CN104008622B - 基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法 - Google Patents

Abstract

基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法，通过窗函数法将带有扰动及噪声的信号截取成短时的信息帧，计算出每一帧的短时能量比和过零率，分别找出短时能量比和过零率的满足一定门限的信息，再将其进行综合判定，找出同时满足两者的最佳端点值。基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法是将改进的短时能量法和短时过零率法结合起来以检测到更加准确的端点的一种技术，进而提取出有效的扰动信息，既达到节省时间、内存，又达到提高定位精度的目的。

Description

基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法

技术领域

本发明属于传感及检测技术领域，特别应用在光纤周界安防定位系统中，用于检测有效信号的端点。光纤周界安防定位系统是利用干涉型分布式光纤作为传感介质的一种传感系统。

背景技术

随着人类社会的不断进步和科技水平的飞速发展，安全监测越来越受到重视，不论是电力、水利、石化等关系国计民生的领域，还是营区、机场、监狱等安全性要求较高的领域，周界安全监测都得到了非常广泛的应用。随着周界安防系统的逐渐增多，监测的定位精度就随之成为了人们更加关注的对象。

以往的光纤周界安防定位系统算法是将周界扰动信号传人计算机内直接进行定位及模式识别的处理。由于系统在信号检测过程中，检测到的有用的目的信号往往只占很小的比例，大部分时间接收到的都是没有价值的静默信号，因此对所有的信号进行处理是在做无用功，浪费了大量的时间和内存，同时由于传感光纤一般布设于室外，很容易受到环境的影响，如风雨等，这些噪声会对信号产生一定的干扰，对后续的计算也会产生一定的误差。因此对信号进行一些预处理，在一定程度上屏蔽噪声的干扰对整个系统的精确度会有很大的提高。

发明内容

本发明的目的是为了减少无用的计算量并节省时间及内存而对信号进行有效提取，提供一种基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法。本发明对语音信号处理中常用的短时能量和短时过零率法进行改进，有效的滤除无用信号，并在一定程度上排除自然界产生的一些干扰，从而提高周界安防定位系统的效率及精度。

本发明的技术方案

基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统端点检测方法，该方法的具体步骤如下：

第1．取一段扰动光纤信号，利用带通滤波器将其滤波去噪，得到信号；

第2．将滤波之后的信号利用窗函数进行分帧处理，形成加窗信号，其中为矩形窗函数，表达式如下：，N为窗函数；

第3．按照短时能量的定义计算每帧信号的短时能量；为了消除各信号之间幅度差异带来的能量差异，将短时能量除上各帧短时能量的平均值作为端点检测的参考信号，即,作为短时能量比；

第4．找到短时能量比的最大值对应的索引，即为；

第5．将第1步滤波之后的信号进行降采样处理；

第6．利用第2步矩形窗函数对第5步降采样之后的信号分帧处理；

第7．按照短时过零率的计算方法对第6步分帧处理后的信号计算短时过零率，找出短时过零率的最大值，记为，其中m表示窗起点，N表示窗长度，sgn是对点的数值求符号的函数；

第8．将短时能量比和短时过零率的最大值取平均，并按照下述公式计算出平均值对应的那帧数据的起始点，即为扰动信号的端点。

计算周界安防系统扰动信号端点的流程图如图2。

本发明的原理

1.周界安防定位系统的基本原理

分布式光纤扰动定位系统如图1所示，该系统基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪原理，利用光缆中的两条单模光纤构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的两个测试光纤来感应光缆周围的扰动信号。

由图1可知，光由激光器发出后，经耦合器C1后被分成1:1的两束光，这两束光分别经过环形器C2和C3后从干涉臂两端的耦合器C4和C5进入传感环路中并沿相反的两个方向传输，在对端的耦合器处发生干涉并输出到探测器D1和D2上。探测器PD1和PD2把光信号转化成电信号，经隔直后由高速采集卡采集到计算机中进行下一步信号处理。传感光缆的P处受到扰动，则由于扰动位置到传感光缆两端距离的不同，导致相干光波到达探测器的时间有一定的延迟，沿逆时针方向传播的光波到达探测器PD1的时间为：

沿顺时针方向传播的光波到达探测器PD2的时间为：

式中，L₁为扰动点距离探测器PD1的距离，L是光纤总长度，n是光纤折射率，c是光在真空中的速度（）。

由此可计算出扰动点位置公式：

2.短时能量和短时过零率的原理分析

1）短时能量法原理分析

周界安防系统采集到的信号进行分帧处理，由于安防系统需检测攀爬及走路信号，其动作持续时间长于语音中各单词信号，参考语音信号处理帧长，设定周界安防系统帧长设定为300ms。取出的一帧周界安防定位系统输出信号，经过带通滤波去掉一些噪声得到信号，然后对其经过加窗处理得到小段信号用来求取短时能量，即用一定的窗函数来乘，从而形成加窗信号。以矩形窗函数作为窗函数为例，表达式如下（其中N为窗长度）：

短时能量可定义为：

式中：m表示窗起点，N表示窗长度，为加窗信号。

光纤在无扰动情况下的信号可称之为静默信号段，有扰动的信号段的短时能量要明显高于静默信号段。为了消除各信号之间幅度差异带来的能量差异，将短时能量除上各帧短时能量的平均值作为端点检测的参考信号，即,作为短时能量比，如此便消除了信号幅度带来的差异，使该方法更具有普遍性。

对短时能量比设定一定的门限，经过大量实验，门限值取4时效果最好。将高于这个门限的信号片段视为扰动信号，其他为噪声信号或干扰信号等，即可得到扰动信号的端点。

2）短时过零率法原理分析

短时过零率法截取信号利用的是静默信号或噪音信号在频率上与目的信号的区别，通过数值上的区别将后者从无用信号中截取出来。

短时过零率计算方法如下：

式中，m表示窗的起点，N表示窗长度，sgn是对点的数值求符号的函数。

同样对短时过零率设定一定的门限，经过实验，门限值取18时效果最好。将高于这个门限的信号片段视为扰动信号，其他为噪声信号或干扰信号等，即可得到扰动信号的端点。

3.短时能量法与过零率法相结合的端点检测原理

经过滤波处理后的信号，有时会出现有微小扰动的现象，如图3，这样的信号对过零率会有严重的影响，于是采用降采样的方法，可以削弱微小振动的势力，对于10M的频率和0.3s数据设定采样率为1000；同时，也将原始的短时过零率算法推广，使其不仅过“零”，振动幅度还要过一定的阈值才认为是大的振动，经过大量实验，门限值取0.3时效果最好。利用这两种方法可解除微小振动的干扰。

利用短时能量法和改进的短时过零率两种方法单独截取的信号片段图（图5和图7）可以看出，在噪声较小的环境中，过零率的误差较大，而在噪声较大的环境中，能量块误差比较大，所以，这里介绍一种新的方法，将两种方法结合到一块，使检测到的端点更加精确。

从短时能量比波形和过零率波形可以看出，扰动点位置附近的那帧数据的幅值急剧增大，几近垂直，所以取短时能量比和过零率达到最大值的那帧数据的起始点作为扰动信号的端点，综合两种方法，取两种方法的最大值的平均值记为综合最大值。由此算出此帧数据的起始点记为扰动的端点，具体计算公式如下：

式中，m为扰动端点，是短时能量比最大值的索引，是短时过零率最大值的索引，N为短时能量分帧的窗长度，d为帧移。

本发明的优点和有益结果

本发明提出了一种结合短时能量和过零率提取光纤周界安防定位系统扰动端点的算法。如果用采集到的信号全部利用相关的算法进行定位，计算量不仅大而且是在做徒劳工作，用单独的某一种方法提取的端点也不是很精确，所以提出一种两种方法相结合的算法，不仅保证了提取的端点的准确性，也提高了精确度。进而也可以提高整个系统的效率及定位精度。

附图说明

图1分布式光纤扰动定位系统；

图2计算扰动信号端点流程图；

图3一段扰动信号波形图；

图4原始波形图去噪后的波形图；

图5扰动信号的短时能量比图；

图6利用短时能量法截取的信号片段；

图7扰动信号的短时过零率波形图；

图8利用短时过零率截取的信号片段；

图9利用短时能量及过零率相结合截取的信号片段。

具体实施方式

实施例1：基于短时能量和过零率的光纤周界安防系统扰动信号的端点检测方法

搭建如图1所示的定位分布式光纤扰动定位系统，在提前量好的反方向1050m处敲击光缆，该系统中的光电探测器将光纤中的扰动光信号变成电信号，获取包含扰动信号的0.3s信号进行处理。具体处理步骤如下：

1．获取一段300ms信号波形图如图3所示。利用带通滤波器将其滤波去噪得到的信号如图4所示。

2．利用窗函数将这段滤波后的信号分帧处理，用短时能量法得到每帧信号相应的短时能量比，如图5所示。

3．扰动信号的能量比要明显高于噪声信号，从从图中可以看出，噪声信号的短时能量比均小于4，所以对短时能量比设定门限为4，将短时能量比高于这个门限的采样点作为目的信号，可截取出对应1582600~1706000采样点数的一段信号，如图6所示。

4．将滤波后的信号进行降采样处理，取采样率为1000，将得到的信号分帧，帧长为100，认为振动幅度大于0.3才算振动，统计出过零率，如图7所示。

5．扰动信号的过零率明显高于微小振动的过零率，从图中可以看出，噪声信号的短时过零率均小于18，所以设定短时过零率门限为18，将短时过零率高于这个门限的信号作为目的信号，可截取出对应1540000~1720000采样点数的一段信号，如图8所示。

6．分别找到短时能量比和过零率的最大值，取平均，计算出这帧数据的起始点，即为扰动信号的端点。截取之后的波形图如图9所示，对应的采样点数为1597300~1705000。从图形上看，图9的截取效果明显好于图6和图8，可得到可信度较高的扰动起始点1597300，即为扰动信号的端点。用这段可信度较高的信号进行定位，得到的定位值为-1040m，与实际值仅相差10m，而用单一的短时能量法提取的信号进行定位，得到的定位值为-1030，用单一的短时过零率法提取的信号进行定位，得到的定位值为-990，与实际值相差均较大，所以可以认为基于短时能量和过零率相结合的方法进行定位，定位值更精确。

Claims (1)

1.基于短时能量和过零率的光纤周界安防定位系统端点检测方法，该法将短时能量和过零率两种方法进行结合，对干涉仪产生的两路信号进行扰动点检测，提取出更加精确的扰动点，具体计算步骤如下：

第1.取一段扰动光纤信号s(n)，利用带通滤波器滤波去噪，得到信号s_d(n)；

第2.将滤波之后的信号利用窗函数进行分帧处理，形成加窗信号s_w(n)＝s_d(n)·w(n)，其中w(n)为矩形窗函数，表达式如下：N为窗长度；

第3.按照短时能量的定义计算每帧信号的短时能量；

为了消除各信号之间幅度差异带来的能量差异，将短时能量除上各帧短时能量的平均值作为端点检测的参考信号，即作为短时能量比；

第4.将第1步滤波之后的信号进行降采样处理；

第5.利用第2步所述的矩形窗函数w(n)对第4步降采样之后的信号分帧处理；

第6.按照短时过零率的计算方法对第5步分帧处理后的信号计算短时过零率，其中m表示窗起点，N表示窗长度，sgn是对点的数值求符号的函数；

其特征在于，该方法还包括：

第7.找出短时过零率的最大值，记为Max_Z，

第8.找到短时能量比的最大值对应的索引，即为Max_E；

第9.将短时能量比和短时过零率的最大值取平均，并按照下述公式m＝[|Max_E-Max_Z|/2-1]×N×(1-d)计算出平均值对应的那帧数据的起始点，即为扰动信号的端点，其中，d为帧移。