CN107730800A - 基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法，其包括：1）计算振动信号的短时平均能量，进行信号预处理；2）根据设定的短时平均能量阈值Pn ₀，进行信号检测，得到振动信号数据；3）设置合适的单位时间短时过零率降噪阈值T _α ；4）计算单位时间短时过零率R(n)；5）将计算得到的单位时间短时过零率与经验阈值门限R ₀进行对比，若R>R₀，则认为是强风干扰振源，否则，则是攀爬入侵振。本发明针对强风干扰情况下，光纤振动安全预警系统的振源识别算法，对强风干扰振源进行检测、识别并屏蔽无害干扰信号，降低系统误报率，同时，保证有害攀爬振源准确报警，防止系统漏报。

Description

基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法。

背景技术

随着科学的发展以及技术的进步，越来越多的领域需要利用安全预警系统来进行防范、确保安全，而光纤振动安全报警系统解决了有些领域长距离、野外作业、无源探测等方面的要求。光纤振动安全预警系统以传感光缆作为分布式传感器，以光信号为载体，不需要供电，使用安全，便于野外作业；光纤的线状结构易于架设，便于大范围长距离的检测；其铺设方便灵活，可以做到高隐蔽性，易与周围环境融于一体；光纤既作为传感单元，又作为传输介质，增加了光纤材料的复用性；此外光纤传感器体积小、质量轻、稳定性高、抗干扰能力强、耐腐蚀、无辐射，这种光纤振动安全预警系统的误报和漏报明显优于常规的安防系统，因此被广泛应用于各领域进行周界安防。

光纤振动安全报警系统作为一种新型的安防系统，利用光纤作为感应体，探测外界扰动并判别是否属入侵行为，并自动识别入侵类型，实现对有害行为的及时报警，达到周界预警的目的。然而，自然界中，不可避免的存在着多种干扰信号，对振动事件的检测率、识别率及报警准确率产生一定干扰。当无害的干扰信号较大的情况，如布置在围栏上的传感光纤容易受到大风天气影响，由于强风干扰信号能量较大，容易产生系统误报，造成系统的误警率或漏警率一定程度的上升。如何有效识别出强风干扰信号、避免其对系统正常预警的影响，是光纤安全预警系统面临的主要问题之一。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法的技术方案。

所述的基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据公式(1)计算振动信号的短时平均能量，进行信号预处理：

其中：P_dB(n)表示振动信号序列{x(m),m＝1,2,…,n}的n时刻振动信号的短时平均能量；

lg是对数运算函数；

n为0,1,2,3,4……正整数，即为第n时刻；

x(m)表示振动信号序列{x(m),m＝0,1,2,…,n}；

N为时间长度：0≤n≤N；

2)根据设定的短时平均能量阈值Pn₀，进行信号检测，得到振动信号数据；

3)设置合适的单位时间短时过零率降噪阈值T_α；

4)根据公式(2)计算单位时间短时过零率R(n)：

公式(2)中

Fs＝10kHz；

公式(3)中sign(x)为符号函数，

w(n)为矩形窗函数，窗长度为N，公式为：

5)将计算得到的单位时间短时过零率与经验阈值门限R₀进行对比，R₀根据经验及实验值设置为180，若R>R₀则认为是强风干扰振源，否则，则是攀爬入侵振。

所述的基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法，其特征在于所述的步骤3)中降噪阈值为T_α＝μ+2.5σ～μ+3σ，其中，μ为振动信号均值，σ为振动信号标准差。

本发明针对强风干扰情况下，光纤振动安全预警系统的振源识别算法，对强风干扰振源进行检测、识别并屏蔽无害干扰信号，降低系统误报率，同时，保证有害攀爬振源准确报警，防止系统漏报。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例3中单位时间短时过零率分类结果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图来进一步说明本发明。

实施例1：振源信号的预处理

为了衡量振动信号大小，引入信号的短时平均能量，短时平均能量是研究信号能量的量，振动信号序列{x(k),k＝1,2,…,n}的n时刻振动信号的短时平均能量P(n)为：

其中，w_N为长度为N的窗函数，窗函数选取

由于振幅较小，采用线性计算将影响数据精度，为了方便数据处理，提高系统检测能力，显示能量动态变化范围，采取能量的分贝形式：

本发明设定较低的系统检测阈值，并对检测到的振动信号进行进一步的识别，提出短时过零率方法识别强风干扰振源和人员攀爬振源。

短时过零率(Zero-Crossing Rate,ZCR)可以看作信号频率的简单度量，是指信号通过零值的次数，短时过零率可以表示为：

其中，sign(x)为符号函数，

w(n)为矩形窗函数，窗长度为N，公式可表示为：

为了避免受到噪声干扰，采用幅值滤波法滤除干扰信号，设置降噪阈值为T_α，避免小幅振动干扰对过零检测的影响，增强抗干扰能力，改进后的短时过零率计算方法为：

为了方便设置过零率阈值，统一单位，采用单位时间短时过零率，在采样频率为Fs＝10kHz情况下，单位时间短时过零率可表示为

单位时间短时过零率描述，在单位时间内振幅信号的过零次数。

实施例2：振源识别方法

1)根据公式(1)计算振动信号的短时平均能量，进行信号预处理：

其中：P_dB(n)表示振动信号序列{x(m),m＝1,2,…,n}的n时刻振动信号的短时平均能量；

lg是对数运算函数；

n为0,1,2,3,4……正整数，即为第n时刻；

x(m)表示振动信号序列{x(m),m＝0,1,2,…,n}；

N为时间长度：0≤n≤N；

2)根据设定的短时平均能量阈值Pn₀，进行信号检测，得到振动信号数据；

3)设置合适的单位时间短时过零率降噪阈值T_α，降噪阈值为T_α＝μ+2.5σ～μ+3σ，其中，μ为振动信号均值，σ为振动信号标准差；

4)根据公式(2)计算单位时间短时过零率R(n)：

公式(2)中

Fs＝10kHz；

公式(3)中sign(x)为符号函数，

w(n)为矩形窗函数，窗长度为N，公式为：

5)将计算得到的单位时间短时过零率与经验阈值门限R₀进行对比，R₀根据经验及实验值设置为180，若R>R₀则认为是强风干扰振源，否则，则是攀爬入侵振。

实施例3

分别将光纤振动安全预警系统采集到的强风干扰信号和人员攀爬测试信号通过识别系统，并对抗干扰算法进行验证，对大风和攀爬数据进行过零率检测，幅值滤波阈值设置为2.5倍的振幅标准差，得到如图2所示结果。

Claims (2)

1.基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据公式(1)计算振动信号的短时平均能量，进行信号预处理：

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>10</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>x</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中：P_dB(n)表示振动信号序列{x(m),m＝1,2,…,n}的n时刻振动信号的短时平均能量；

lg是对数运算函数；

n为0,1,2,3,4……正整数，即为第n时刻；

x(m)表示振动信号序列{x(m),m＝0,1,2,…,n}；

N为时间长度：0≤n≤N；

2)根据设定的短时平均能量阈值Pn₀，进行信号检测，得到振动信号数据；

3)设置合适的单位时间短时过零率降噪阈值T_α；

4)根据公式(2)计算单位时间短时过零率R(n)：

<mrow> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>C</mi> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>/</mo> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

公式(2)中Fs＝10kHz；

公式(3)中sign(x)为符号函数，

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w(n)为矩形窗函数，窗长度为N，公式为：

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5)将计算得到的单位时间短时过零率与经验阈值门限R₀进行对比，R₀根据经验及实验值设置为180，若R>R₀则认为是强风干扰振源，否则，则是攀爬入侵振。

2.如权利要求1所述的基于光纤振动安全预警系统的抗干扰分析方法，其特征在于所述的步骤3)中降噪阈值为T_α＝μ+2.5σ～μ+3σ，其中，μ为振动信号均值，σ为振动信号标准差。