一種光纖振動(dòng)模型確定方法及裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖振動(dòng)模型確定方法及裝置，該方法包括：獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)；提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性；將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配；在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng)信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。通過(guò)上述方式，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確判斷目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)類(lèi)型，并提高光纖振動(dòng)檢測(cè)的效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種光纖振動(dòng)模型確定方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光纖振動(dòng)模型確定方法及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用光纖作為傳感器可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)緣探測(cè)，微小的擾動(dòng)就可以使光纖由于振 動(dòng)而變形，傳輸軌跡也會(huì)相應(yīng)變化。
[0003] 相位敏感光時(shí)域反射儀(φ-OTDR)是一種新型的分布式光纖傳感器，在對(duì)光纖 線路范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，具有傳統(tǒng)的傳感器所不能替代的優(yōu)勢(shì)。 與基于散射強(qiáng)度檢測(cè)的常規(guī)光時(shí)域反射儀(0TDR)相比，φ-OTDR不僅可以檢測(cè)光纖瑞利 散射回波的強(qiáng)度，而且還可以檢測(cè)回波的相位波動(dòng)，具有更高的靈敏度和探測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)的 能力。近年來(lái)，φ-OTDR光纖圍欄在周界安防方面，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。從 (P-OTDR探測(cè)到的大量復(fù)雜信號(hào)中判斷光纖沿線發(fā)生了怎樣的擾動(dòng)，怎樣性質(zhì)的入侵，這 是周界安防應(yīng)用實(shí)際關(guān)注的目標(biāo)。因此，對(duì)探測(cè)到的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行初步的識(shí)別非常重要，以 便快速、準(zhǔn)確地做出響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光纖振動(dòng)模型確定方法及裝置，能夠準(zhǔn)確 判斷目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)類(lèi)型，并提高光纖振動(dòng)檢測(cè)的效率。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種光纖振動(dòng)模型確 定方法，該方法包括:獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào);提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性;將頻譜特 性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配;在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)， 確定振動(dòng)信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。
[0006] 其中，將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配，包括:計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的頻 譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性之間的歐式距離；判斷歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾 值;若滿(mǎn)足，則確定頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。
[0007] 其中，提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性，包括:對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理;對(duì)歸一化處 理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
[0008] 其中，獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)，包括:將目標(biāo)光纖位置反射的光纖信號(hào)在時(shí) 域上劃分為多個(gè)信號(hào)幀；判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào) 幀;若存在，則將連續(xù)的滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀確定為振動(dòng)信號(hào)。
[0009] 其中，判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀，包括:判 斷是否存在短時(shí)能量大于能量閾值和/或短時(shí)平移差分大于差分閾值的信號(hào)幀。
[0010] 其中，多個(gè)信號(hào)幀中，相鄰的兩個(gè)信號(hào)幀在時(shí)間上部分重疊。
[0011] 其中，光纖信號(hào)為拍頻信號(hào)，將目標(biāo)光纖位置反射的光纖信號(hào)在時(shí)域上劃分為多 個(gè)信號(hào)幀之前，還包括:將光信號(hào)分為第一路光信號(hào)以及第二路光信號(hào);將第一路光信號(hào)調(diào) 制放大后，通入光纖;將第一路光信號(hào)在光纖中反射得到的反射光信號(hào)與第二路光信號(hào)進(jìn) 行耦合;將耦合得到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以得到目標(biāo)光纖位置的拍頻信號(hào)。
[0012] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種光纖振動(dòng)模型 確定裝置，該裝置包括:信號(hào)獲取模塊，用于獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào);頻譜提取模塊， 用于提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性；匹配模塊，用于將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn) 行匹配;振動(dòng)模型確定模塊，用于在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng) 信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。
[0013] 其中，匹配模塊包括:計(jì)算單元，用于計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的 頻譜特性之間的歐式距離；判斷單元，用于判斷歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值;確定單 元，用于在歐式距離滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值時(shí)，確定頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。
[0014] 其中，頻譜提取模塊具體用于:對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理;對(duì)歸一化處理后的振 動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的光纖振動(dòng)模型確定方法 包括:獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào);提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性;將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模 型的頻譜特性進(jìn)行匹配;在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng)信號(hào)屬 于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。通過(guò)上述方式，將時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算歐式距離對(duì) 比，能夠準(zhǔn)確判斷目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)類(lèi)型，并提高光纖振動(dòng)檢測(cè)的效率。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第一實(shí)施方式的流程示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式的流程示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式的信號(hào)流圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式中拍頻信號(hào)的時(shí)域信號(hào)示意 圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第三實(shí)施方式的流程示意圖；
[0021 ]圖6是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法一具體例子的距離-振動(dòng)能量示意圖；
[0022] 圖7是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法一具體例子的短時(shí)能量和平移差分的示意 圖；
[0023] 圖8是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法一具體例子的歸一化后時(shí)域信號(hào)示意圖；
[0024] 圖9是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法一具體例子的頻譜示意圖；
[0025] 圖10是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法一具體例子測(cè)試結(jié)果與時(shí)間動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算 的結(jié)果的對(duì)比示意圖；
[0026] 圖11是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖12是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定設(shè)備一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 參閱圖1，本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第一實(shí)施方式的流程示意圖，該方法包 括：
[0029] S11:獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)。
[0030] 其中，振動(dòng)信號(hào)可以是時(shí)域的信號(hào)，其表示目標(biāo)光纖位置在不同時(shí)間的振動(dòng)幅度。 可選的，振動(dòng)信號(hào)的幅度是可以光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的強(qiáng)度大小，也可以模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號(hào)的數(shù)字大小。
[0031] S12:提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性。
[0032]可選的，可以將時(shí)域的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域的振動(dòng)信號(hào)。其中，振動(dòng)信號(hào)的頻譜特 性可以是振動(dòng)信號(hào)的頻譜函數(shù)，也可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，把信號(hào)的幅值、相位或能量變 換以頻率坐標(biāo)軸表示，進(jìn)而分析其頻率特性。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可以獲得更多有用信息， 如求得動(dòng)態(tài)信號(hào)中的各個(gè)頻率成分和頻率分布范圍，求出各個(gè)頻率成分的幅值分布和能量 分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。
[0033] S13:將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配。
[0034]可選的，預(yù)設(shè)的振動(dòng)模型可以是頻譜中的幅值、相位或能量變換中的某一個(gè)參數(shù) 的特性，也可以是兩個(gè)或兩個(gè)以上組合的特性。例如，可以給幅值、相位或能量變換設(shè)置多 個(gè)閾值，當(dāng)滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，即頻譜特性與預(yù)設(shè)的頻譜特性匹配。
[0035] 可選的，振動(dòng)模型還可以是根據(jù)頻譜特性繪制的曲線圖，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線 和某一個(gè)預(yù)設(shè)的振動(dòng)模型的頻譜曲線相似，即可以認(rèn)定振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模 型的頻譜特性匹配。
[0036] S14:在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng)信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng) 模型。
[0037] 可選的，振動(dòng)模型可以根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)弱按照等級(jí)分類(lèi)，例如一級(jí)振動(dòng)、二級(jí)振動(dòng)、 三級(jí)振動(dòng)等等。也可以根據(jù)導(dǎo)致振動(dòng)的真是場(chǎng)景來(lái)分類(lèi)，例如行人走路、汽車(chē)行使、建筑施 工或自然風(fēng)等等。
[0038] 區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)施方式的光纖振動(dòng)模型確定方法包括:獲取目標(biāo)光纖位置 的振動(dòng)信號(hào);提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性;將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配； 在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng)信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。通過(guò)上 述方式，將時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算歐式距離對(duì)比，能夠準(zhǔn)確判斷目標(biāo)光纖 位置的振動(dòng)類(lèi)型，并提高光纖振動(dòng)檢測(cè)的效率。
[0039] 參閱圖2和圖3,圖2是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式的流程圖，圖3 是本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式的信號(hào)流圖，其中，連接線表示光纖，兩個(gè)橢 圓表示耦合器，圓形表示光纖端口，用于通入光信號(hào)或接收反射的光信號(hào)。
[0040] 本實(shí)施方式公開(kāi)了上述第一實(shí)施方式中S11的具體流程，該S11具體包括：
[0041] S111:將光信號(hào)分為第一路光信號(hào)以及第二路光信號(hào)。
[0042] 可選的，光纖激光器31可以采用分布式反饋光纖激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)。
[0043] S112:將第一路光信號(hào)調(diào)制放大后，通入光纖。
[0044] 可選地，可以將第一路光信號(hào)通過(guò)聲光調(diào)制器(A0M)32調(diào)頻，調(diào)制為一定脈沖寬度 的光脈沖，再經(jīng)過(guò)光纖放大器(EDFA0) 33放大后注入光纖。
[0045] S113:將第一路光信號(hào)在光纖中反射得到的反射光信號(hào)與第二路光信號(hào)進(jìn)行耦 合。
[0046]可選的，將第一路光信號(hào)在光纖中反射得到的反射光信號(hào)與第二路光信號(hào)在3dB 的耦合器上干涉疊加。
[0047] S114:將耦合得到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以得到目標(biāo)光纖位置的拍頻信號(hào)。
[0048] 可選的，可以將干涉疊加后的信號(hào)通入光電探測(cè)器34,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換?？蛇x的，光 電探測(cè)器34可以是雙平衡光電探測(cè)器(DB-PD)，用于接收耦合器的輸出，得到拍頻信號(hào)。 [0049]可選的，在得到拍頻信號(hào)后，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡35將數(shù)據(jù)傳送到處理器36,以 便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析。其中，數(shù)據(jù)采集卡35和處理器36也可以是一終端設(shè)備的一部分， 例如電腦。
[0050] S115:將拍頻信號(hào)在時(shí)域上劃分為多個(gè)信號(hào)幀。
[0051] 參閱圖4,本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第二實(shí)施方式中拍頻信號(hào)的時(shí)域信號(hào)示 意圖。其中，橫坐標(biāo)η表示時(shí)間，縱坐標(biāo)X (η)表示振動(dòng)能量。
[0052] 可選的，可以從0時(shí)刻開(kāi)始劃分，每m個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)信號(hào)幀，即Ο-m為一個(gè)信號(hào) 幀，m_2m為一個(gè)信號(hào)幀，2m_3m為一個(gè)信號(hào)幀，3m_4m為一個(gè)信號(hào)幀。在圖4中，m為5，即每5個(gè) 信號(hào)點(diǎn)組成一個(gè)信號(hào)幀。在其他實(shí)施方式中，也可以從拍頻信號(hào)中的任意時(shí)刻開(kāi)始選取信 號(hào)幀。
[0053] 可選的，多個(gè)信號(hào)幀中，相鄰的兩個(gè)信號(hào)幀在時(shí)間上部分重疊。重疊的長(zhǎng)度可以為 選取的信號(hào)幀長(zhǎng)度的1/3、1/4、1/5等，原則上不能超過(guò)1/2,例如重疊長(zhǎng)度為1/5個(gè)信號(hào)幀， 那么第一個(gè)信號(hào)幀是0-4共5個(gè)，第二個(gè)信號(hào)幀則為4-8共5個(gè)，其中第4個(gè)信號(hào)點(diǎn)為重疊部 分，這樣有利于保證信號(hào)幀的連續(xù)性。
[0054] S116:判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀。
[0055] 其中，判斷信號(hào)幀的振動(dòng)總強(qiáng)度可以直接的反映該信號(hào)幀的振動(dòng)大小，判斷信號(hào) 幀的振動(dòng)變化程度可以反映振幅的起伏程度。在具體實(shí)現(xiàn)中，可以將其中之一作為判斷標(biāo) 準(zhǔn)，也可以將兩者的結(jié)合作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。
[0056] 可選的，在一具體的實(shí)施方式中，可以判斷是否存在短時(shí)能量大于能量閾值和/或 短時(shí)平移差分大于差分閾值的信號(hào)幀。
[0057]具體地，以信號(hào)幀m_2m為例，短時(shí)能量可以是通過(guò)如下公式獲得：
[0058]
[0059]其中，該式表示在信號(hào)幀m-2m中每個(gè)能量值的平方和。
[0060] 具體地，以信號(hào)幀m-2m為例，短時(shí)平移差分可以是通過(guò)如下公式獲得：
[0061]
[0062] 其中，該式表示在信號(hào)幀m_2m中每個(gè)能量值與前一個(gè)能量值的差值的和。
[0063] S117:若存在，則將連續(xù)的滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀確定為振動(dòng)信號(hào)。
[0064] 將連續(xù)的滿(mǎn)足上述條件的信號(hào)幀確定為振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行在第一實(shí)施方式中S12 以及后續(xù)的步驟。
[0065]參閱圖5,本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定方法第三實(shí)施方式的流程示意圖，本實(shí)施方式 主要爭(zhēng)對(duì)第一實(shí)施方式中S12、S13的另一實(shí)施方式，其中，S12具體可以包括：
[0066] S121:對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。
[0067] 具體地，為了在后續(xù)與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行對(duì)比時(shí)，有相同的幅度標(biāo)準(zhǔn)， 這里需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，即選取的信號(hào)幀中的每個(gè)數(shù)據(jù)除以這些數(shù)據(jù)中的最 大值，將這些數(shù)據(jù)都?xì)w一化到[-1，1 ]的區(qū)間里。
[0068] S122:對(duì)歸一化處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
[0069]具體地，以?xún)蓚€(gè)信號(hào)幀m-3m共2m個(gè)信號(hào)值為例，傅里葉變換的表達(dá)式如下：
[0070]
[0071] 其中，2m為提取后時(shí)間序列的長(zhǎng)度，即m-2m的兩個(gè)信號(hào)幀長(zhǎng)度。頻譜數(shù)據(jù)序列k = [1，···，2πι]。經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的信號(hào)幅度作為入侵信號(hào)的特征信號(hào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所提取 的頻譜特征相對(duì)穩(wěn)定，相同種類(lèi)信號(hào)的頻譜特征基本一致，并且擾動(dòng)個(gè)體差異以及噪聲引 入的影響較小。因此，將其作為特征信號(hào)，不僅可以區(qū)別不同種類(lèi)的信號(hào)，而且利于消除環(huán) 境噪聲、個(gè)體入侵差異的影響。
[0072] 其中，S13具體可以包括：
[0073] S131:計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性之間的歐式距離。
[0074]具體地，以?xún)蓚€(gè)信號(hào)幀m-3m共2m個(gè)信號(hào)值為例，計(jì)算歐式距離的公式如下：
[0075]
[0076] 其中，F(xiàn)slgnal和FMd(3l分別為待測(cè)的振動(dòng)信號(hào)的頻譜和預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜，2m為頻 譜序列的長(zhǎng)度。
[0077] S132:判斷歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值。
[0078] S133:若滿(mǎn)足，則確定頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。
[0079] 將待測(cè)的振動(dòng)信號(hào)的頻譜和不同的預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜分別帶入上述公式計(jì)算， 將會(huì)得到不同的歐氏距離數(shù)值，將其與預(yù)設(shè)距離閾值進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)的快速 識(shí)別。
[0080] 可以理解的，對(duì)于不同的振動(dòng)模型可以設(shè)定不同的歐式距離閾值。
[0081] 下面，以一具體的例子對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0082] 在目標(biāo)光纖位置人為設(shè)置三種擾動(dòng)，包括:A、踢墻（toeing)，B、踹墻(heeling)，C、 原地跑(running)。目標(biāo)光纖長(zhǎng)度為5m，距離光纖末端的距離為4.3km。
[0083] 假設(shè)光脈沖的脈寬為100ns，通過(guò)獲取反射信號(hào)并通過(guò)時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，可以得到 不同光纖位置的振動(dòng)能量，圖6所示，其中，圖6的橫坐標(biāo)表示光纖距離，縱坐標(biāo)表示振動(dòng)能 量。
[0084] 再分別提取不同光纖位置的時(shí)域信號(hào)，將目標(biāo)光纖位置的該時(shí)域信號(hào)劃分為多個(gè) 連續(xù)的信號(hào)幀，計(jì)算各個(gè)信號(hào)幀的短時(shí)能量和平移差分，得到的如圖7所示的曲線。其中橫 坐標(biāo)表示信號(hào)幀數(shù)，縱坐標(biāo)表示信號(hào)能量，上面的曲線表示短時(shí)能量，下面的曲線表示平移 差分，E th表示短時(shí)能量閾值，Dth表示平移差分閾值。從圖7中可以看出，僅有A、B、C三處的短 時(shí)能量大于Eth，且這三處的平移差分也大于D th，可以認(rèn)為，該三處就是上述人為設(shè)置的踢 墻、踹墻和原地跑三種擾動(dòng)。
[0085]分別提取上述三種擾動(dòng)處以及自然風(fēng)(wind)擾動(dòng)的時(shí)間序列，并數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化 處理，如圖8所示，其中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)強(qiáng)度，從上至下四條曲線依 次表示踢墻、原地跑、踹墻和自然風(fēng)吹。再將上述四個(gè)時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域，圖9所示，圖9的 橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示頻譜，圖9中的局部放大部分從上而下四條曲線依次表示自然 風(fēng)、踢墻、端墻和原地跑。
[0086]如圖10所示，計(jì)算獲得的頻譜與模型的頻譜之間的歐式距離，并進(jìn)行對(duì)比。其中， (al)、（bl)、（cl)為利用時(shí)間動(dòng)態(tài)規(guī)劃(DTW)算法方法的結(jié)果；（a2)、（b2)、（c2)為利用頻譜 歐式距離法(EDFS，即本實(shí)施方式）。橫坐標(biāo)表示結(jié)果序列，縱坐標(biāo)表示歐式距離。
[0087]以原地跑步類(lèi)為例，EDFS的閾值為1000，從(c2)圖中可以看出，所有原地跑步結(jié)果 的數(shù)據(jù)均正確識(shí)別;再看(cl)，而在DTW算法中兩點(diǎn)出現(xiàn)了誤判，并且這兩處誤判處的歐式 距離大于其他擾動(dòng)類(lèi)型的歐式距離，這種誤判不是通過(guò)調(diào)整閾值可以解決的。
[0088]光纖入侵檢測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用中極易受到自然風(fēng)的影響。為此，研究了風(fēng)的特征，如圖 8、9、10所示?？梢钥闯觯ǔＧ闆r下風(fēng)的頻率比入侵信號(hào)的頻率低，利用頻譜分析更容易消 除環(huán)境噪聲的影響。EDFS是基于短時(shí)間頻譜分析的，更容易消除低頻噪聲的干擾，白噪聲的 影響也會(huì)有所減小。
[0089]此外，EDFS模式識(shí)別算法不僅有效，而且高效。結(jié)果顯示，在相同條件下處理相同 的數(shù)據(jù)m)FS只需要0.1 Is，而DTW算法需要5.05s。
[0090] 值得說(shuō)明的是，圖6-圖10僅僅是本發(fā)明一具體例子的測(cè)試過(guò)程，主要用戶(hù)對(duì)本發(fā) 明第一、第二、第三實(shí)施方式的原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中的數(shù)據(jù)、圖形并不限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0091] 參閱圖11，本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括： [0092]信號(hào)獲取模塊1101，用于獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)。
[0093]頻譜提取模塊1102,用于提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性。
[0094]匹配模塊1103,用于將頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配。
[0095]振動(dòng)模型確定模塊1104,用于在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確 定振動(dòng)信號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。
[0096]可選的，在其他實(shí)施方式中，匹配模塊1103還可以包括:計(jì)算單元，用于計(jì)算振動(dòng) 信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性之間的歐式距離;判斷單元，用于判斷歐式距 離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值;確定單元，用于在歐式距離滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值時(shí)，確定頻譜特性 與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。
[0097]可選的，在其他實(shí)施方式中，頻譜提取模塊具體用于：對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處 理;對(duì)歸一化處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
[0098]參閱圖12,本發(fā)明光纖振動(dòng)模型確定設(shè)備一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，該設(shè)備120包 括處理器1201、存儲(chǔ)器1202、接收器1203以及發(fā)送器1204。
[0099] 可選的，該處理器1201、存儲(chǔ)器1202、接收器1203以及發(fā)送器1204通過(guò)一條總線連 接。
[0100]存儲(chǔ)器1202用于存儲(chǔ)系統(tǒng)文件、應(yīng)用軟件以及各種算法、閾值信息以及歷史檢測(cè) 記錄等。
[0101] 接收器1203用于接收振動(dòng)信號(hào)，可選的，接收器1203可以是采集卡，用于采集振動(dòng) 信號(hào)并發(fā)送給處理器1201;發(fā)送器1204用于發(fā)送處理器1201的處理結(jié)果到顯示器、警報(bào)器 等輸出設(shè)備。
[0102] 處理器1201用于執(zhí)行以下步驟：
[0103] 獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)；提取振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性;將頻譜特性與預(yù)設(shè)振 動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配;在頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定振動(dòng)信 號(hào)屬于預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。
[0104] 可選的，處理器1201還用于執(zhí)行：計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻 譜特性之間的歐式距離;判斷歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值;若滿(mǎn)足，則確定頻譜特性與 預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。
[0105] 可選的，處理器1201還用于執(zhí)行:對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理;對(duì)歸一化處理后的 振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
[0106] 可選的，處理器1201還用于執(zhí)行：將目標(biāo)光纖位置反射的光纖信號(hào)在時(shí)域上劃分 為多個(gè)信號(hào)幀;判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀;若存在， 則將連續(xù)的滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀確定為振動(dòng)信號(hào)。
[0107] 可選的，處理器1201還用于執(zhí)行:判斷是否存在短時(shí)能量大于能量閾值和/或短時(shí) 平移差分大于差分閾值的信號(hào)幀。
[0108] 在本發(fā)明所提供的幾個(gè)實(shí)施方式中，應(yīng)該理解到，所揭露的方法以及設(shè)備，可以通 過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的設(shè)備實(shí)施方式僅僅是示意性的，例如，所述模塊或 單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元 或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。
[0109] 所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯 示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè) 網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式方案的 目的。
[0110] 另外，在本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可 以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。上述集成的 單元既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。
[0111] 上述其他實(shí)施方式中的集成的單元如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立 的產(chǎn)品銷(xiāo)售或使用時(shí)，可以存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。基于這樣的理解，本發(fā)明 的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說(shuō)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以 以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來(lái)，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用 以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備（可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）或處理器 (processor)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包 括：U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、只讀存儲(chǔ)器（R0M，Read_0nly Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤(pán)等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。
[0112] 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本 發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的 技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖振動(dòng)模型確定方法，其特征在于，包括： 獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)； 提取所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性； 將所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配； 在所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定所述振動(dòng)信號(hào)屬于所述預(yù)設(shè) 振動(dòng)模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻 譜特性進(jìn)行匹配，包括： 計(jì)算所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性之間的歐式距離； 判斷所述歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值； 若滿(mǎn)足，則確定所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述提取所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性，包括： 對(duì)所述振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理； 對(duì)歸一化處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)，包括： 將目標(biāo)光纖位置反射的光纖信號(hào)在時(shí)域上劃分為多個(gè)信號(hào)幀； 判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的所述信號(hào)幀； 若存在，則將連續(xù)的滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的信號(hào)幀確定為所述振動(dòng)信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述判斷是否存在振動(dòng)總強(qiáng)度或振動(dòng)變化 程度滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件的所述信號(hào)幀，包括： 判斷是否存在短時(shí)能量大于能量閾值和/或短時(shí)平移差分大于差分閾值的所述信號(hào) 幀。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)信號(hào)幀中，相鄰的兩個(gè)信號(hào)幀在 時(shí)間上部分重疊。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述光纖信號(hào)為拍頻信號(hào)，所述將目標(biāo)光 纖位置反射的光纖信號(hào)在時(shí)域上劃分為多個(gè)信號(hào)幀之前，還包括： 將光信號(hào)分為第一路光信號(hào)以及第二路光信號(hào)； 將所述第一路光信號(hào)調(diào)制放大后，通入光纖； 將所述第一路光信號(hào)在所述光纖中反射得到的反射光信號(hào)與所述第二路光信號(hào)進(jìn)行 耦合； 將耦合得到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以得到目標(biāo)光纖位置的所述拍頻信號(hào)。8. -種光纖振動(dòng)模型確定裝置，其特征在于，包括： 信號(hào)獲取模塊，用于獲取目標(biāo)光纖位置的振動(dòng)信號(hào)； 頻譜提取模塊，用于提取所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性； 匹配模塊，用于將所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性進(jìn)行匹配； 振動(dòng)模型確定模塊，用于在所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性匹配時(shí)，確定所 述振動(dòng)信號(hào)屬于所述預(yù)設(shè)振動(dòng)模型。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述匹配模塊包括： 計(jì)算單元，用于計(jì)算所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征與預(yù)設(shè)振動(dòng)模型的頻譜特性之間的歐式 距離； 判斷單元，用于判斷所述歐式距離是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值； 確定單元，用于在所述歐式距離滿(mǎn)足預(yù)設(shè)距離閾值時(shí)，確定所述頻譜特性與預(yù)設(shè)振動(dòng) 模型的頻譜特性匹配。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述頻譜提取模塊具體用于： 對(duì)所述振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理； 對(duì)歸一化處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，以獲得所述振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK105973451SQ201610301609
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月9日
【發(fā)明人】劉博宇, 魏照, 聶鑫, 魏嘉, 劉本剛, 李建彬, 宋善德
【申請(qǐng)人】深圳艾瑞斯通技術(shù)有限公司