CN107067608B - 一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，采集振动数据，计算振动数据的幅度均值，通过比较振动数据的幅度均值与全局阈值的大小，判定是否为大范围环境扰动引起的信号；通过比较振动数据与入侵数据的幅度阈值T₁的大小，判定是否为振动信号，截取振动信号的振动数据前后一定长度的波形数据；将截取的波形数据进行片段划分，计算每个片段振动能量并进行平滑，通过比较片段振动能量连续超过片段振动能量阈值的片段个数与片段个数阈值的大小，判断是否为有效振动波形。本发明采用三级阈值进行判定，防止环境原因导致的误报，减少运算数据量，有效缩短处理时间，提高了光纤周界入侵监测仪器的定位精度。

Description

一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法。

背景技术

MZ光纤周界入侵监测仪器基于Mach-Zehnder干涉原理，利用光纤光缆探测外界振动并判别非法入侵，抗电磁干扰强、可实现对周界入侵导致的振动的长距离实时监测及定位。作为周界安防系统的关键技术，入侵的实时精准定位是周界探测预警系统的主要研究方向之一。实际应用中，监控环境恶劣，存在大范围、高强度噪声影响，同时信号实施采集进入MZ光纤周界入侵监测仪器，如果对所有的输入信号都进行一系列的运算处理，MZ光纤周界入侵监测仪器必然无法满足实时性的要求，微小的延迟也将不断的积累，最终导致MZ光纤周界入侵监测仪器失效；同时噪声信号进入定位运算也会导致MZ光纤周界入侵监测仪器的定位精度低的缺点。目前MZ光纤周界入侵监测仪器的入侵信号处理过程中方法比较单一，多针对单一情况进行处理，适应性差，实时性差、定位精度不高，不能满足光纤围栏周界入侵实时精准监控的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种三级阈值判定的有效振动波形截取方法，与传统方法相比，该方法环境适应性强、实时性高、定位精度高。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，包括以下步骤：

步骤一：采集光纤周界入侵监测仪器的振动数据，存储在全局缓冲池Ⅰ中；

步骤二：计算全局缓冲池Ⅰ中振动数据的幅度均值，通过比较振动数据的幅度均值与全局阈值的大小，判定是否为大范围环境扰动引起的信号，若为大范围环境扰动引起的信号，则不进行后续操作；若不为大范围环境扰动引起的信号，则进入步骤三；

步骤三：通过比较振动数据与入侵数据的幅度阈值T₁的大小，判定是否为振动信号，若不为振动信号，则不进行后续操作；若为振动信号，则截取该振动数据前后一定长度的波形数据，并存储在缓冲池Ⅱ中；

步骤四：将缓冲池Ⅱ中波形数据进行片段划分，计算每个片段振动能量，对片段振动能量进行平滑，通过比较片段振动能量连续超过片段振动能量阈值的片段个数与片段个数阈值的大小，判断是否为有效振动波形，若为有效振动波形，截取有效振动波形到缓冲池Ⅲ中，并输出给光纤周界入侵监测仪器。

进一步的，所述步骤二中，振动数据的幅度均值的具体计算方法为：对全局缓冲池Ⅰ中的振动数据进行抽点，从第一个点开始每隔a个点抽取一个点，然后计算所有抽取点的幅值的平均值，计算公式为：

其中，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数；G/a为抽取点的个数，x[i]为抽取点的幅值，X为抽取点幅值的平均值，用该抽取点幅值的平均值代表全局缓冲池Ⅰ中振动数据的幅度均值。

进一步的，所述步骤二中，如果振动数据的幅度均值大于全局阈值，则判定为大环境扰动引起的信号；如果振动数据的幅度均值不大于全局阈值，则不为大环境扰动引起的信号。

进一步的，所述步骤三的具体方法为：比较全局缓冲池Ⅰ中的振动数据幅值x₀[i]与幅度阈值T₁的大小，若x₀[i]＜T₁，则x₀[i]不为振动信号，继续向后判断；若x₀[i]≥T₁，则x₀[i]为振动信号，截取x₀[i]前后长度为M的波形数据y[j]，其中，j＝1,2,….,M，并将该波形数据y[j]存储到缓冲池Ⅱ中。

进一步的，M为振动数据入侵持续时间大于0.2秒的振动数据点数。

进一步的，全局缓冲池Ⅰ中待截取的振动数据的下标取值范围为：max(1,i-α*M)～min(G,i+(1-α)*M)，其中，i＝1,2，…G，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数；α为取i左侧值的占比，取值范围为(0，1)，为经验值；M为截取数据长度，截取x₀[i]前后长度为M的波形数据。

进一步的，所述步骤四的具体方法为：

(1)分段计算数据振动能量；调用线程对全局缓冲池Ⅱ中波形数据y[j]进行处理，数据长度为M；首先，将波形数据y[j]进行等长分段，得到N段数据，每段数据点个数C＝M/N；然后计算分段数据的振动能量A[i]，计算公式为：

其中，A[i]为波形数据y[j]中下标从从(i-1)*C+1到i*C之间的共C个数据的绝对值之和，代表此分段的振动能量值；

(2)对分段数据的振动能量A[i]进行平滑处理，计算公式为：

其中，n为振动能量A[i]中下标从max(1，i-k)到min(N,i+k)的数据点个数；A[i]代表的是分段数据的振动能量；k为以i段为中心，左右相邻的k个数据段；B[i]为振动能量A[i]中数据点平滑值；

(3)寻找大于振动能量阈值的数据片段；从B[i]始端开始向后遍历，寻找大于能量阈值ET的数据片段，即B[a]≥ET，并记录大于能量阈值ET的数据片段的位置下标为a，以a为起点，向后遍历，直至寻找到第一个小于能量阈值ET的数据片段，即B[b]＜ET，记录该小于能量阈值ET的数据片段的位置下标为b，如果遍历到数据结束尚未找到满足条件的数据片段，则b赋值为N+1，则连续大于振动能量阈值ET的数据片段的个数NUM＝b-a；比较NUM与片段个数阈值TNUM的大小，若NUM>TNUM，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段为有效振动波形，反之，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段不为有效振动波形；

(4)将步骤(3)中判定出的有效振动波形进行拷贝截取，返回步骤(3)，直至B[i]遍历完成，所有有效振动波形均被拷贝截取，将截取的有效振动波形输出给光纤周界监测仪器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用上述技术方案，通过全局阈值对振动信号进行大范围环境信号干扰滤除，防止环境原因导致的误报，提高了光纤周界入侵监测仪器的环境适应性，解决了监控环境对光纤周界入侵监测仪器造成的大范围、高强度噪声的问题；通过幅度阈值对振动信号进行再次筛选，滤除噪声信号的影响，并在振动数据截取中针对振动波形特点，设置截取的波形数据的下标范围，减少运算数据量，有效缩短光纤周界入侵监测仪器数据处理时间，能够满足实时性要求；通过能量阈值进行短时能量判定和短时能量滤波，进一步截取有效振动波形，并将截取的有效振动波形输出到光纤周界入侵监测仪器进行处理，提高了光纤周界入侵监测仪器的定位精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明方法的流程图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，包括以下步骤：

步骤1：调用数据采集线程采集光纤周界入侵监测仪器的振动数据，并将采集到的振动数据存储在全局缓冲池Ⅰ中。

步骤2.一级阈值滤除大范围环境影响

计算全局缓冲池Ⅰ中的振动数据的幅度均值，振动数据的幅度均值的具体计算方法为：

调用线程对全局缓冲池Ⅰ中的振动数据进行抽点计算均值，计算公式为：

其中，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数；G/a为抽取点的个数，x[i]为抽取点的幅值，X为抽取点幅值的平均值，用该抽取点幅值的平均值代表全局缓冲池Ⅰ中振动数据的幅度均值；

在本实施例中，全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数G取值为240M；从第一个点开始每隔4096个点抽取一个点，抽取点的个数为G/a＝60K；然后利用公式(1)计算所有抽取点的幅值x[j]的平均值X，用该抽取点幅值的平均值代表全局缓冲池中振动数据的幅度均值；

将全局阈值作为一级阈值，通过比较振动数据的幅度均值与全局阈值的大小，本实例中全局阈值取值为20mv，判定是否为大范围环境扰动引起的信号；如果振动数据的幅度均值大于全局阈值，则判定为大环境扰动引起的信号，不进行后续操作；如果振动数据的幅度均值不大于全局阈值，则不为大环境扰动引起的信号，则进入步骤3。

步骤3.二级阈值筛选入侵数据

入侵数据的幅度阈值为T₁，取值为30mv，将幅度阈值为T₁作为二级阈值，比较振动数据幅值x₀[i]与幅度阈值T₁的大小，若x₀[i]＜T₁，则x₀[i]不为振动信号，继续向后判断；若x₀[i]≥T₁，则x₀[i]为振动信号，截取振动数据x₀[i]前后长度为M的波形数据y[j]，其中，j＝1,2,….,M；M为振动数据入侵持续时间大于0.2秒的振动数据点数，该实施例中M取值为2兆；全局缓冲池Ⅰ中待截取的振动数据幅值x[i]的下标取值范围为：max(1,i-0.2*M)～min(G,i+0.8*M)，其中，i＝1,2，…G，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数，此时α取值0.2；并将截取出的波形数据y[j]存储在缓冲池Ⅱ中。

步骤4.三级阈值截取有效振动波形

(1)分段计算数据振动能量；对步全局缓冲池Ⅱ中波形数据y[j]进行处理，数据长度为M；首先，将波形数据y[j]进行等长分段，得到N段数据，每段数据点个数C＝M/N；然后计算分段数据的振动能量A[i]，计算公式为：

其中，A[i]为波形数据y[j]中下标从(i-1)*C+1到i*C之间的共C个数据的绝对值之和，代表此分段的振动能量值；

本实施例中，M取值为2M，N取值为512，则每段数据点个数C＝M/N＝4k。

(2)对分段数据的振动能量A[i]进行平滑处理，计算公式为：

其中，n为振动能量A[i]中下标从max(1，i-k)到min(N,i+k)的数据点个数；A[i]代表的是分段数据的振动能量；k为以i段为中心，左右相邻的k个数据段；B[i]为振动能量A[i]中数据点平滑值；

通过对分段数据的振动能量A[i]进行平滑处理，能有效避免因个别段数据能量小而导致误将一个入侵事件造成的振动波形分割成若干个波形的问题；

(3)寻找大于振动能量阈值的数据片段；从B[i]始端开始向后遍历，寻找大于能量阈值ET的数据片段，即B[a]≥ET，并记录大于能量阈值ET的数据片段的位置下标为a；以a为起点,向后遍历，直至寻找到第一个小于能量阈值ET的数据片段，即B[b]＜ET，并记录该小于能量阈值ET的数据片段的位置下标为b，如果遍历到数据结束尚未找到满足条件的数据片段，则b赋值为N+1，则连续大于振动能量阈值ET的数据片段的个数NUM＝b-a；比较NUM与片段个数阈值TNUM的大小，若NUM>TNUM，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段为有效振动波形，反之，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段不为有效振动波形；

本实施例中，判定大于能量阈值ET的数据片段的下标a＝50，判定小于能量阈值ET的数据片段的位置下标b＝170，则连续大于振动能量阈值ET的数据片段的个数NUM＝170-50＝120，TNUM选取为100，满足NUM>TNUM,判定次片段数据为有效振动波形，截取y[j]中下标为[a*C，b*C)范围内的数据。

(4)将步骤(3)中判定出的有效振动波形进行拷贝截取，返回步骤(3)，直至B[i]遍历完成，所有有效振动波形均被拷贝截取，并将截取的所有有效振动波形输出给光纤周界监测仪器进行后续处理。

采用上述方案，采用上述技术方案，通过全局阈值对振动信号进行大范围环境信号干扰滤除，防止环境原因导致的误报，提高了光纤周界入侵监测仪器的环境适应性，解决了监控环境对光纤周界入侵监测仪器造成的大范围、高强度噪声的问题；通过幅度阈值对振动信号再次进行筛选，滤除非振动信号，并在振动数据截取中针对振动波形特点，设置截取的振动数据的下标范围，减少运算数据量，有效缩短光纤周界入侵监测仪器数据处理时间，能够满足实时性要求；通过能量阈值进行短时能量判定和短时能量滤波，进一步截取有效数据片段进行处理，将截取的有效振动波形输出到光纤周界入侵监测仪器，提高了光纤周界入侵监测仪器的定位精度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，包括以下步骤：

步骤一：采集光纤周界入侵监测仪器的振动数据，存储在全局缓冲池Ⅰ中；

步骤二：计算全局缓冲池Ⅰ中振动数据的幅度均值，通过比较振动数据的幅度均值与全局阈值的大小，判定是否为大范围环境扰动引起的信号，若为大范围环境扰动引起的信号，则不进行后续操作；若不为大范围环境扰动引起的信号，则进入步骤三；

步骤三：通过比较振动数据与入侵数据的幅度阈值T₁的大小，判定是否为振动信号，若不为振动信号，则不进行后续操作；若为振动信号，则截取该振动数据前后一定长度的波形数据，并存储在缓冲池Ⅱ中；

步骤四：将缓冲池Ⅱ中波形数据进行片段划分，计算每个片段振动能量，对片段振动能量进行平滑，通过比较片段振动能量连续超过片段振动能量阈值的片段个数与片段个数阈值的大小，判断是否为有效振动波形，若为有效振动波形，截取有效振动波形到缓冲池Ⅲ中，并输出给光纤周界入侵监测仪器。

2.根据权利要求1所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，所述步骤二中，振动数据的幅度均值的具体计算方法为：对全局缓冲池Ⅰ中的振动数据进行抽点，从第一个点开始每隔a个点抽取一个点，然后计算所有抽取点的幅值的平均值，计算公式为：

其中，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数；G/a为抽取点的个数，x[i]为抽取点的幅值，X为抽取点幅值的平均值，用该抽取点幅值的平均值代表全局缓冲池Ⅰ中振动数据的幅度均值。

3.根据权利要求1所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，所述步骤二中，如果振动数据的幅度均值大于全局阈值，则判定为大环境扰动引起的信号；如果振动数据的幅度均值不大于全局阈值，则不为大环境扰动引起的信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，所述步骤三的具体方法为：比较全局缓冲池Ⅰ中的振动数据幅值x_o[i]与幅度阈值T₁的大小，若x_o[i]＜T₁，则x_o[i]不为振动信号，继续向后判断；若x_o[i]≥T₁，则x_o[i]为振动信号，截取x_o[i]前后长度为M的波形数据y[j]，其中，j＝1,2,….,M，并将该波形数据y[j]存储到缓冲池Ⅱ中。

5.根据权利要求4所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，M为振动数据入侵持续时间大于0.2秒的振动数据点数。

6.根据权利要求1所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，全局缓冲池Ⅰ中待截取的振动数据的下标取值范围为：max(1,i-α*M)～min(G,i+(1-α)*M)，其中，i＝1,2，…G，G为全局缓冲池Ⅰ中振动数据个数；α为取i左侧值的占比，取值范围为(0，1)，为经验值；M为截取数据长度，截取x₀[i]前后长度为M的波形数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于三级阈值判定的有效振动波形截取方法，其特征是，所述步骤四的具体方法为：

(1)分段计算数据振动能量；调用线程对全局缓冲池Ⅱ中波形数据y[j]进行处理，数据长度为M；首先，将波形数据y[j]进行等长分段，得到N段数据，每段数据点个数C＝M/N；然后计算分段数据的振动能量A[i]，计算公式为：

其中，A[i]为波形数据y[j]中下标从从(i-1)*C+1到i*C之间的共C个数据的绝对值之和，代表此分段的振动能量值；

(2)对分段数据的振动能量A[i]进行平滑处理，计算公式为：

其中，n为振动能量A[i]中下标从max(1，i-k)到min(N,i+k)的数据点个数；A[i]代表的是分段数据的振动能量；k为以i段为中心，左右相邻的k个数据段；B[i]为振动能量A[i]中数据点平滑值；

(3)寻找大于振动能量阈值的数据片段；从B[i]始端开始向后遍历，寻找大于能量阈值ET的数据片段，即B[a]≥ET，并记录大于能量阈值ET的数据片段的位置下标为a，以a为起点，向后遍历，直至寻找到第一个小于能量阈值ET的数据片段，即B[b]＜ET，记录该小于能量阈值ET的数据片段的位置下标为b，如果遍历到数据结束尚未找到满足条件的数据片段，则b赋值为N+1，则连续大于振动能量阈值ET的数据片段的个数NUM＝b-a；比较NUM与片段个数阈值TNUM的大小，若NUM>TNUM，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段为有效振动波形，反之，判定该连续大于振动能量阈值的数据片段不为有效振动波形；

(4)将步骤(3)中判定出的有效振动波形进行拷贝截取，返回步骤(3)，直至B[i]遍历完成，所有有效振动波形均被拷贝截取，将截取的有效振动波形输出给光纤周界监测仪器。