一種光纖傳感振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模式識(shí)別技術(shù)，尤其涉及光纖傳感系統(tǒng)的一種光纖傳感振動(dòng)信號(hào)的識(shí) 別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感系統(tǒng)，采用光纜作為傳感傳輸二合一器件，通過對(duì)直接觸碰光纜或通過 承載物，如覆土、鐵絲網(wǎng)、圍欄等，傳遞給光纜的各種振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行持續(xù)和實(shí)時(shí) 的監(jiān)控，采集擾動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過后端分析處理和智能識(shí)別，判斷出不同的外部干擾類型，如攀 爬鐵絲網(wǎng)、圍墻，設(shè)防區(qū)域的行走，挖洞開墻，以及可能威脅光纜承載物的破壞等，排除外部 干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警或?qū)崟r(shí)告警，達(dá)到對(duì)侵入設(shè)防區(qū)域周界、以及內(nèi)部核心區(qū)域的威脅 行為進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)的目的。光纖傳感系統(tǒng)作為一種新型的安全防范設(shè)備，符合當(dāng)今民用和 軍用安防需求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)安防手段的不足，可以替代或結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)備的使用，提高傳統(tǒng)安 防系統(tǒng)的靈敏度和擴(kuò)大防御范圍。
[0003] 當(dāng)前的光纖傳感系統(tǒng)的缺陷如下：許多此類系統(tǒng)并沒有對(duì)外部擾動(dòng)事件識(shí)別判斷 的方法，或者只是通過簡單的指標(biāo)（如振幅、能量、頻譜等）進(jìn)行篩選。某些光纖傳感系統(tǒng) 嘗試引用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行外部擾動(dòng)事件類型的識(shí)別，但是所采用的模式識(shí)別技術(shù)需要采 集大量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)施困難，而且識(shí)別準(zhǔn)確率低?？傊F(xiàn)有的光纖傳感系統(tǒng)缺少對(duì) 外部擾動(dòng)事件準(zhǔn)確識(shí)別、降低誤報(bào)率的光纖傳感振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有光纖傳感系統(tǒng)擾動(dòng)事件識(shí)別準(zhǔn)確率低、訓(xùn)練過程 長、樣本需求量大等缺點(diǎn)，提出了類似于語音識(shí)別技術(shù)的一種光纖傳感振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別方 法，該方法利用了光纖傳感系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)作為一種音頻信號(hào)的特點(diǎn)，采用單個(gè)事件作為訓(xùn) 練樣本，具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率，同時(shí)只需要很少的訓(xùn)練樣本即可完成常見入侵事件的模 式訓(xùn)練。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的光纖傳感振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別方法具體步驟如下：
[0006] 步驟1 :信號(hào)獲取
[0007] 光纖傳感系統(tǒng)的光纜在受到外力作用時(shí)，光纜中傳輸?shù)墓庑盘?hào)會(huì)發(fā)生相位的變 化，不同位置光纖的光信號(hào)在系統(tǒng)終端處發(fā)生干涉，由于振動(dòng)引起的相位差的存在，使得干 涉后信號(hào)發(fā)生變化，通過光電探頭將干涉后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，光纖傳感系統(tǒng)獲得 的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)后，再通過AD采樣得到相應(yīng)的離散數(shù)字信號(hào)s (η)，η為采樣點(diǎn) 數(shù)；
[0008] 步驟2:加窗分幀
[0009] 為了方便后期處理，對(duì)信號(hào)s(n)進(jìn)行分幀，為了消除吉布斯現(xiàn)象，分幀的同時(shí)還 對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理。對(duì)步驟1獲取的數(shù)字信號(hào)s (η)進(jìn)行加窗分幀處理，得到第k幀的加 窗信號(hào)Sk (η)，其計(jì)算公式如下：
[0010] sk (η) = s (n+kd) w (η), 0 =? η =? d-1
[0011]
[0012] 式中w(n)為窗函數(shù)，d為窗口寬度，fm為信號(hào)采樣頻率，k為帖數(shù)。
[0013] 步驟3 :短時(shí)能量計(jì)算
[0014] 為了后期擾動(dòng)信號(hào)的提取，將時(shí)域信號(hào)S(n)轉(zhuǎn)換成短時(shí)能量信號(hào)e(k)，本步驟計(jì) 算步驟2所得每一幀加窗分幀信號(hào)Sk (η)的能量，得到第k幀的能量信號(hào)e (k)。
[0015]
[0016] 步驟4 :滑動(dòng)平均處理
[0017] 系統(tǒng)固有的或外在的非持續(xù)干擾，即噪聲或外界突發(fā)的短時(shí)非人為擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生 非常短暫的脈沖現(xiàn)象，影響真實(shí)擾動(dòng)事件的提取。為使能量信號(hào)在短時(shí)脈沖的干擾下仍 表現(xiàn)平滑，對(duì)對(duì)步驟3所得能量信號(hào)e(k)做平滑處理，得到滑動(dòng)平均處理后的能量信號(hào) e'（k)，即當(dāng)前的短時(shí)能量值等于前N個(gè)能量值的均值，N為滑動(dòng)平均的窗口長度，滑動(dòng)平均 處理后的能量信號(hào)計(jì)算公式如下：
[0018]
[0019] i為窗口幀的計(jì)數(shù)參數(shù)。
[0020] 步驟5 :擾動(dòng)事件提取
[0021] 步驟4得到的滑動(dòng)平均處理后的能量信號(hào)e'（k)與動(dòng)態(tài)閾值Thl和Th2比較， 當(dāng)e'（p)超過Thl時(shí)，開始截取對(duì)應(yīng)的幀信號(hào) Sp (η)，當(dāng)e'（q)低于Th2時(shí)，結(jié)束對(duì)應(yīng)的幀 信號(hào)s>)截取，所截取的P到q幀連續(xù)信號(hào)s>)，sP+1 (n)，. . .，s>)即作為擾動(dòng)事件信 號(hào)s_nt(η)，稱為事件信號(hào)，用于后續(xù)步驟識(shí)別。若沒有得到超過動(dòng)態(tài)閾值Thl的能量信號(hào) e'（k)，即無事件被截取，則認(rèn)為無擾動(dòng)事件發(fā)生，返回步驟1重新開始。
[0022] 利用動(dòng)態(tài)閾值對(duì)事件進(jìn)行提取能夠?qū)崟r(shí)跟蹤信號(hào)的噪聲水平，克服固定閾值容易 受噪聲干擾而錯(cuò)誤截取事件的缺點(diǎn)，同時(shí)使用兩個(gè)動(dòng)態(tài)閾值截取事件能夠自適應(yīng)地獲取擾 動(dòng)事件的長度，準(zhǔn)確地找到事件的起始端和結(jié)束端，克服固定長度截取事件所造成的事件 割裂或帶入噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。
[0023] 選擇前M個(gè)非事件幀能量值來計(jì)算動(dòng)態(tài)閾值，計(jì)算公式如下：
[0024]
[0025] 其中δ等于1或2, ii為非事件幀的計(jì)數(shù)參數(shù)，σ為M個(gè)非事件幀能量值的標(biāo)準(zhǔn) 差，Zs為調(diào)整系數(shù),取值范圍為3 < Zs < 6，且thl > th2。
[0026] 步驟6 :提取擾動(dòng)事件MFCC參數(shù)
[0027] MFCC 為 Mel 頻率倒譜系數(shù)（Mel Frequency Cepstrum Coeff icient 的縮寫）。Mel 頻率是基于人耳聽覺特性提出來的，它與Hz頻率成非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。Mel頻率倒譜系數(shù) (MFCC)則是利用它們之間的這種關(guān)系，計(jì)算得到的Hz頻譜特征。MFCC與實(shí)際頻率倒譜分 析不同，其分析著眼于人耳的聽覺特性，本發(fā)明借鑒語音識(shí)別中人耳能對(duì)不同聲音的區(qū)分 這一特性，提取步驟5所得擾動(dòng)事件信號(hào)s event(n)的MFCC構(gòu)成事件信號(hào)的特征向量集，用 于模式訓(xùn)練和事件識(shí)別，因?yàn)閿_動(dòng)事件本質(zhì)上也是一種振動(dòng)引發(fā)的音頻信號(hào)。Mel頻率與實(shí) 際頻率的具體關(guān)系表TJK如下：
[0028] Mel (f) = 25951g(l+f/700)
[0029] MFCC的提取是成熟技術(shù)，具體步驟如下：
[0030] 步驟6. 1 :求Mel頻率
[0031] 對(duì)步驟5得到的擾動(dòng)事件Sf3rent(Ii)的每一幀信號(hào){sk(n), k = P, p+1, . . .，q}進(jìn)行 傅里葉變換，得到單幀信號(hào)的實(shí)際幅度譜I Sk (η) I，將幅度譜帶入Mel頻率轉(zhuǎn)換公式得到相 應(yīng)的Mel頻率
[0032] Snel (n) = 25951g(l+|Sk(n) |/700)
[0033] 步驟6. 2 :配置Mel濾波器組
[0034] 在Mel頻率軸上配置L個(gè)通道的Mel濾波器組，L的個(gè)數(shù)由事件信號(hào)的截止頻率 決定，即
[0035]
[0036] 其中L」表示向下取整，fn為信號(hào)采樣頻率，優(yōu)選13個(gè)通道。
[0037] 每一個(gè)Mel濾波器的中心頻率c(l)在Mel頻率軸上等間隔分配。設(shè)〇(1)，c(l) 和h(l)分別是第1個(gè)Mel濾波器的下限頻率、中心頻率和上限頻率，相鄰Mel濾波器之間 的下限頻率、中心頻率和上限頻率有如下關(guān)系成立
[0038] c (I) = h (1-1) = 〇 (1+1)
[0039] 步驟6. 3 :求各Mel濾波器的Mel頻率輸出
[0040] 根據(jù)事件信號(hào)每幀的幅度譜I Sk (η) I求出每個(gè)Mel濾波器的Mel頻率輸出
[0041]
[0042]
[0043] 其中W1 (η)為單個(gè)Me 1濾波器。
[0044] 步驟6. 4 :求擾動(dòng)事件的MFCC參數(shù)
[0045] 對(duì)所有濾波器的輸出m(l)作對(duì)數(shù)運(yùn)算，再進(jìn)一步做離散余弦變換（DCT)即可得到 擾動(dòng)事件的MFCC參數(shù)
[0046]
[0047] 其中d為分幀信號(hào)的長度，即加窗信號(hào)的窗口寬度。
[0048] 因此一個(gè)包含q-p+1幀信號(hào)的擾動(dòng)事件，其MFCC特征向量集可表示為T = {Xl，i =1，2, · · ·，q-p+1}，其中 Xi 為 L 維向量，即 Xi = {cmfcc(j), j = 1，2, · · ·，L}。
[0049] 所述步驟6. 2中的Mel濾波器可以選擇三角形濾波器、正弦濾波器和矩形濾波