識別一個光纖圍欄系統(tǒng)檢測到的信號是否由人為入侵引起。人行走的形態(tài)學特征為人行走的步態(tài)周期，其平均值為1.2秒，人行走時的跨步周期平均為0. 6秒，其中腳接觸地面的時間大約為0. 2秒，而腳離地時間大約為0. 4秒。如果一個擾動引起的傳感器變化是以平均0. 5-0. 7秒的周期出現(xiàn)的，且其持續(xù)時間為平均0. 2-0. 3秒，則可以判定該擾動是一個行人入侵，系統(tǒng)發(fā)出警報，否則不報警。該方法可以通過做光纖圍欄系統(tǒng)輸出信號的自相關運算實現(xiàn)，自相關曲線最高峰的周期即為入侵信號的周期，自相關峰的持續(xù)時間即為入侵者的腳接觸地面引起的振動信號的持續(xù)時間，算法簡便。該方法的缺點在于，它只關注了行人行走的入侵行為，而忽略了其它入侵行為，如攀爬等，導致系統(tǒng)的漏警率較高。此外，在氣象條件比較惡劣的時候，采集到的信號會參雜大量的噪聲，使自相關曲線的峰值模糊，甚至出現(xiàn)多個峰值，導致算法失效。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題為了解決目前光纖圍欄系統(tǒng)在外界干擾下存在的誤報的問題以及光纖圍欄系統(tǒng)在復雜背景噪聲下定位精度下降的問題，必須對不同事件引起的擾動信號進行性質的識別，做出準確的入侵報警判斷，最終實現(xiàn)低誤報率，并且必須對采集信號進行降噪處理，提高采集信號的信噪比，進而提高系統(tǒng)的定位精度，本發(fā)明提出一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法及其系統(tǒng)。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法，基于雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器，該方法包括以下步驟Si，將雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器的兩光電探測器采集到的兩路信號分別進行模數(shù)轉換得到數(shù)字量信號；S2，對兩路數(shù)字量信號進行小波多尺度分解，并從中提取特征分量；S3，將提取的特征分量與閾值進行對比，以確定擾動是由什么事件引起的；若判定擾動是由外界噪聲引起的，則不報警；若判定擾動是由外界入侵引起的，則發(fā)出警報，并轉入步驟S4 ；S4，對兩路信號進行降噪處理；
S5，對降噪后的兩路信號做逆小波變換進行重構，得到恢復的原始信號；S6，對兩路恢復的原始信號進行相關運算，得到擾動發(fā)生的位置并顯示出來。優(yōu)選地，所述步驟S4中的降噪處理方法為同時對每層的小波系數(shù)采用閾值選取技術進行閾值選取并估算全局閾值；保留低頻分量的小波系數(shù)，使用全局閾值對各高頻分量的小波系數(shù)進行硬閾值處理，獲得新的小波系數(shù)。優(yōu)選地，所述閾值選取的方法為對信號進行分解時將得到各高頻分量的小波系
權利要求
1.一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法，基于雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器，其特征在于，該方法包括以下步驟Si，將雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器的兩光電探測器采集到的兩路信號分別進行模數(shù)轉換得到數(shù)字量信號；S2，對兩路數(shù)字量信號進行小波多尺度分解，并從中提取特征分量； S3，將提取的特征分量與閾值進行對比，以確定擾動是由什么事件引起的；若判定擾動是由外界噪聲引起的，則不報警；若判定擾動是由外界入侵引起的，則發(fā)出警報，并轉入步驟S4 ；S4，對兩路信號進行降噪處理；S5，對降噪后的兩路信號做逆小波變換進行重構，得到恢復的原始信號； S6，對兩路恢復的原始信號進行相關運算，得到擾動發(fā)生的位置并顯示出來。
2.如權利要求1所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述步驟S4中的降噪處理方法為 同時對每層的小波系數(shù)采用閾值選取技術進行閾值選取并估算全局閾值；保留低頻分量的小波系數(shù)，使用全局閾值對各高頻分量的小波系數(shù)進行硬閾值處理，獲得新的小波系數(shù)。
3.如權利要求2所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述閾值選取的方法為對信號進行分解時將得到各高頻分量的小波系數(shù)一(1，2，...，n)，求取各層的噪聲標準差==；7^7_纟_￡|<1() = 1，2，...，《),式中#為第」層小波系數(shù)的個數(shù)；然后，根據(jù)式 0.6745 N k=lΑ"=《"2111丨獲取各層小波系數(shù)的閾值。
4.如權利要求2所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述閾值選取的方法還包括但不限于使用無偏估計準則或極大極小準則來估計閾值。
5.如權利要求2所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述估算全局閾值的方法包括但不限于取各層小波閾值的最大值、最小值或者是平均值作為最終降噪的全局閾值，或者將各個閾值分別作為每層小波系數(shù)處理的閾值。
6.如權利要求1-5中任意一項所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述步驟S2中進行小波多尺度分解時可以使用的小波基包括但不限于DB5小波、DB4小波、Haar小波。
7.如權利要求1-5中任意一項所述的擾動傳感方法，其特征在于，所述步驟S2中進行小波多尺度分解的層數(shù)包括但不限于4層、7層、9層。
8.一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感系統(tǒng)，包括雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器，其特征在于，還包括與雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器的兩光電探測器連接的擾動定位模塊；該擾動定位模塊將雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器的兩光電探測器采集到的兩路信號分別進行模數(shù)轉換得到數(shù)字量信號；對兩路數(shù)字量信號進行小波多尺度分解，并從中提取特征分量；將提取的特征分量與閾值進行對比，以確定擾動是由什么事件引起的；若判定擾動是由外界噪聲引起的，則不報警；若判定擾動是由外界入侵引起的，則發(fā)出警報，并對兩路信號進行降噪處理；對降噪后的兩路信號做逆小波變換進行重構，得到恢復的原始信號； 對兩路恢復的原始信號進行相關運算，得到擾動發(fā)生的位置并顯示出來。
全文摘要
本發(fā)明為一種具有擾動性質識別功能的光纖分布式擾動傳感方法，基于雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器，該方法包括以下步驟S1，將雙馬赫澤德干涉型分布式擾動傳感器的兩光電探測器采集到的兩路信號分別進行模數(shù)轉換得到數(shù)字量信號；S2，對兩路數(shù)字量信號進行小波多尺度分解，并從中提取特征分量；S3，將提取的特征分量與閾值進行對比，以確定擾動是由什么事件引起的；若判定擾動是由外界噪聲引起的，則不報警；若判定擾動是由外界入侵引起的，則發(fā)出警報，并轉入步驟S4；S4，對兩路信號進行降噪處理；S5，對降噪后的兩路信號做逆小波變換進行重構，得到恢復的原始信號；S6，對兩路恢復的原始信號進行相關運算，得到擾動發(fā)生的位置并顯示出來。
文檔編號G01D5/26GK102401667SQ20111030075
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月29日
發(fā)明者張春熹, 張晞, 李勤, 李慧, 李立京, 林文臺, 許文淵, 鐘翔, 陸文超 申請人:北京航空航天大學