本發(fā)明屬于光學(xué)傳感領(lǐng)域和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，提出了一種基于技術(shù)的周界安防識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)的解調(diào)算法

技術(shù)背景

目前，光學(xué)振動(dòng)傳感技術(shù)已經(jīng)頗為成熟，應(yīng)用廣泛。特別是在安防系統(tǒng)方面，發(fā)揮了巨大的作用。OTDR是一種光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，其核心是通過(guò)終端的信號(hào)解調(diào)技術(shù)，獲得光纖覆蓋范圍內(nèi)的入侵事件信息，并與周界布防警報(bào)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)軍事安放警戒的功能。

現(xiàn)有的周界安全系統(tǒng)專利，主要針對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)。例如，運(yùn)用傳感光纖判定入侵事件的發(fā)明專利于2013年授權(quán),其核心是利用報(bào)警主機(jī)、多個(gè)FPGA單片機(jī)和多組傳感光路之間的聯(lián)通關(guān)系，對(duì)布防區(qū)進(jìn)行整體地實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)光纖干涉儀檢測(cè)信號(hào)頻率能量分布進(jìn)而推斷入侵事件的發(fā)明專利于2014年授權(quán)；利用窄帶光源模塊分析探測(cè)振動(dòng)信號(hào)精細(xì)結(jié)構(gòu)，提升光纖干涉靈敏度的一項(xiàng)發(fā)明專利于2011年授權(quán)；利用系統(tǒng)，構(gòu)建涵蓋連續(xù)后向瑞利散射信號(hào)的干涉系統(tǒng)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩陣，通過(guò)傅里葉變換兼顧振動(dòng)位置和頻率信息頻譜圖的一項(xiàng)發(fā)明專利于2014年授權(quán)等；

1、防區(qū)型光纖周界安防系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)：201320866706，發(fā)明設(shè)計(jì)人：宋旻；李陸梅；

2、防區(qū)型光纖擾動(dòng)周界安防系統(tǒng)及入侵?jǐn)_動(dòng)快速判定方法，申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)：201410241579，發(fā)明設(shè)計(jì)人：劉鐵根；孟卓；

3、一種新型全光纖周界安防系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)：201110459259，發(fā)明設(shè)計(jì)人：郭兆坤；

4、相位OTDR系統(tǒng)中振動(dòng)信號(hào)位置和頻率的同時(shí)提取方法，申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)：201410383027，發(fā)明設(shè)計(jì)人：岳慧敏；張博；吳玉祥；趙必玉；劉永。

傳統(tǒng)的基于視頻監(jiān)測(cè)的安防系統(tǒng)，為哨兵提供了巨大的監(jiān)控負(fù)擔(dān)，無(wú)論對(duì)人力還是對(duì)硬件都提出了較高的要求，且容易受到外界的干擾。紅外探測(cè)技術(shù)不能有效地識(shí)別出防紅外偽裝者的入侵信號(hào)，提升了周界突破的潛在危險(xiǎn)性。此外，現(xiàn)有的周界安防警戒系統(tǒng)無(wú)法同事兼顧紅外探測(cè)、電子攝像、哨兵巡防等多個(gè)檢測(cè)元素，智能化程度有限，對(duì)大范圍全面分析判斷能力較低，具有較高的誤報(bào)率。

現(xiàn)有的周界安防警戒系統(tǒng)能夠從硬件層面上獲得準(zhǔn)確的光學(xué)相位信息，然而，獲得的相位信號(hào)需要進(jìn)行解調(diào)以獲得較為全面，準(zhǔn)確的入侵信息。更重要的是，需要對(duì)外界入侵信息進(jìn)行識(shí)別，在較低誤報(bào)率的情況下全面同時(shí)掌握整個(gè)周界系統(tǒng)的安全狀況。據(jù)此，本發(fā)明專利提出一種基于矩陣論的周界安全信號(hào)解調(diào)算法，該算法可以整體解調(diào)信號(hào)，并在人工智能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上同時(shí)兼顧入侵地點(diǎn)和入侵事件內(nèi)容。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)軍事領(lǐng)域中的周界安防警戒系統(tǒng)，提供了一種通過(guò)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域環(huán)繞鋪設(shè)傳感光纖、感知各處應(yīng)力變化、采集入侵信號(hào)、利用入侵事件預(yù)報(bào)函數(shù)解調(diào)信號(hào)并準(zhǔn)確提供入侵事件地點(diǎn)和種類的方法。該方法融合了技術(shù)、激光器技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、機(jī)械振動(dòng)技術(shù)、軟件等眾多領(lǐng)域的研究成果，是一種將光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)推廣應(yīng)用的新思路。

本發(fā)明硬件部分主要包括如下內(nèi)容：鋪設(shè)環(huán)形分布的傳感光纖，搭建傳感系統(tǒng)，綜合利用在外界應(yīng)力變化情況下光脈沖信號(hào)的相位變化，同時(shí)解調(diào)入侵事件引起的振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率、相位等信息。當(dāng)光纖收到外界擾動(dòng)時(shí)，光程的改變會(huì)引起散射光的相位變化，攜帶擾動(dòng)頻率和強(qiáng)度信息。在多點(diǎn)式實(shí)時(shí)測(cè)量的相干檢測(cè)技術(shù)下，定位入侵信號(hào)位置，對(duì)強(qiáng)度和頻率進(jìn)行定標(biāo)，判定入侵事件并提供位置信息。

其中，利用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行匹配識(shí)別的算法，是本發(fā)明的核心。其主要的思路是建立入侵事件類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)該入侵事件對(duì)應(yīng)的通用信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、相位信息，與獲得的實(shí)測(cè)信息進(jìn)行匹配，同時(shí)得到入侵事件位置、入侵事件類型二維信息。其中，入侵信號(hào)具體的強(qiáng)度、頻率、相位信息可以通過(guò)多次測(cè)量取平均的方法進(jìn)行定義，毋須人工總結(jié)歸納。利用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)多種預(yù)定義入侵事件和實(shí)際信號(hào)的同步比較，通過(guò)相關(guān)函數(shù)計(jì)算其相似度，再設(shè)定對(duì)應(yīng)不同警戒等級(jí)的閾值，在實(shí)際中提供全方位的周界安全警戒功能。

其具體過(guò)程可描述為

1、根據(jù)入侵事件的常見(jiàn)類型，定義不同入侵事件種類，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)k，k的最大值為k₀；

2、對(duì)環(huán)繞警戒區(qū)域的光纖進(jìn)行分段，進(jìn)行編號(hào)，其總長(zhǎng)為總長(zhǎng)為L(zhǎng)，間距為l，

3、改變脈沖的時(shí)域特性，使其周期大于脈沖光在光纖內(nèi)的渡越時(shí)間。將探測(cè)到的信號(hào)按照每段光纖渡越時(shí)間進(jìn)行采樣，并將其劃分為n個(gè)通道。

在數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程中，定義j為入侵事件發(fā)生地。由于光纖的連續(xù)特性，j處發(fā)生的入侵事件會(huì)對(duì)每一段光纖產(chǎn)生不同的響應(yīng)，此時(shí)，i對(duì)應(yīng)相應(yīng)光纖的信號(hào)響應(yīng)，亦即通道i的響應(yīng)。定義t_ijk，表征j處發(fā)生了k事件，第i個(gè)信道的響應(yīng)。對(duì)不同典型入侵事件進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，并獲得預(yù)估解調(diào)幅函數(shù)預(yù)估解調(diào)頻函數(shù)和預(yù)估解調(diào)相函數(shù)每一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)為一個(gè)n-n-k₀的張量。

在使能周界安全警戒系統(tǒng)后，探測(cè)到T_i，將其分別解調(diào)為其中表示信號(hào)T_i的解調(diào)幅函數(shù)，表示信號(hào)T_i的解調(diào)相函數(shù)，表示信號(hào)T_i的解調(diào)頻函數(shù)。

信號(hào)在i通道的相關(guān)函數(shù)定義為

需要注意的是，信號(hào)在i+1、i-1通道的響應(yīng)會(huì)隨著距離的增大出現(xiàn)衰減，因此引入退相關(guān)系數(shù)α，采用將退相關(guān)參量e^-αl引入到相鄰信號(hào)的計(jì)算中，則最近鄰信道的響應(yīng)為

對(duì)于i+2、i-2時(shí)，退相關(guān)參量變?yōu)閑^-2αl，同理可推廣至所有通道。

當(dāng)i＞n或i＜0時(shí)，此時(shí)C_ijk＝0

遍歷預(yù)設(shè)光纖位置j，則獲得總的相關(guān)函數(shù)C_jk＝Σ(C_ijk+C_i+1,jk+C_i-1,jk......)

此時(shí)相關(guān)函數(shù)形成了一個(gè)n×k₀矩陣。在實(shí)際應(yīng)用中，可定義n×k₀預(yù)估閾值矩陣T，當(dāng)相關(guān)函數(shù)矩陣中的元素大于預(yù)估閾值矩陣中的對(duì)應(yīng)元素時(shí)，記錄此時(shí)的j和k，并形成報(bào)告，此時(shí)，j位置發(fā)生了k事件。

通過(guò)上述解調(diào)算法，采用矩陣論的方法，分別以入侵事件類型和入侵地點(diǎn)為兩個(gè)維度，進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的測(cè)量，并利用預(yù)設(shè)閾值矩陣判斷入侵事件的種類。

與其他發(fā)明相比，該算法簡(jiǎn)單易行，首先兼顧了入侵事件和入侵地點(diǎn)兩個(gè)方面的因素，其次能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)地點(diǎn)多個(gè)入侵事件進(jìn)行并行運(yùn)算和并行處理，提供較為全面的入侵信息，最后，該算法使能了技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高了周界安全警戒的可行性和準(zhǔn)確度，降低了誤報(bào)率，并在閾值矩陣設(shè)定層面提供了警戒等級(jí)的可操作性，能夠較好地推動(dòng)周界安全警戒系統(tǒng)的發(fā)展。

具體實(shí)施方式

一種基于矩陣論的光纖周界安全信號(hào)解調(diào)算法，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域環(huán)繞鋪設(shè)傳感光纖、感知各處應(yīng)力變化、采集入侵信號(hào)、利用入侵事件預(yù)報(bào)函數(shù)解調(diào)信號(hào)并準(zhǔn)確提供入侵事件地點(diǎn)和種類。鋪設(shè)環(huán)形分布的傳感光纖，搭建傳感系統(tǒng)，綜合利用在外界應(yīng)力變化情況下光脈沖信號(hào)的相位變化，同時(shí)解調(diào)入侵事件引起的振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率、相位等信息。當(dāng)光纖收到外界擾動(dòng)時(shí)，光程的改變會(huì)引起散射光的相位變化，攜帶擾動(dòng)頻率和強(qiáng)度信息。在多點(diǎn)式實(shí)時(shí)測(cè)量的相干檢測(cè)技術(shù)下，定位入侵信號(hào)位置，對(duì)強(qiáng)度和頻率進(jìn)行定標(biāo)，判定入侵事件并提供位置信息。利用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行匹配識(shí)別的算法，是本發(fā)明的核心，該算法建立入侵事件類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)該入侵事件對(duì)應(yīng)的通用信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、相位信息，與獲得的實(shí)測(cè)信息進(jìn)行匹配，同時(shí)得到入侵事件位置、入侵事件類型二維信息。

該算法可以利用標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言進(jìn)行編譯，或利用矩陣實(shí)驗(yàn)室軟件進(jìn)行編譯。

在預(yù)估數(shù)據(jù)庫(kù)的建立過(guò)程中，可以通過(guò)多次測(cè)量并歸一化取平均的方式，存儲(chǔ)各種入侵事件在各位置發(fā)生的對(duì)應(yīng)預(yù)估解調(diào)函數(shù)。

通過(guò)現(xiàn)有的解調(diào)算法，可分離出實(shí)際測(cè)量的解調(diào)函數(shù)利用時(shí)域分割特性進(jìn)行通道的定序，并調(diào)用預(yù)估解調(diào)函數(shù)，利用循環(huán)計(jì)算獲得相關(guān)函數(shù)矩陣。同時(shí)，利用多次實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)閾值矩陣，通過(guò)矩陣減法得到判定結(jié)果，并根據(jù)實(shí)際需求，以圖像、語(yǔ)音等方式，提供周界有警的通報(bào)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)周界安全警戒功能。