CN109374116B - 地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，包括以下步骤：通过地埋式光纤传感振动探测单元获取光纤传感信号；滤除光纤传感信号的低频部分；计算滤波后的信号波动特征；当某探测单元的信号波动特征的值超过阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元分别进行单点分析，判断是挖掘行为还是其他干扰。本发明能够有效区分具有破坏性的挖掘行为和无破坏性的车行干扰，减少系统误报警。

Description

地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法。

背景技术

基于光纤传感振动探测技术的安防产品按照安装方式可以分为挂网及地埋两种，探测原理主要有基于光纤干涉仪技术、光纤光栅振动传感技术等类型。地埋式光纤安防产品以其隐蔽性好、抗环境干扰能力强等优点在一些无法安装实体物理围栏(网)或围墙的场景具有较为广阔的市场需求。主要应用场景有：油气管道防挖掘破坏、周界入侵探测等。

专利CN200910229192高压地埋长输电力电缆的安全实时监测方法，根据光纤调制锯齿波判断是否存在破坏行为，主要关注减少定位误差。专利CN201611096167一种周界预警光纤振动信号采集与去噪的方法，主要关注信号去噪，以提高信息处理质量。专利CN201710600261一种地埋电缆防误开挖预警装置，采用模间变换振动光纤传感器，需要使用多模光纤。以上技术主要关注系统是否探测到强烈振动，但没有关注所探测到的振动是否是真正具有威胁性的挖掘行为。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，对具有威胁性的外界规律性冲击(如人挖掘、机械挖掘等)作用，进行有效识别和预警。

为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：

提供一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，包括以下步骤：

通过地埋式光纤传感振动探测单元获取光纤传感信号；

滤除光纤传感信号的低频部分；

计算滤波后的信号波动特征；

当某探测单元的信号波动特征的值超过阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元分别进行单点分析，具体为：

计算该段信号峰的数量、激励数量、激励间隔时长、激励时间宽度；

计算峰的数量与激励数量的差值；

判断该差值是否小于等于第一预设值，若是，则为挖掘行为；若否，判断是否小于等于第二预设值，若否则为其他干扰，若是则计算激励间隔时长；

判断该激励间隔时长是否大于等于第三预设值，若否则为其他干扰；若是则计算激励时间宽度；

判断该激励时间宽度是否小于等于第四预设值，若否则为其他干扰；若是则为挖掘行为。

接上述技术方案，该方法还包括步骤：根据单点分析结果进行预警，具体为：

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到第二阈值，则发出“机械挖掘”预警；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到第二阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数没有超过第一阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低。

接上述技术方案，对于每段单点信号，自动计算此段信号的计算阈值T，信号的计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的光纤传感信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，底噪＝(信号中值+信号最小值)/2；

a3.计算阈值＝底噪+(信号最大值-底噪)*系数r，；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量，再将各个峰根据时间间隔进行合并，合并后称为激励。

接上述技术方案，系数r为0.3。

本发明还提供了一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别系统，包括：

信号获取模块，用于通过地埋式光纤传感振动探测单元获取光纤传感信号；

滤波模块，用于滤除光纤传感信号的低频部分；

信号波动特征计算模块，用于计算滤波后的信号波动特征；

单点分析模块，用于当某探测单元的信号波动特征的值超过阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元分别进行单点分析，具体为：

计算该段信号峰的数量、激励数量、激励间隔时长、激励时间宽度；

判断峰的数量与激励数量的差值是否小于等于第一预设值，若是，则为挖掘行为；若否，判断是否小于等于第二预设值，若否则为其他干扰，若是则计算激励间隔时长；

判断该激励间隔时长是否大于等于第三预设值，若否则为其他干扰；若是则计算激励时间宽度；

判断该激励时间宽度是否时域等于第四预设值，若否则为其他干扰；若是则为挖掘行为。

接上述技术方案，该系统还包括预警模块，用于根据单点分析模块的分析结果进行预警，具体为：

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到第二阈值，则发出“机械挖掘”预警；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到第二阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数没有超过第一阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低。

接上述技术方案，所述信号波动特征计算模块具体用于对于每段单点信号，自动计算此段信号的计算阈值T，计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的光纤传感信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，底噪＝(信号中值+信号最小值)/2；

a3.计算阈值＝底噪+(信号最大值-底噪)*系数r，；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量，再将各个峰根据时间间隔进行合并，合并后称为激励。

接上述技术方案，系数r为0.3。

本发明产生的有益效果是：本发明能够有效区分具有破坏性的挖掘行为和无破坏性的车行干扰，减少系统误报警。根据振动信号当前数值波动范围自动为各个探测单元计算并配置一个用于特征计算的数值，避免干涉衰落对信号分析的影响，减少系统漏报警。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例地埋式光纤传感振动探测系统结构示意图；

图2是本发明实施例的单点信号挖掘判断流程；

图3是本发明实施例的人工挖掘信号单点分析过程；

图4是本发明实施例的机械挖掘信号单点分析过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法中，根据光纤探测到的振动信号的当前数值波动范围自动为各个-探测位置计算并配置一个用于特征计算的数值，避免干涉衰落对信号分析的影响，提供一种针对挖掘行为的报警方法。

如图1所示，为地埋式光纤传感振动探测系统结构示意图，包括沿布防区域20边界设置的探测光缆10，探测光缆10中设置有传感光纤；探测光缆一端(起始端)连接中控室的监测主机，探测光缆的另一末端11不用连接。监测主机包括强相干光源和光探测器，强相干光作为入射光脉冲从传感光纤的入射端注入，光探测器探测到的后向散射信号是传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；监测主机实时监测后向散射信号的变化，根据后向散射信号的光强变化，判断布防区域边界发生振动的强度；根据入射光脉冲和后向散射信号之间的时间延迟，判断振动发生的位置。

信号处理方法步骤如下：

1)滤除振动信号(即光纤传感信号)的低频部分；

2)计算滤波后信号的信号波动特征(下文中的特征1的信号波动，滤波信号取绝对值，信号波动＝信号最大值/信号最小值)；

3)当某探测单元的信号波动超过波动特征阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元进行识别分析；

4)识别分析步骤：

a.对于每个探测点的信号，自动计算这个探测点在此时间段的计算阈值T，用于计算其他特征；

信号的计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，计算方式：(此时间段信号数值的中值+此时间段信号数值的最小值)/2；

a3.计算阈值＝底噪+(此时间段信号数值的最大值-底噪)*系数r；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量，再将各个峰根据时间间隔进行合并(即：当两个峰的时间间隔较小，则合并到一次激励中)，合并后称为激励；

c.计算此段信号的以下特征：激励数量、激励间隔时长、激励时间宽度；

d.根据计算得到的特征，进行挖掘和其他干扰的模式判断；

5)区域判断步骤：

a.将判断出挖掘事件的邻近探测单元进行合并，认为是同一挖掘事件；

b.若某一挖掘事件的影响范围超过对应阈值，且在此影响范围内同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到对应阈值，则发出“机械挖掘”预警；

c.若某一挖掘事件的影响范围超过对应阈值，且在此影响范围内同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到对应阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

d.若某一挖掘事件的影响范围没有超过对应阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低；

特征1：信号波动

滤波信号取绝对值。信号波动＝信号最大值/信号最小值。

特征2：峰的数量

利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量。

特征3：激励数量

峰合并为激励后，统计此段信号的激励个数。

特征4：激励间隔时长

峰合并为激励后，统计此段信号的各个相邻激励之间的时间间隔最小值。

特征5：激励时间宽度

峰合并为激励后，统计此段信号的各个激励持续时长的最大值。

本发明的一个具体实施例中，系统解调仪表采样率为500Hz，最大探测距离为50km，分辨单元为10m(即，每个探测单元包含的范围为10m，光纤沿线，被划分为每10m一段，一段称为一个探测单元)。

信号处理方法步骤如下：

1)滤除信号的低频部分；

2)计算滤波后信号的信号波动特征(特征1)；

3)当某探测单元的信号波动超过阈值4，则对这个探测单元和其邻近±5个探测单元分别进行单点分析；

4)单点分析步骤：

a.对于每段单点信号，自动计算此段信号的计算阈值T，用于计算其他特征，采用此计算方式可以避免偏振衰落的影响，在信号数值范围发生缓变的情况下，能够根据信号的实时状态，进行有效的分析判断；

信号的计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，计算方式：(信号中值+信号最小值)/2；

a3.计算阈值＝底噪+(最大值-底噪)*系数r，此处系数r取0.3；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量(特征2)，再将各个峰根据时间间隔进行合并，合并后称为激励；

c.计算此段信号的以下特征：激励数量(特征3)、激励间隔时长(特征4)、激励时间宽度(特征5)；

d.根据计算得到的特征，进行挖掘和其他干扰的模式判断，模式判断方式如图2所示；

包括以下步骤：

d1.计算峰的数量与激励数量的差值。判断该差值是否小于等于第一预设值(由于挖掘产生的振动是具有规律性的，因此，对于挖掘波形，峰的数量与激励数量应当相近，建议值：0-2，而对于其他干扰，峰的数量与激励数量相差则较大)，若是，则为挖掘行为；若否，进入步骤d2；

d2.判断峰的数量与激励数量的差值是否小于等于第二预设值(相对于第一预设值较为宽松，建议值：10-20)，若否则为其他干扰，若是则计算激励间隔时长，进入步骤d3；

d3.判断激励间隔时长是否大于等于第三预设值(挖掘行为的每次冲击之间是有一定间隔的，建议值：0.6-2秒，而对于其他干扰，这个间隔时长较小)，若否则为其他干扰；若是则计算激励时间宽度，进入步骤d4；

d4.判断激励时间宽度是否小于等于第四预设值(挖掘行为的每次冲击时间是有一定宽度的，建议值：0.1-1秒，而对于其他干扰，这个冲击宽度较大)，若否则为其他干扰；若是则为挖掘行为。

5)区域判断步骤(根据区域中出现的干扰事件数量和区域影响范围，判断是否为机械挖掘；若不满足机械挖掘条件，则认为是人工挖掘，此时再根据区域影响范围决定人工挖掘的预警级别)：

a.将判断出挖掘事件的邻近探测单元(±5个探测单元，即±50m)进行合并，认为是同一挖掘事件；

b.若某一挖掘事件的影响范围超过5个探测单元(即50m)，且在此影响范围内同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到10次，则发出“机械挖掘”预警；

c.若某一挖掘事件的影响范围超过5个探测单元，且在此影响范围内同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到10次，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

d.若某一挖掘事件的影响范围没有超过5个探测单元，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低。

如图3和图4所示，分别为人工挖掘信号和机械挖掘信号的时域波形和分析结果。系统对人工挖掘和机械挖掘的情形均能准确判断和定位。基于本发明的地埋式振动探测安防系统，能够及时准确的探测到挖掘破坏事件的发生，并提供预警信息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过地埋式光纤传感振动探测单元获取光纤传感信号；

滤除光纤传感信号的低频部分；

计算滤波后的信号波动特征；

当某探测单元的信号波动特征的值超过阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元分别进行单点分析，具体为：

计算该段信号峰的数量、激励数量、激励间隔时长、激励时间宽度；

计算峰的数量与激励数量的差值；

判断该差值是否小于等于第一预设值，若是，则为挖掘行为；若否，判断是否小于等于第二预设值，若否则为其他干扰，若是则计算激励间隔时长；

判断该激励间隔时长是否大于等于第三预设值，若否则为其他干扰；若是则计算激励时间宽度；

判断该激励时间宽度是否小于等于第四预设值，若否则为其他干扰；若是则为挖掘行为。

2.根据权利要求1所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，其特征在于，该方法还包括步骤：根据单点分析结果进行预警，具体为：

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到第二阈值，则发出“机械挖掘”预警；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到第二阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数没有超过第一阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低。

3.根据权利要求1所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，其特征在于，对于每段单点信号，自动计算此段信号的计算阈值T，信号的计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的光纤传感信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，底噪=(信号中值+信号最小值)/2；

a3.计算阈值=底噪+(信号最大值-底噪)*系数r；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量，再将各个峰根据时间间隔进行合并，合并后称为激励。

4.根据权利要求3所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别方法，其特征在于，系数r为0.3。

5.一种地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别系统，其特征在于，包括：

信号获取模块，用于通过地埋式光纤传感振动探测单元获取光纤传感信号；

滤波模块，用于滤除光纤传感信号的低频部分；

信号波动特征计算模块，用于计算滤波后的信号波动特征；

单点分析模块，用于当某探测单元的信号波动特征的值超过阈值，则对这个探测单元和其邻近探测单元分别进行单点分析，具体为：

计算该段信号峰的数量、激励数量、激励间隔时长、激励时间宽度；

判断峰的数量与激励数量的差值是否小于等于第一预设值，若是，则为挖掘行为；若否，判断是否小于等于第二预设值，若否则为其他干扰，若是则计算激励间隔时长；

判断该激励间隔时长是否大于等于第三预设值，若否则为其他干扰；若是则计算激励时间宽度；

判断该激励时间宽度是否时域等于第四预设值，若否则为其他干扰；若是则为挖掘行为。

6.根据权利要求5所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别系统，其特征在于，该系统还包括预警模块，用于根据单点分析模块的分析结果进行预警，具体为：

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量达到第二阈值，则发出“机械挖掘”预警；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数超过第一阈值，且同时出现的“其他干扰”事件判断的数量没有达到第二阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：高；

若某一挖掘事件影响探测单元的个数没有超过第一阈值，则发出“人工挖掘”预警，预警级别：低。

7.根据权利要求5所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别系统，其特征在于，所述信号波动特征计算模块具体用于对于每段单点信号，自动计算此段信号的计算阈值T，计算阈值T的计算方式：

a1.实时输入的光纤传感信号，取绝对值；

a2.计算实时输入信号的底噪，底噪=(信号中值+信号最小值)/2；

a3.计算阈值=底噪+(信号最大值-底噪)*系数r；

b.利用寻峰算法进行寻峰，找到超过计算阈值T的各个峰，统计峰的数量，再将各个峰根据时间间隔进行合并，合并后称为激励。

8.根据权利要求7所述的地埋式光纤传感振动探测系统的挖掘行为识别系统，其特征在于，系数r为0.3。

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