一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及傳感及檢測技術領域，特別設及一種基于光纖周界安防的高效率多事 件的模式識別方法。
【背景技術】
[0002] 隨著全球經濟水平的不斷提升，人民的生活質量有了很大變化，人們對于物質財 產W及生命安全越來越重視，對于安防的需求也越來越高，學校、機場、加油站、軍事基地等 基礎設施也越來越完備。分布式光纖擾動定位系統(tǒng)采用光波干設技術實現入侵擾動檢測及 定位，具有長距離監(jiān)控、高精度定位功能、低能源依賴性、高環(huán)境耐受性、抗電磁干擾、抗腐 蝕等特性。
[0003] 為了更加充分的確定外界的入侵行為，模式識別就隨之成為了人們更加關注的對 象。
[0004] W往的光纖周界安防定位系統(tǒng)算法是將周界擾動信號傳入計算機內直接進行模 式識別的處理。由于外界有擾信號在系統(tǒng)檢測過程中，存在著環(huán)境中風、雨或者噪聲的影 響，最后檢測到的有效信號往往只占很小的比例，提取的各個入侵事件的特征向量差異不 明顯，導致模式識別的成功率不高，并且可區(qū)分的入侵行為的種類也比較少。因此首先對信 號進行一些預處理，去掉環(huán)境對入侵信號的影響，并對入侵信號進行有效的特征提取，采用 高效的識別方法，運樣在一定程度上整個系統(tǒng)模式識別的成功率會有很大的提高。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對上述的現有技術存在的分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)中模式識別的種類少， 識別的成功率低等問題及存在的問題，本發(fā)明提出了一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)，對所 獲得的擾動信號實現包括擾動定位、擾動報警、模式識別的信號處理。
[0006] 本發(fā)明提出了一種分布式光纖周界安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光光源1、隔離器2、第 一禪合器3、第一環(huán)形器4、第二禪合器5、第Ξ禪合器6、第二環(huán)形器7、第一探測器8、第二探 測器9、第一、第二高速采集卡10、11、計算機12和傳感光纜13;其中：
[0007] 光由激光光源1發(fā)出后，經過隔離器2后，由第一禪合器3分成1:1的兩束光，運兩束 光分別經過第一環(huán)形器4和第二禪合器5后，從構成干設臂兩端的第Ξ禪合器6和第二環(huán)形 器7進入傳感環(huán)路中并沿相反的兩個方向傳輸，在對端的禪合器3處發(fā)生干設，傳感光纜12 遇到的擾動，擾動發(fā)生位置到傳感光纜兩端距離不同，形成相干光波到達探測器的時間延 遲，沿逆時針方向傳播的光波先后到達第一探測器8和沿順時針方向傳播的光波到達第二 探測器9上，由第一探測器8和第二探測器9把光信號轉化成電信號，經隔直后，由第一、第二 高速采集卡1〇、11采集到計算機12中，進行下一步信號處理;所述信號處理包括擾動定位算 法、擾動報警和模式識別算法。
[000引所述擾動定位算法包括W下處理：
[0009]傳感光纜受到擾動，沿逆時針方向傳播的光波到達第一探測器8的時間為：
[0010] ti = l^in/c
[0011] 沿順時針方向傳播的光波到達第二探測器9的時間為：
[0012] t2=(X_Li)n/c
[0013 ]由此可計算出擾動點位置公式：
[0014]
[0015] 式中，Li為擾動點距離第一探測器的距離，L是光纖總長度，η是光纖折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0016] 所述模式識別算法利用EMD分解信號得到IMF分量，提取包含主要信息的IMF分量 的峭度特征，最后再通過支持向量機進行模式識別，具體包括W下處理：
[0017] 步驟一、取一段已知入侵行為的擾動信號x(t)，求取擾動信號x(t)的所有極大值 和極小值，并用Ξ次樣條對運些極大值和極小值進行插值，得到極大值包絡Xmax和極小值包 絡Xmin，求取極大值包絡和極小值包絡的平均值mi= (Xmax+Xmin)/2;
[0018] 步驟二、從擾動信號x(t)中減去上下包絡的平均值，得到信號，即:hi = x(t)-mi;
[0019] 步驟S、如果hi滿足IMF條件，則hi即為第一個IMF，即為Hi，若hi不滿足IMF條件，則 hi代替擾動信號x(t)重復步驟一至二k次，直到hik滿足IMF條件，此時的hik就作為第一個 IMF,記為:Hi;
[0020] 步驟四、從擾動信號x(t)中減去第一個IMF化得到剩余部分ri，用剩余部分ri代替 擾動信號x(t)，重復步驟一至四，直到最后的剩余部分ri滿足下列條件之一：
[0021] (1)剩余部分η足夠小，W至于小于我們大量實驗得到的設定闊值；
[0022] (2)剩余部分η是一個單調函數，不滿足IMF分解條件，則分解結束；
[0023] EMD將一個復雜的擾動信號x(t)分解為有限個經驗模態(tài)函數化和一個剩余部分r 的和值，即：
[0024] 步驟五、前Μ個IMF分量已經能夠基本描述擾動信號的擾動特征值，包含了擾動信 號的主要信息，因此選擇前Μ個IMF分量，利用峭度的定義
十算出包含主要 信息的每個IMF分量的峭度特征;其中：i代表第i個IMF分量;N是有限整數;k代表1MF分量中 離散點的位置;η代表該位置信號的中屯、距；
[0025] 步驟六、利用公式
對每個峭度進行歸一化得到歸一化峭度；
[00%]步驟屯、前Μ個包含主要信息的歸一化峭度構成一個特征向量Τ=[Τ/ι，Τ/2，···，Τ 'Μ];
[0027]步驟八、利用D-SVM找到最優(yōu)的分類函數：
[002引
[0029] 0=1，2，.''111，日/，護分別為拉格朗日系數和分類闊值，1((^，義丫）代表核函數，
[0030] 將擾動信號的特征向量τ= [Τ'/i，r2,…，1"Μ]輸入支持向量機中，根據各種入侵行 為的特征向量的不同進行分類。
[0031] 與現有技術相比，本發(fā)明一方面能夠實現擾動定位，另一方面有效提高了周界安 防定位系統(tǒng)模式識別的成功率，用于準確識別外界多種入侵行為。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明的基于光纖周界安防的高效率多事件的模式識別分布式光纖周界安 防定位系統(tǒng)；
[0033] 圖2是模式識別流程圖；
[0034] 圖3是4種外界的入侵模式；
[0035] 圖4是4種入侵信號的原始波形圖；
[0036] 圖5是4種入侵信號經過EMD分解得到IMF圖；
[0037] 圖6是4種入侵信號的歸一化峭度特征圖；
[0038] 圖7是支持向量機識別分類示意圖；
[0039] 附圖標記：1、激光光源；2、隔離器;3、第一禪合器;4、第一環(huán)形器;5、第二禪合器； 6、第二環(huán)形器;7、第Ξ禪合器;8、第一探測器;9、第二探測器；10、第一高速采集卡；11、第二 高速采集卡;12、計算機;13、傳感光纜。
【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明的原理
[0041] 1、分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)的基本原理
[0042] 如圖1所示，分布式光纖周界安防定位系統(tǒng)基于雙馬赫曾德光纖干設儀原理建立， 利用光纜中的兩條單模光纖構成馬赫曾德光纖干設儀的兩個測試光纖來感應光纜周圍的 擾動信號。光由激光光源1發(fā)出后，經第一禪合器3后被分成1:1的兩束光，運兩束光分別經 過第一環(huán)形器4和第二禪合器5后，從構成干設臂兩端的第Ξ禪合器6和第二環(huán)形器7進入傳 感環(huán)路中并沿相反的兩個方向傳輸，在對端的禪合器3處發(fā)生干設并輸出到第一探測器8和 第二探測器9上；由第一探測器8和第二探測器9把光信號轉化成電信號，經隔直后，由第一、 第二高速采集卡10、11采集到計算機中，進行下一步信號處理;傳感光纜的P處受到擾動，貝U 由于擾動位置到傳感光纜兩端距離的不同，導致相干光波到達探測器的時間有一定的延 遲，沿逆時針方向傳播的光波到達第一探測器8的時間為：
[0043] ti = l^in/c
[0044] 沿順時針方向傳播的光波到達第二探測器9的時間為：
[0045] t2=(X_Li)n/c
[0046] 式中，Li為擾動點距離第一探測器的距離，L是光纖總長度，η是光纖折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0047] 由此可計算出擾動點位置公式：
[004引
[0049] 2、EMD原理分析
[0050] 傳統(tǒng)的數據分析理論均是建立在線性信號和穩(wěn)定性系統(tǒng)的假設之上。但是在大多 數情況下，實際的測量或者監(jiān)測系統(tǒng)中的數據都是非線性和非穩(wěn)定的，為此，1998年化ang 等人提出了一種用于非線性和非平穩(wěn)信號的處理方法化化ert-Huang transform化HT)理 論。
[0051] HHT理論主要包含兩個方面的內容，即經驗模態(tài)分解和希爾伯特光譜分析。
[0052] 對于任何一個時間序列信號x(t)，經過希爾伯特變換之后，可W得到其復共輛信 號 y(t):
[0化3]
[0054]其中x(t)屬于1/空間，PV是柯西積分主值。經過希爾伯特變換之后，實際的探測信 號可W重新定義為：
[0化5]
[0056]其中；
[0化7]
[0058]其中a(t)代表信號的瞬時幅值，0(t)代表相位函數，從而瞬時頻率定義為：
[0化9]
[0060] 經過希爾伯特變換之后，可W得到被調制信號的瞬時頻率和瞬時相位。然而，任意 函數信號的瞬時頻率是難W精確測量的，所W運種方法并不是對所有的測量信號都有效。 只有在被變換的信號是窄帶信號，并且此窄帶