干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光纖振動(dòng)傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種特別適用于安防周界用的干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于包括：從數(shù)據(jù)采集端讀取光纖振動(dòng)傳感器所采集數(shù)據(jù)，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行特征值的計(jì)算；多特征值檢測(cè)，判斷是否有入侵，若是，進(jìn)行報(bào)警，否則重復(fù)步驟1-5進(jìn)行下輪識(shí)別；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，增加了對(duì)原始信號(hào)模態(tài)分解處理，增加了判斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用多特征值的門限檢測(cè)方式，可消除某一特定特征出現(xiàn)偶然性引起誤報(bào)的可能，保證在有風(fēng)雨、車輛等干擾的情況下，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警。
【專利說(shuō)明】干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖振動(dòng)傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種特別適用于安防周界用的干涉型光纖周界安防系統(tǒng)的干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人們的安防意識(shí)逐步提高，尤其是針對(duì)油庫(kù)、國(guó)防、各種化工廠、燃料庫(kù)、核電站、碼頭等關(guān)系到國(guó)民安全的重要領(lǐng)域，隨之而來(lái)的安防監(jiān)測(cè)設(shè)施層出不窮。相較于傳統(tǒng)的安防監(jiān)測(cè)方式，如人工監(jiān)測(cè)、紅外對(duì)射、電子圍欄等眾多安防入侵系統(tǒng)，干涉型光纖周界安防系統(tǒng)具有耐高溫高壓、抗電磁干擾、監(jiān)測(cè)區(qū)域大、無(wú)漏報(bào)、誤報(bào)率低等優(yōu)勢(shì)，適用于易燃、易爆及潮濕等惡劣環(huán)境。
[0003]干涉型光纖周界安防系統(tǒng)是基于光干涉相位調(diào)制技術(shù)，將光纖作為傳輸傳感二合一的器件，通過(guò)直接接觸或承載物如覆土、鋼絲網(wǎng)、圍欄等接觸方式，置于待測(cè)環(huán)境中，當(dāng)受到外界振動(dòng)時(shí)，由于光纖的應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)，傳感光纖受到振動(dòng)信號(hào)作用導(dǎo)致光纖自身長(zhǎng)度、直徑和折射率發(fā)生變化，而使光纖中傳輸?shù)墓庀辔话l(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)光纖中光波相位的變化可知響應(yīng)的振動(dòng)情況。
[0004]基于干涉原理的周界安防系統(tǒng)，目前光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式包括邁克爾遜干涉原理、薩格奈克干涉原理以及馬赫-曾德干涉原理。然而無(wú)論采用何種實(shí)現(xiàn)原理，均會(huì)存在信號(hào)識(shí)別的問(wèn)題，尤其是環(huán)境惡劣、干擾較多的條件下，很難精確識(shí)別人為入侵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種可用于惡劣環(huán)境、干擾較多環(huán)境下的干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法。
[0006]本發(fā)明可以通過(guò)以下措施達(dá)到:
一種干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1:從數(shù)據(jù)采集端讀取光纖振動(dòng)傳感器所采集數(shù)據(jù)，
步驟2:對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；
步驟3:經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；
步驟4:對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行特征值的計(jì)算；
步驟5:多特征值檢測(cè)，判斷是否有入侵，若是，進(jìn)行報(bào)警，否則重復(fù)步驟1-: 5進(jìn)行下輪識(shí)別。
[0007]本發(fā)明步驟2中對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理具體為運(yùn)用MF可把歸一化振動(dòng)信號(hào)S(t)按以下篩選流程:
步驟1:找出S(t)中所有局部極大值以及局部最小值，利用三次多項(xiàng)式擬合，分別將局部最大值串成上包絡(luò)線，局部最小值串成下包絡(luò)線；
步驟2:求出上下包絡(luò)線之間平均，得到均值包絡(luò)線HI1 (t)；
步驟3:原始信號(hào)S (t)與均值包絡(luò)線相減，得到第一個(gè)分量Ii1 (t)；步驟4:檢查Ill (t)是否符合IMF條件，如果不符合，則回到步驟I并將Ii1 (t)當(dāng)做原始信號(hào)進(jìn)行第二次篩選，得到h2 (t)，重復(fù)篩選K次，知道hK (t)符合IMF條件，即得到第一個(gè)MF 分量 C1 (t)，即 C1 (t)= hK(t)；
步驟5:原始信號(hào)S (t)減去C1 (t)可剩余!T1 (t)；
步驟6 Jfr1 (t)作為新的資料，重新執(zhí)行步驟1、步驟2……步驟5，得到新的剩余量r2 (t)，如此重復(fù)η次；
步驟7:當(dāng)?shù)讦莻€(gè)剩余量^⑴已成為單調(diào)函數(shù)，將無(wú)法再分解MF時(shí)，整個(gè)EMD的分解過(guò)程完成。
[0008]本發(fā)明中根據(jù)經(jīng)典模態(tài)分解后的MF進(jìn)行多特征值分析過(guò)程如下:
步驟1:提取經(jīng)典模態(tài)分解MF1UMF2...IMFn模態(tài)進(jìn)行過(guò)零率計(jì)算分析，得到η組過(guò)零率與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足；
步驟2:針對(duì)信號(hào)加權(quán)頻率計(jì)算，對(duì)每一階IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，得到每個(gè)IMF的Hilbert變換后求出相應(yīng)的解析函數(shù)幅值譜和瞬時(shí)頻率，根據(jù)分析，采用η階IMF分量即可進(jìn)行判斷，對(duì)頂F1、IMF2 -1MFn的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加權(quán)頻率wf [η]計(jì)算，加權(quán)頻率反映信號(hào)頻譜能量的分布情況；一般來(lái)說(shuō)，wf [η]值越小，說(shuō)明頻譜能量主要集中在低頻，相反，wf [η]值越大，則說(shuō)明頻譜能量主要集中在高頻，設(shè)定判定閾值，加權(quán)頻率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)判定滿足；
步驟3:模態(tài)邊際譜質(zhì)心計(jì)算,對(duì)每一階IMF分量進(jìn)行Hilbert變換,求出相應(yīng)解析函數(shù)的幅值譜和瞬時(shí)頻率 譜，并計(jì)算其頻率譜質(zhì)心，譜質(zhì)心是信號(hào)頻率成分的中心，在一定頻率范圍內(nèi)通過(guò)能量加權(quán)平均頻率，表示隨強(qiáng)度變換的特性，針對(duì)離散信號(hào)的譜質(zhì)心求出的是序號(hào)。分別對(duì)頂F1、IMF2-1MFn模態(tài)的邊際譜質(zhì)心與η組設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足；
步驟4:小波包分解，對(duì)MFl、IMF2-1MFn模態(tài)信號(hào)進(jìn)行基于db5的五層小波包分解，得到其第五層小波包分解系數(shù)，獲得小波分解高頻分量，進(jìn)行計(jì)算η組模態(tài)信號(hào)高頻能量值，將計(jì)算值與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足。
[0009]本發(fā)明所述的多特征值檢測(cè)包括以下步驟:
步驟1:數(shù)學(xué)建模，需保證有效特征值的合理利用，同時(shí)兼顧不同的信號(hào)特征值在對(duì)信號(hào)分類上的優(yōu)、劣勢(shì)，建立多特征值聯(lián)合的數(shù)學(xué)模型，Y= β J1+ β 2y+...+ β ηyη，其中Yn為根據(jù)不同信號(hào)特征判斷出信號(hào)的種類，最后判斷結(jié)果Y的貢獻(xiàn)率，其中h+i^...+ βη=1 ；
步驟2:學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)多組對(duì)比判讀，訓(xùn)練確定每個(gè)β的大小選擇，假設(shè)某一特征值的計(jì)算值已超過(guò)判決門限，但多特征聯(lián)合判決并未滿足，須人為對(duì)β η進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償原則為:對(duì)特征計(jì)算值超出門限值部分值乘以一個(gè)系數(shù)后，加到原來(lái)的貢獻(xiàn)率β上；
步驟3:計(jì)算最終判定值Y值，與設(shè)定判定門限比較，大于判定門限值人為有入侵行為，進(jìn)行報(bào)警。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了一種全新的干涉型光纖周界安防系統(tǒng)振動(dòng)入侵識(shí)別算法，該方法利用經(jīng)典模態(tài)分解的方式，來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模式分析，能夠在有外界干擾的情況下，準(zhǔn)確判定入侵行為并報(bào)警；相較于傳統(tǒng)方法，增加了對(duì)原始信號(hào)模態(tài)分解處理，增加了判斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用多特征值的門限檢測(cè)方式，可消除某一特定特征出現(xiàn)偶然性引起誤報(bào)的可能，保證在有風(fēng)雨、車輛等干擾的情況下，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖1為本算法總體流程圖。
[0012]附圖2為在輕微干擾條件下有、無(wú)入侵時(shí)的時(shí)域波形圖。
[0013]附圖3為在輕微干擾條件下有、無(wú)入侵時(shí)歸一化后的時(shí)域波形圖。
[0014]附圖4為在輕微干擾條件下有入侵3階IMF數(shù)據(jù)圖形。
[0015]附圖5為在輕微干擾條件下無(wú)入侵3階IMF數(shù)據(jù)圖形。
[0016]附圖6為在輕微干擾條件下有入侵3階IMF的小波包分解高頻能量信號(hào)圖。
[0017]附圖7為在輕微干擾條件下無(wú)入侵3階IMF的小波包分解高頻能量信號(hào)圖。
[0018]附圖8為在風(fēng)雨干擾條件下有、無(wú)入侵時(shí)的時(shí)域波形圖。
[0019]附圖9為在風(fēng)雨干擾條件下有、無(wú)入侵時(shí)歸一化后的時(shí)域波形圖。
[0020]附圖10為在風(fēng)雨干擾條件下有入侵3階IMF數(shù)據(jù)圖形。
[0021]附圖11為在風(fēng)雨干擾條件下無(wú)入侵3階IMF數(shù)據(jù)圖形。
[0022]附圖12為在風(fēng)雨干擾條件下有入侵3階IMF的小波包分解高頻能量信號(hào)圖。
[0023]附圖13為在風(fēng)雨干擾條件下無(wú)入侵3階IMF的小波包分解高頻能量信號(hào)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下部分為參照附圖【具體實(shí)施方式】。
[0025]實(shí)施例:
本發(fā)明是基于經(jīng)典模態(tài)分解(EMD)的多特征值分析的技術(shù)方案，該算法是一種用于語(yǔ)音信號(hào)參數(shù)特征提取方法，適用于非線性和非平穩(wěn)的信號(hào)分析，能把復(fù)雜的信號(hào)分解為從高頻到低頻的若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(MF)，從而得到具有物理意義的瞬時(shí)頻率參數(shù)，EMD算法對(duì)信號(hào)突變性非常敏感，分解后能夠保留其突變性；同時(shí)EMD算法可把多個(gè)耦合在一起的不同頻率信號(hào)分離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間解耦，有利于信號(hào)進(jìn)一步分析及處理，避免假頻率和多余信號(hào)分量等冗余問(wèn)題出現(xiàn)；和簡(jiǎn)單的單調(diào)函數(shù)相比，一個(gè)IMF代表一個(gè)簡(jiǎn)單的振動(dòng)模態(tài)，IMF的定義有兩個(gè)條件:(I)其數(shù)據(jù)中的過(guò)零點(diǎn)個(gè)數(shù)和極值點(diǎn)個(gè)數(shù)相等或最多相差一個(gè)；(2)其局部極大值和極小值分別構(gòu)成的上、下包絡(luò)線的均值為零。
[0026]如圖1所示，為整個(gè)算法的總體設(shè)計(jì)流程圖，結(jié)合流程圖其工作流程如下:
步驟1:讀取數(shù)據(jù):設(shè)定的采樣頻率為ΙΟΚΗζ，每組數(shù)據(jù)設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)為2500個(gè)點(diǎn)，每組數(shù)據(jù)單獨(dú)分析、計(jì)算、判斷，以圖2、圖8為例，分別為輕微干擾和風(fēng)雨干擾條件下采集的數(shù)據(jù)時(shí)域圖；
步驟2:歸一化處理:將讀取信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，信號(hào)幅值歸一化到[-1，I]的區(qū)間內(nèi)，如圖3、圖9所示，進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)歸一化；
步驟3:經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解:按照經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解步驟，對(duì)歸一化的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分解，分解階數(shù)n=3，得到IMFUIMF2.1MF3的3級(jí)IMF函數(shù)，如圖4、圖5、圖10、圖11得到輕微干擾和風(fēng)雨干擾條件下的頂F1、IMF2, IMF3數(shù)據(jù)圖形；
步驟4:特征值的計(jì)算:1) MF過(guò)零率計(jì)算，分別求取MFl、IMF2, IMF3的過(guò)零率并記錄至Ij IMF-E(IMF-E1, IMF-E2, IMF-E3)中；2)加權(quán)頻率計(jì)算，求取3階IMF加權(quán)頻率記錄到MF-F中；3)邊際譜質(zhì)心計(jì)算，分別求取MFl、IMF2, IMF3的邊際譜質(zhì)心，并記錄到IMF-SdMF-Sl, IMF-S2, IMF-S3)中；4)小波包分解計(jì)算，分別對(duì)MF1、MF2、MF3進(jìn)行小波包分解及高頻能量重構(gòu)，如圖6、圖7、圖12、圖13得到MF1UMF2UMF3重構(gòu)的高頻能量分量，計(jì)算其高頻能量記錄到頂F-WaMF-Wl，MF-W2，MF-W3)中。其計(jì)算結(jié)果如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:從數(shù)據(jù)采集端讀取光纖振動(dòng)傳感器所采集數(shù)據(jù)， 步驟2:對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理； 步驟3:經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解； 步驟4:對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行特征值的計(jì)算； 步驟5:多特征值檢測(cè)，判斷是否有入侵，若是，進(jìn)行報(bào)警，否則重復(fù)步驟1-: 5進(jìn)行下輪識(shí)別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理具體為運(yùn)用MF可把歸一化振動(dòng)信號(hào)S(t)按以下流程篩選: 步驟1:找出S(t)中所有局部極大值以及局部最小值，利用三次多項(xiàng)式擬合，分別將局部最大值串成上包絡(luò)線，局部最小值串成下包絡(luò)線； 步驟2:求出上下包絡(luò)線之間平均，得到均值包絡(luò)線Hl1 (t)； 步驟3:原始信號(hào)S (t)與均值包絡(luò)線相減，得到第一個(gè)分量Ii1 (t)； 步驟4:檢查Ill (t)是否符合IMF條件，如果不符合，則回到步驟I并將Ii1 (t)當(dāng)做原始信號(hào)進(jìn)行第二次篩選，得到h2 (t)，重復(fù)篩選K次，知道hK (t)符合IMF條件，即得到第一個(gè)MF 分量 C1 (t)，即 C1 (t)= hK(t)； 步驟5:原始信號(hào)S (t)減去C1 (t)可剩余!T1 (t)； 步驟6 Jfr1 (t)作為新的資料，重新執(zhí)行步驟1、步驟2至步驟5，得到新的剩余量r2 (t)，如此重復(fù)η次； 步驟7:當(dāng)?shù)讦莻€(gè)剩余量^⑴已成為單調(diào)函數(shù)，將無(wú)法再分解MF時(shí)，整個(gè)EMD的分解過(guò)程完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于根據(jù)經(jīng)典模態(tài)分解后的IMF進(jìn)行多特征值分析過(guò)程如下: 步驟1:提取經(jīng)典模態(tài)分解頂Fl UMF2...MFn模態(tài)進(jìn)行過(guò)零率計(jì)算分析，得到η組過(guò)零率與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足； 步驟2:針對(duì)信號(hào)加權(quán)頻率計(jì)算，對(duì)每一階IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，得到每個(gè)IMF的Hilbert變換后求出相應(yīng)的解析函數(shù)幅值譜和瞬時(shí)頻率，根據(jù)分析，采用η階IMF分量即可進(jìn)行判斷，對(duì)頂F1、IMF2 -1MFn的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加權(quán)頻率wf [η]計(jì)算，加權(quán)頻率反映信號(hào)頻譜能量的分布情況；一般來(lái)說(shuō)，wf [η]值越小，說(shuō)明頻譜能量主要集中在低頻，相反，wf [η]值越大，則說(shuō)明頻譜能量主要集中在高頻，設(shè)定判定閾值，加權(quán)頻率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)判定滿足； 步驟3:模態(tài)邊際譜質(zhì)心計(jì)算,對(duì)每一階IMF分量進(jìn)行Hilbert變換,求出相應(yīng)解析函數(shù)的幅值譜和瞬時(shí)頻率譜，并計(jì)算其頻率譜質(zhì)心，譜質(zhì)心是信號(hào)頻率成分的中心，在一定頻率范圍內(nèi)通過(guò)能量加權(quán)平均頻率，表示隨強(qiáng)度變換的特性，針對(duì)離散信號(hào)的譜質(zhì)心求出的是序號(hào)。分別對(duì)頂F1、IMF2-1MFn模態(tài)的邊際譜質(zhì)心與η組設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足； 步驟4:小波包分解，對(duì)MFl、IMF2-1MFn模態(tài)信號(hào)進(jìn)行基于db5的五層小波包分解，得到其第五層小波包分解系數(shù)，獲得小波分解高頻分量，進(jìn)行計(jì)算η組模態(tài)信號(hào)高頻能量值，將計(jì)算值與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)設(shè)定閾值判定滿足。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種干涉型光纖周界振動(dòng)入侵識(shí)別算法，其特征在于所述的多特征值檢測(cè)包括以下步驟: 步驟1:數(shù)學(xué)建模，需保證有效特征值的合理利用，同時(shí)兼顧不同的信號(hào)特征值在對(duì)信號(hào)分類上的優(yōu)、劣勢(shì)，建立多特征值聯(lián)合的數(shù)學(xué)模型，Y= β J1+ β 2Υ2+...+ β ηΥη，其中Yn為根據(jù)不同信號(hào)特征判斷出信號(hào)的種類，最后判斷結(jié)果Y的貢獻(xiàn)率，其中h+i^...+ βη=1 ； 步驟2:學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)多組對(duì)比判讀，訓(xùn)練確定每個(gè)β的大小選擇，假設(shè)某一特征值的計(jì)算值已超過(guò)判決門限，但多特征聯(lián)合判決并未滿足，須人為對(duì)β η進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償原則為:對(duì)特征計(jì)算值超出門限值部分值乘以一個(gè)系數(shù)后，加到原來(lái)的貢獻(xiàn)率β上； 步驟3:計(jì)算最終判定值Y值，與設(shè)定判定門限比較，大于判定門限值人為有入侵行為，進(jìn)行報(bào)警。
【文檔編號(hào)】G08B13/18GK103617684SQ201310672088
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】喬秋曉, 王建強(qiáng), 梁明明, 張凱 申請(qǐng)人:威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司