CN108133559A - 光纤端点检测在周界预警系统中的应用 - Google Patents

Abstract

光纤端点检测在周界预警系统中的应用，光纤周界安防系统是一种利用光纤作为传感介质的传感系统，通时计算机对传感系统的输出信号进行处理,以往的算法都是对计算机接收到的信号直接进行定位及模式识别处理，由于接收到的信号在大部分时间都是无用的静默信号,限制了系统的效率在简单阐述光纤周界安防系统原理的基础之上，介绍了端点检测技术，有效截取信号中的有用目的信号，最后结合实验数据，着重分析了短时能量和短时过零率两种端点检测方法所存在的问题，并提出了相应的改进办法，滤除了无用信号，并在一定程度上排除了自然界中风和雨的干扰。

Description

光纤端点检测在周界预警系统中的应用

技术领域

本发明涉及一种用于一些重要区域的周边安全保护的光纤震动预警系统，属光纤传感器、光电信号的转换和信号处理等技术领域。

背景技术

光纤周界安防系统是利用光纤作为传感介质的一种传感系统。其中，光纤既作为传感介质，又作为光传输的介质。光纤周界安防系统可以在传感光纤布设长度内，对一定精度范围内的突发事件进行远程和实时的监测，因此，在军事国防石油管道以及民用安全防护监测方面有着重要的应用前景。

光纤周界安防系统的原理是基于反馈环的光纤干涉型传感器，当外界振动信号作用于光纤上时，将引起入射光与出射光相位的变化，通过构造光纤干涉型传感器，可以利用干涉信号的相位差如实地将振动信号还原由于光纤的耐腐蚀性及抗电磁干扰性很适合用于野外环境中，可将光纤布设于围栏及地面上，用于探测入侵行为以往的算法是光纤周界安防系统将周界扰动信号传入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，大部分时间接受到的都是没有价值的静默信号，因此此时利用为有利用信号所设计的处理方法对其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野外，很容易受到风雨的影响，风雨信号与入侵信号有很大的差异性，因此可以对信号进行一些预处理从而在一定程度上屏蔽风雨的干扰，在模式识别之前，对接收到的信号进行端点检测，再开始对这样的信号进行相应的处理，提高了系统运转效率，一定程度上排除了风雨的干扰，增加了计算的精确度。

发明内容

光纤周界安防系统的基本结构如图 1 所示。

图中，以一端镀以反射膜的单芯长光纤作为分布式的敏感传感器，由于光纤有耐腐蚀$抗电磁干扰性等独特优势，可以围栏布设或地埋布设以感应外界扰动信号并对人为入侵信号进行报警。外界扰动信号是一个随时间变化的量，记为Φ(t)当扰动作用于传感光纤上任意一点时，光纤内部传输光的相位会发生相应变化，通过构造光纤传感系统，可采集到2路与Φ(t)有关的信号，用公式表示为:

式中:A,B,ϴ1, ϴ2均为常量，对式( 1)~(2)作相应处理后可求出Φ(t) :

通过式( 3) 的转换可完成传感光纤对外界扰动信号的拾取，系统作为周界安防的功能得到实现。

由于外界传感光纤感应的是任一扰动信号，外界环境信号比如风雨也会作为扰动信号加以采集，因此会影响传感系统对入侵信号的检测，故软件处理平台需对扰动信号加以甄别，以屏蔽风雨信号的干扰。由于系统的原理决定了系统输出信号经转换后得到的Φ(t)与外界信号是成线性关系的，而外界的风和雨信号在幅度和频率上与入侵信号存在着显著差别，所以可对系统输出信号的幅度及频率加以处理后提取出风雨信号与攀爬围栏及走路这些入侵信号所不同的特征，而风雨信号及入侵信号均为短时信号，所以针对光纤周界安防系统输出信号的独特特性，借鉴语音端点检测的一些算法，对语音信号处理中常用的短时能量法和短时过零率法进行改进，可有效地滤除无用信号，并一定程度上排除自然界中风和雨的干扰。

已取出的一帧周界安防系统输出信号s(n)要经过加窗处理，即用一定的窗函数w(n)来乘s(n)，从而形成加窗信号。这里选用矩形窗作为窗函数，它的表达式如下( 其中N为帧长) :

短时能量可定义为:

式中m表示窗的起点，N表示帧的长度，sw(n)为加窗信号。

目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，作为短时能量比，如此消除了信号幅度带来的差异，使该方法带有普适性。

一段信号的波形如图2所示。

用上面的算法可以得到每个点相应的短时能量，如图3所示。

在得到了一段信号中每个点的短时能量值后，将此能量值除上各帧能量的平均值得到短时能量比，如图4所示。这样做的优势是无论信号原始幅度有何不同，除上平均值后相当于信噪比，可以针对不同幅度信号设置统一门限，消除了系统输出光强不同带来的影响。

如图4所示，可见目的信号的短时能量比要明显高于噪音信号，只要对短时能量比设定一定的门限，如图4所对应的信号可以设定为1，将短时能量比高于这个门限的采样点作为目的信号，可以截取出对应985~2996采样点数的一段信号，如图5所示。

基于短时能量大小在静默或噪音较小的情况下与在目的信号下差别较大的原理，利用短时能量法可将大部分有用信号从系统输出信号中检测出来#但光纤周界安防系统中一些信号，如走路信号，通过短时过零率法更能有效检出。

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表示帧的长度，sgn是对点的数值求符号的函数。

针对前面图1一段扰动信号的波形，用上面的算法得到每个采样点相应的过零率:

在得到了一段信号中每个采样点的短时过零率后，可见目的信号的短时过零率要明显低于噪音信号，只要对短时过零率设定一定的门限，如图6所对应的信号可以设定为10，将短时过零率低于这个门限的采样点作为目的信号，可以截取出对应459~3487采样点数的一段信号，如图7所示。

附图说明

图1光纤周界安防系统结构图；

图2是一段扰动信号的波形图；

图3是扰动信号的短时能量图；

图4是扰动信号的短时能量比图；

图5是利用短时能量法截取的信号片段图；

图6是扰动信号的短时过零率图；

图7是利用短时过零率法截取的信号片段图；

图8是攀爬围栏的信号图；

图9是攀爬围栏信号的短暂能量比图；

图10是攀爬围栏的短时过零率图；

图11是风的信号图；

图12是风的短时能量对比图；

图13是风信号的短时过零率图；

图14是走路的信号图；

图15是走路的短时能量对比图；

图16是走路的信号的短时过零率图；

图17是大雨的信号图；

图18是大雨的短时能量对比图；

图19是大雨的信号短时过零率图；

图20是小雨的信号图；

图21是小雨的短时能量对比图；

图22是小雨的信号短时过零率图；

具体实施方式

利用National Instruments公司的DAQ采集卡(PCI-6220) 将光纤周界安防系统的数据采集到计算机内，并用软件对采集到的数据进行信号处理。

对如下几种类型数据进行分析，针对系统自身的特性---动作持续时间较长，短时能量及短时过零率的帧长均选为0.1s，可检测出有用信号，屏蔽噪声及风雨干扰，有别于语音信号处理中帧长一般为20ms的参数。

当光纤布设于围栏上时，系统应检测攀爬围栏的行为，通过分析攀爬行为的信号可以发现，攀爬事件发生时，短时能量比高于噪声，短时过零率低于噪声。如图8,9,10所示，从图中可以看出，短时能量的检测效果优于短时过零率。

光纤布设于围栏上会产生误报警的情况是自然界中的风，但对其信号经过分析后可以发现: 风信号短时能量比和短时过零率变化均比较小，由此可以跟攀爬围栏的行为进行区别。如图11,12,13所示。

当光纤布设于地面上时，系统应检测在布设区域内的走路行为，通过分析走路行为的信号可以发现，走路行为发生时，短时能量比高于噪声，而由于走路信号为低频信号，短时过零率低于噪声。如图14,15,16所示。

光纤布设于地面上时会产生误报警的情况是自然界中的雨，大雨信号如图17所示。对其信号经过分析后可以发现: 大雨信号短时能量比没有突变，短时过零率也没有突变，由此可以跟走路行为进行区别。如图18,19所示。

对于小雨信号，由于其幅度变化比较随机，所以不能用短时能量将其检出，但其短时过零率变化比较小，可以通过这一规律将其与走路信号加以区别#如图20,21,22所示。

通过上述对攀爬信号与自然界中风信号的对比分析及走路信号与自然界中雨信号的对比分析，可以得出这样的结论: 通过设置短时能量比的上限屏蔽风，通过设置短时过零率的下限屏蔽雨。

Claims (5)

1.一种光纤震动预警系统中的一个误报检测技术，光纤震动预警系统下位机部分包括激光器，盘纤盒，可调衰减器，调制器，驱动器， EDFA，分束器，APD，拉曼放大器，光信号转换成数字信号等程序，其特征在于：激光器发射光，由光后面各种光设备进行对光的控制，APD接受返回的光，DSP进行分析和数字信号的转换并且发往上位机。

2.根据权利要求1所述的光纤震动预警系统，其特征在于：所述激光器发射的光可以通过调制器进行光的调节。

3.根据权利要求1所述的光纤震动预警系统，其特征在于：所述EDFA可将光放大并发射出去。

4.根据权利要求1所述的光纤震动预警系统，其特在于：所述分束器可将光分为两束，若有需要可控制两根光纤用于两个基站。

5.根据权利要求4所述的光纤震动预警系统，其特征在于：所述DSP收集信号并进行分析，将数组信号发给上位机进行进一步分析处理。