CN116071879A - 一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法 - Google Patents

一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法 Download PDF

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CN116071879A CN202310057344.5A CN202310057344A CN116071879A CN 116071879 A CN116071879 A CN 116071879A CN 202310057344 A CN202310057344 A CN 202310057344A CN 116071879 A CN116071879 A CN 116071879A
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Abstract

本发明公开了一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法，所述系统包括沿周界铺设的光缆和激光发生监控装置，铺设的光缆分为护栏感应光缆与地面感应光缆；所述方法包括：步骤1：分别同步获取双缆振动信号数据并对双缆振动信号进行有效确认；步骤2：对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取；步骤3：根据提取的特征值对双缆振动信号分别进行报警分类识别；步骤4：根据双缆振动信号的分类识别结果进行互补探测判断。本发明采用双缆互补探测方式，形成空地多维度监测，加大了防护面积，同时结合双缆对入侵事件探测响应判断，提高了报警准确率，并且增强了抗突发事件能力，提高了工作效率，达到安全防护的目的。

Description

一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感及周界安防技术领域，尤其涉及一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法。
背景技术
近些年来，光纤传感技术由于其无源、抗干扰、分布式长距离实时监测等优势，在周界安防领域也得到越来越多的关注，基于光纤传感技术的设备多是基于光纤光栅原理、sagnic原理，散射型原理等的设备，而光纤光栅型设备监控距离较短，不易进行长距离监测；sagnic原理型设备定位精度差，施工方式复杂繁琐；散射原理的技术设备由于其灵敏度高、定位准确、便于施工，可用于长距离监测等优势，应用比较广泛。目前多数光纤周界系统是基于单波长单缆采集信号进行分析判断报警，存在对于复杂干扰信号较难剔除容易产生误报、准确度低、抗突发事件能力差等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提出一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，包括沿周界铺设的光缆和激光发生监控装置，其特征在于，所述铺设的光缆分为两路，一路铺设在围绕周界设置的护栏网上称为护栏感应光缆，另一路沿护栏网地面之下铺设称为地面感应光缆，所述激光发生监控装置包括两个并列设置的激光器，两个激光器发射不同波长的激光，两个所述激光器之后顺序连接第一波分复用器、半导体激光放大器、第一掺铒光纤放大器、第一密集波分复用器和两个并列设置的环形器；两个环形器的第一出口分别连接护栏感应光缆和地面感应光缆，两个环形器的第二出口依次连接第二波分复用器、第二掺铒光纤放大器以及第二密集波分复用器，在所述第二密集波分复用器后连接两个并列设置的探测器，两个所述探测器输出连接信号处理服务器，所述信号处理服务器包括有信号采集卡，所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器分别连接所述半导体激光放大器和所述信号采集卡；
第一波分复用器用于将两束光信号进行叠加形成一束光信号；第一密集波分复用器用于将放大的光信号还原为两束光信号分别送入两个环形器；所述波形发生器作为标准信号源，用于半导体激光放大器根据波形发生器信号对光信号进行调制输出，还用于作为所述信号采集卡的采样时钟；
第二波分复用器用于将从两个环形器的第二出口接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号叠加形成一束光信号，第二密集波分复用器用于将放大的光信号还原为护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号，两个并列设置的探测器用于将分别接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号转化为电信号，信号处理服务器用于采集电信号并进行分析处理输出报警处理结果。
进一步的是，所述激光器为窄线宽激光器。
进一步的是，所述护栏感应光缆的绑扎间距为35cm至50cm。
进一步的是，所述地面感应光缆紧贴护栏网或距离护栏网50cm内铺设，埋设深度为10cm至20cm。
进一步的是，所述护栏感应光缆和地面感应光缆的铺设方式为直线型、S型或U型。
进一步的是，所述护栏感应光缆和地面感应光缆的弯曲半径不小于15cm。
本发明还提出一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：分别同步获取护栏感应光缆振动信号数据和地面感应光缆振动信号数据，并对双缆振动信号进行有效确认；
步骤2：对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取；
步骤3：根据提取的特征值对双缆振动信号分别进行报警分类识别；
步骤4：根据双缆振动信号的分类识别结果进行互补探测判断：首先判断双缆是否存在断缆，根据判断结果对双缆识别结果进行如下处理：
1)如果现场没有发生光缆断开事故，则双缆识别结果取与操作；
2)如果双缆中任意一条光缆发生断缆情况，则断缆之后的范围内做或处理，断缆前位置做与处理。
进一步的是，步骤1所述对双缆振动信号进行有效确认的具体过程为：
1)将分别采集到的双缆振动信号分别进行分帧，护栏感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为xi(n)，地面感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为yi(n)；
2)计算信号xi(n)、yi(n)的短时能量值：
Figure BDA0004060724370000031
其中：a为常数；
Figure BDA0004060724370000032
或
Figure BDA0004060724370000033
3)设定xi(n)、yi(n)信号的高低门限值，并统计信号超过高低门限值的次数分别为A1、A2；
4)统计xi(n)、yi(n)信号中振动帧的个数，对于xi(n)、yi(n)信号，取其后续连续的多帧信号，组成振动数组，振动数组含振动信息的个数记为B1、B2；
5)计算信号比值差异系数C1，C2：
Figure BDA0004060724370000041
其中：Qk为振动数组中第k个振动帧的比值；
Figure BDA0004060724370000043
为振动数组中第k个振动帧的平均值；
6)分别设定短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2的筛选阈值，当短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2均大于各自设定的筛选阈值时，则确认双缆的振动信号有效。
进一步的是，步骤2所述对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取的具体过程为：
1)将采集到的确认有效的双缆振动信号序列定义为Di＝x(t)，i＝1，2，3……；
2)将在双缆振动信号中获取到的极大值与极小值序列分别定义为Ki与Mi，其中，Ki与Mi中的值为Di中极大值或极小值点所在的横坐标值；
3)构建顺序统计滤波器，设定输入为{Xa}，输出为{Ya}，则窗口大小为：L＝2ω+1，其中ω为相邻极值点间的最小距离，采用顺序统计滤波器分别计算Ki与Mi中的极值点间距最小值，以2ω+1为步长，获取Ki、Mi的包络，记为KB、MB；
4)获取得到包络均值线：Si＝(KB+MB)/2；采用均值平滑滤波器对Si曲线进行平滑处理使其连续，平滑后的均值曲线表示为：
Figure BDA0004060724370000042
其中zt为宽口长度为ω的包络线；
5)计算本征模态函数：Fi＝Di-Si；i＝i+1；Di＝Si-1，当滤波器窗口大小＞Di长度的1/3或者Di的极值点数小于3时截止，反之则重复执行步骤2)～5)；
6)达到截止条件后，将原始信号分解为N个本征模态分量及一个余量R，表示为：
Figure BDA0004060724370000051
7)计算各个模态分量的峭度，计算公式为：
Figure BDA0004060724370000052
其中：μ表示信号平均值；σ表示信号标准差；模态分量的峭度为特征值。
进一步的是，步骤3所述对双缆振动信号分别进行报警分类识别的过程为：对双缆信号提取的特征值分别进行分类识别，以线性核函数、多项式核函数以及高斯核函数进行凸组合构造的多核函数，构造多核SVM器后对提取的特征值进行分类，输出报警分类识别结果，根据分类结果对入侵信号进行报警，同时根据系统监测结果显示相应位置信息。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法，通过采用双缆实时采集两个不同维度的振动信号，提取特征值进行分类识别，进而结合双缆识别结果进行互补探测判断。本发明通过双缆互补探测方式，形成空地多维度监测，加大了防护面积，同时结合双缆对入侵事件探测响应判断，提高了报警准确率，并且在一根光缆断开的情况下，开启断缆互补模式，仍然能够进行工作，从而增强了系统的抗突发事件的能力，提高了工作效率，达到安全防护的目的。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明：
图1为光纤定位型周界报警系统结构示意图；
图2为光缆铺设结构示意图；
图3为光纤定位型周界报警方法流程图；
图4为风雨天气护栏感应光缆背景噪声信号瀑布图；
图5为风雨天气护栏感应光缆敲击响应信号瀑布图；
图6为风雨天气地面感应光缆背景噪声信号瀑布图；
图7为风雨天气地面感应光缆走路信号瀑布图。
具体实施方式
本发明提出一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统及方法，如图1、图2所示，所述系统包括沿周界铺设的光缆和激光发生监控装置，铺设的光缆分为两路，一路铺设在围绕周界设置的护栏网上称为护栏感应光缆，另一路沿护栏网地面之下铺设称为地面感应光缆，两路光缆通过引导光缆连接激光发生监控装置，激光发生监控装置包括两个并列设置的激光器，第一激光器和第二激光器，两个激光器发射不同波长的激光，当其中一个波长光信号出现故障时，另外一个波长光信号也能够单独工作；两个激光器之后顺序连接第一波分复用器、半导体激光放大器、第一掺铒光纤放大器、第一密集波分复用器和两个并列设置的环形器，第一环形器和第二环形器，两个环形器的第一出口分别连接护栏感应光缆和地面感应光缆，两个环形器的第二出口依次连接第二波分复用器、第二掺铒光纤放大器以及第二密集波分复用器，光信号在光纤传输过程中发生瑞利散射，后向瑞利散射光分别经第一环形器和与第二环形器的第二出口进入到第二波分复用器中；在第二密集波分复用器后连接两个并列设置的探测器，第一探测器和第二探测器，两个探测器输出连接信号处理服务器，信号处理服务器包括有信号采集卡，所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器分别连接所述半导体激光放大器和所述信号采集卡。
第一波分复用器用于将两束光信号进行叠加形成一束光信号；第一密集波分复用器用于将放大的光信号还原为两束光信号分别送入两个环形器；所述波形发生器作为标准信号源，用于半导体激光放大器根据波形发生器信号对光信号进行调制输出，还用于作为所述信号采集卡的采样时钟，以保证前后信号的同步性。
第二波分复用器用于将从两个环形器的第二出口接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号叠加形成一束光信号，第二密集波分复用器用于将放大的光信号还原为护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号，两个并列设置的探测器用于将分别接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号转化为电信号，信号处理服务器通过信号采集卡采集电信号并进行分析处理输出报警处理结果。
具体的，采用的激光器为窄线宽激光器。对于护栏感应光缆与地面感应光缆，地面感应光缆紧贴护栏网或距离护栏网50cm内铺设，埋设深度为10cm至20cm；护栏感应光缆的绑扎间距为35cm至50cm；光缆的铺设方式可以是直线型、S型或U型铺设；其弯曲半径不小于15cm，以确保光缆不要有较大的弯曲。在实际过程中，光缆熔接点处会留有一段盘缆(一般10～30m即可)，盘缆需要充分固定牢固，对于护栏的其他位置处不允许存在盘缆或光缆打圈情况，并且护栏感应光缆要尽量充分的与护栏接触，固定牢固，以免增加因松动引起的干扰。
本发明公开的光纤定位型周界报警方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：分别同步获取护栏感应光缆振动信号数据和地面感应光缆振动信号数据，并对双缆振动信号进行有效确认；具体过程为：
1)将分别采集到的双缆振动信号分别进行分帧，护栏感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为xi(n)，地面感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为yi(n)；
2)计算信号xi(n)、yi(n)的短时能量值：
Figure BDA0004060724370000081
其中：a为常数；
Figure BDA0004060724370000082
或
Figure BDA0004060724370000083
3)设定xi(n)、yi(n)信号的高低门限值，并统计信号超过高低门限值的次数分别为A1、A2；其中高低门限值的设定是根据前期样本信号分析所得的信号幅值的多组值，选取一个满足大多数样本的值；
4)统计xi(n)、yi(n)信号中振动帧的个数，对于xi(n)、yi(n)信号，取其后续连续的多帧信号，其信号的帧数根据应用的不同场合来确定，在本实施例中取9帧，组成振动数组，振动数组含振动信息的个数记为B1、B2；
5)计算信号比值差异系数C1，C2：
Figure BDA0004060724370000084
其中：Qk为振动数组中第k个振动帧的比值；
Figure BDA0004060724370000085
为振动数组中第k个振动帧的平均值；
6)分别设定短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2的筛选阈值，当短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2均大于其设定筛选阈值时，则确认双缆的振动信号有效；其中短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2的筛选阈值的设定是分别根据前期样本信号分析所得的短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2的多组值，选取一个满足大多数样本的值。
步骤2：对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取；具体过程为：
1)将采集到的确认有效的双缆振动信号序列定义为Di＝x(t)，i＝1，2，3……；
2)将在双缆振动信号中获取到的极大值与极小值序列分别定义为Ki与Mi，其中，Ki与Mi中的值为Di中极大值或极小值点所在的横坐标值；
3)构建顺序统计滤波器，设定输入为{Xa}，输出为{Ya}，则窗口大小为：L＝2ω+1，其中ω为相邻极值点间的最小距离，采用顺序统计滤波器分别计算Ki与Mi中的极值点间距最小值，以2ω+1为步长，获取Ki、Mi的包络，记为KB、MB；
4)获取得到包络均值线：Si＝(KB+MB)/2；采用均值平滑滤波器对Si曲线进行平滑处理使其连续，平滑后的均值曲线表示为：
Figure BDA0004060724370000091
其中zt为宽口长度为ω的包络线；
5)计算本征模态函数：Fi＝Di-Si；i＝i+1；Di＝Si-1，当滤波器窗口大小＞Di长度的1/3或者Di的极值点数小于3时截止，反之则重复执行步骤2)～5)；
6)达到截止条件后，将原始信号分解为N个本征模态分量及一个余量R，表示为：
Figure BDA0004060724370000092
7)计算各个模态分量的峭度，计算公式为：
Figure BDA0004060724370000093
其中：μ表示信号平均值；σ表示信号标准差；模态分量的峭度为特征值。
步骤3：根据提取的特征值对双缆振动信号分别进行报警分类识别；具体过程为：对双缆信号提取的特征值分别进行分类识别，以线性核函数、多项式核函数以及高斯核函数进行凸组合构造的多核函数，构造多核SVM器后对提取的特征值进行分类，输出报警分类识别结果，根据分类结果对入侵信号进行报警，同时根据系统监测结果显示相应位置信息。
步骤4：根据双缆振动信号的分类识别结果进行互补探测判断：首先判断双缆是否存在断缆，根据判断双缆是否存在断缆结果对双缆识别结果进行如下处理：
1)如果现场没有发生光缆断开事故，则双缆识别结果取与操作；
2)如果双缆中任意一条光缆发生断缆情况，则断缆之后的范围内做或处理，断缆前位置依然做与处理。
本实施例所述的光纤定位型周界报警系统以护栏感应光缆和地面感应光缆分别作为前端分布式传感器，感受周围的振动信号。其中护栏感应光缆风雨天气采集得到的信号如图4、图5所示，地面感应光缆风雨天气采集得到的信号如图6、图7所示，对比双缆采集得到的信号，可以看出地面感应光缆背景噪声远低于护栏感应光缆，几乎不受风雨天气影响。因此同时结合双缆对入侵事件探测响应判断，能够形成空地多维度监测，提高报警准确率。
最后应说明的是，以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，包括沿周界铺设的光缆和激光发生监控装置，其特征在于，所述铺设的光缆分为两路，一路铺设在围绕周界设置的护栏网上称为护栏感应光缆，另一路沿护栏网地面之下铺设称为地面感应光缆，所述激光发生监控装置包括两个并列设置的激光器，两个激光器发射不同波长的激光，两个所述激光器之后顺序连接第一波分复用器、半导体激光放大器、第一掺铒光纤放大器、第一密集波分复用器和两个并列设置的环形器；两个环形器的第一出口分别连接护栏感应光缆和地面感应光缆，两个环形器的第二出口依次连接第二波分复用器、第二掺铒光纤放大器以及第二密集波分复用器，在所述第二密集波分复用器后连接两个并列设置的探测器，两个所述探测器输出连接信号处理服务器，所述信号处理服务器包括有信号采集卡，所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器分别连接所述半导体激光放大器和所述信号采集卡；
第一波分复用器用于将两束光信号进行叠加形成一束光信号；第一密集波分复用器用于将放大的光信号还原为两束光信号分别送入两个环形器；所述波形发生器作为标准信号源，用于半导体激光放大器根据波形发生器信号对光信号进行调制输出，还用于作为所述信号采集卡的采样时钟；
第二波分复用器用于将从两个环形器的第二出口接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号叠加形成一束光信号，第二密集波分复用器用于将放大的光信号还原为护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号，两个并列设置的探测器用于将分别接收的护栏感应光缆振动光信号和地面感应光缆振动光信号转化为电信号，信号处理服务器用于采集电信号并进行分析处理输出报警处理结果。
2.根据权利要求1所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器。
3.根据权利要求1所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，其特征在于，所述护栏感应光缆的绑扎间距为35cm至50cm。
4.根据权利要求1所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，其特征在于，所述地面感应光缆紧贴护栏网或距离护栏网50cm内铺设，埋设深度为10cm至20cm。
5.根据权利要求1所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，其特征在于，所述护栏感应光缆和地面感应光缆的铺设方式为直线型、S型或U型。
6.根据权利要求5所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警系统，其特征在于，所述护栏感应光缆和地面感应光缆的弯曲半径不小于15cm。
7.一种基于权利要求1所述系统的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：分别同步获取护栏感应光缆振动信号数据和地面感应光缆振动信号数据，并对双缆振动信号进行有效确认；
步骤2：对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取；
步骤3：根据提取的特征值对双缆振动信号分别进行报警分类识别；
步骤4：根据双缆振动信号的分类识别结果进行互补探测判断：首先判断双缆是否存在断缆，根据判断结果对双缆识别结果进行如下处理：
1)如果现场没有发生光缆断开事故，则双缆识别结果取与操作；
2)如果双缆中任意一条光缆发生断缆情况，则断缆之后的范围内做或处理，断缆前位置做与处理。
8.根据权利要求7所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警方法，其特征在于，步骤1所述对双缆振动信号进行有效确认的具体过程为：
1)将分别采集到的双缆振动信号分别进行分帧，护栏感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为xi(n)，地面感应光缆振动信号分帧后得到的信号序列记为yi(n)；
2)计算信号xi(n)、yi(n)的短时能量值：
Figure FDA0004060724360000031
其中：a为常数；
Figure FDA0004060724360000032
或
Figure FDA0004060724360000033
3)设定xi(n)、yi(n)信号的高低门限值，并统计信号超过高低门限值的次数分别为A1、A2；
4)统计xi(n)、yi(n)信号中振动帧的个数，对于xi(n)、yi(n)信号，取其后续连续的多帧信号，组成振动数组，振动数组含振动信息的个数记为B1、B2；
5)计算信号比值差异系数C1，C2：
Figure FDA0004060724360000034
其中：Qk为振动数组中第k个振动帧的比值；
Figure FDA0004060724360000035
为振动数组中第k个振动帧的平均值；
6)分别设定短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2的筛选阈值，当短时能量值，A1、A2，B1、B2，C1、C2均大于各自设定的筛选阈值时，则确认双缆的振动信号有效。
9.根据权利要求7所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警方法，其特征在于，步骤2所述对确认有效的双缆振动信号分别进行特征值提取的具体过程为：
1)将采集到的确认有效的双缆振动信号序列定义为Di＝x(t)，i＝1，2，3……；
2)将在双缆振动信号中获取到的极大值与极小值序列分别定义为Ki与Mi，其中，Ki与Mi中的值为Di中极大值或极小值点所在的横坐标值；
3)构建顺序统计滤波器，设定输入为{Xa}，输出为{Ya}，则窗口大小为：L＝2ω+1，其中ω为相邻极值点间的最小距离，采用顺序统计滤波器分别计算Ki与Mi中的极值点间距最小值，以2ω+1为步长，获取Ki、Mi的包络，记为KB、MB；
4)获取得到包络均值线：Si＝(KB+MB)/2；采用均值平滑滤波器对Si曲线进行平滑处理使其连续，平滑后的均值曲线表示为：
Figure FDA0004060724360000041
其中zt为宽口长度为ω的包络线；
5)计算本征模态函数：Fi＝Di-Si；i＝i+1；Di＝Si-1，当滤波器窗口大小＞Di长度的1/3或者Di的极值点数小于3时截止，反之则重复执行步骤2)～5)；
6)达到截止条件后，将原始信号分解为N个本征模态分量及一个余量R，表示为：
Figure FDA0004060724360000042
7)计算各个模态分量的峭度，计算公式为：
Figure FDA0004060724360000043
其中：μ表示信号平均值；σ表示信号标准差；模态分量的峭度为特征值。
10.根据权利要求7所述的一种空地联合多维判决的光纤定位型周界报警方法，其特征在于，步骤3所述对双缆振动信号分别进行报警分类识别的过程为：对双缆信号提取的特征值分别进行分类识别，以线性核函数、多项式核函数以及高斯核函数进行凸组合构造的多核函数，构造多核SVM器后对提取的特征值进行分类，输出报警分类识别结果，根据分类结果对入侵信号进行报警，同时根据系统监测结果显示相应位置信息。
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