一种分布式光纤周界安防系统技术方案

本发明专利技术公开了一种分布式光纤周界安防系统，该系统包括激光光源(1)、隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一环形器(4)、第二耦合器(5)、第三耦合器(6)、第二环形器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、第一、第二高速采集卡(10、11)、计算机(12)和传感光缆13，对该系统的信号处理包括扰动定位算法、扰动报警和模式识别算法。与现有技术相比，本发明专利技术一方面能够实现扰动定位，另一方面有效提高了周界安防定位系统模式识别的成功率，用于准确识别外界多种入侵行为。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感及检测
，特别涉及一种基于光纤周界安防的高效率多事件的模式识别方法。
技术介绍
随着全球经济水平的不断提升，人民的生活质量有了很大变化，人们对于物质财产以及生命安全越来越重视，对于安防的需求也越来越高，学校、机场、加油站、军事基地等基础设施也越来越完备。分布式光纤扰动定位系统采用光波干涉技术实现入侵扰动检测及定位，具有长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、高环境耐受性、抗电磁干扰、抗腐蚀等特性。为了更加充分的确定外界的入侵行为，模式识别就随之成为了人们更加关注的对象。以往的光纤周界安防定位系统算法是将周界扰动信号传入计算机内直接进行模式识别的处理。由于外界有扰信号在系统检测过程中，存在着环境中风、雨或者噪声的影响，最后检测到的有效信号往往只占很小的比例，提取的各个入侵事件的特征向量差异不明显，导致模式识别的成功率不高，并且可区分的入侵行为的种类也比较少。因此首先对信号进行一些预处理，去掉环境对入侵信号的影响，并对入侵信号进行有效的特征提取，采用高效的识别方法，这样在一定程度上整个系统模式识别的成功率会有很大的提高。
技术实现思路
针对上述的现有技术存在的分布式光纤周界安防定位系统中模式识别的种类少，识别的成功率低等问题及存在的问题，本专利技术提出了一种分布式光纤周界安防系统，对所获得的扰动信号实现包括扰动定位、扰动报警、模式识别的信号处理。本专利技术提出了一种分布式光纤周界安防系统，该系统包括激光光源1、隔离器2、第一耦合器3、第一环形器4、第二耦合器5、第三耦合器6、第二环形器7、第一探测器8、第二探测器9、第一、第二高速采集卡10、11、计算机12和传感光缆13；其中：光由激光光源1发出后，经过隔离器2后，由第一耦合器3分成1:1的两束光，这两束光分别经过第一环形器4和第二耦合器5后，从构成干涉臂两端的第三耦合器6和第二环形器7进入传感环路中并沿相反的两个方向传输，在对端的耦合器3处发生干涉，传感光缆12遇到的扰动，扰动发生位置到传感光缆两端距离不同，形成相干光波到达探测器的时间延迟，沿逆时针方向传播的光波先后到达第一探测器8和沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器9上，由第一探测器8和第二探测器9把光信号转化成电信号，经隔直后，由第一、第二高速采集卡10、11采集到计算机12中，进行下一步信号处理；所述信号处理包括扰动定位算法、扰动报警和模式识别算法。所述扰动定位算法包括以下处理：传感光缆受到扰动，沿逆时针方向传播的光波到达第一探测器8的时间为：t1＝L1n/c沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器9的时间为：t2＝(L-L1)n/c由此可计算出扰动点位置公式：L1=(t1-t2)c2n+L2]]>式中，L1为扰动点距离第一探测器的距离，L是光纤总长度，n是光纤折射率，c是光在真空中的速度(3×108m/s)。所述模式识别算法利用EMD分解信号得到IMF分量，提取包含主要信息的IMF分量的峭度特征，最后再通过支持向量机进行模式识别，具体包括以下处理：步骤一、取一段已知入侵行为的扰动信号x(t)，求取扰动信号x(t)的所有极大值和极小值，并用三次样条对这些极大值和极小值进行插值，得到极大值包络Xmax和极小值包络Xmin，求取极大值包络和极小值包络的平均值m1＝(Xmax+Xmin)/2；步骤二、从扰动信号x(t)中减去上下包络的平均值，得到信号，即：h1＝x(t)-m1；步骤三、如果h1满足IMF条件，则h1即为第一个IMF，即为H1，若h1不满足IMF条件，则h1代替扰动信号x(t)重复步骤一至二k次，直到h1k满足IMF条件，此时的h1k就作为第一个IMF，记为：H1；步骤四、从扰动信号x(t)中减去第一个IMFH1得到剩余部分r1，用剩余部分r1代替扰动信号x(t)，重复步骤一至四，直到最后的剩余部分r1满足下列条件之一：(1)剩余部分r1足够小，以至于小于我们大量实验得到的设定阈值；(2)剩余部分r1是一个单调函数，不满足IMF分解条件，则分解结束；EMD将一个复杂的扰动信号x(t)分解为有限个经验模态函数Hi和一个剩余部分r的和值，即：x(t)=Σu=1dHu+r;]]>步骤五、前M个IMF分量已经能够基本描述扰动信号的扰动特征值，包含了扰动信号的主要信息，因此选择前M个IMF分量，利用峭度的定义计算出包含主要信息的每个IMF分量的峭度特征；其中：i代表第i个IMF分量；N是有限整数；k代表IMF分量中离散点的位置；η代表该位置信号的中心距；步骤六、利用公式对每个峭度进行归一化得到归一化峭度；步骤七、前M个包含主要信息的归一化峭度构成一个特征向量T＝[T′1,T′2,…,T′M]；步骤八、利用D-SVM找到最优的分类函数：f(x)=sgn[Σi=1nαi*yiK(xi,xj)+b*]]]>β＝1,2，…m，αβ*，b*分别为拉格朗日系数和分类阈值，K(xβ,xγ)代表核函数，将扰动信号的特征向量T＝[T′1,T′2,…,T′M]输入支持向量机中，根据各种入侵行为的特征向量的不同进行分类。与现有技术相比，本专利技术一方面能够实现扰动定位，另一方面有效提高了周界安防定位系统模式识别的成功率，用于准确识别外界多种入侵行为。附图说明图1为本专利技术的基于光纤周界安防的高效率多事件的模式识别分布式光纤周界安防定位系统；图2是模式识别流程图；图3是4种外界的入侵模式；图4是4种入侵信号的原始波形图；图5是4种入侵信号经过EMD分解得到IMF图；图6是4种入侵信号的归一化峭度特征图；图7是支持向量机识别分类示意图；附图标记：1、激光光源；2、隔离器；3、第一耦合器；4、第一环形器；5、第二耦合器；6、第二环形器；7、第三耦合器；8、第一探测器；9、第二探测器；10、第一高速采集卡；11、第二高速采集卡；12、计算机；13、传感光缆。具体实施方式本专利技术的原理1、分布式光纤周界安防定位系统的基本原理如图1所示，分布式光纤周界安防定位系统基于双马赫曾德光纤干涉仪原理建立，利用光缆中的两条单模光纤构成马赫曾德光纤干涉仪的两个测试光纤来感应光缆周围的扰动信号。光由激光光源1发出后，经第一耦合器3后被分成1:1的两束光，这两束光分别经过第一环形器4和第二耦合器5后，从构成干涉臂两端的第三耦合器6和第二环形器7进入传感环路中并沿相反的两个方向传输，在对端的耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式光纤周界安防系统，其特征在于，该系统包括激光光源(1)、隔离器(2)、第一耦合器(3)、第一环形器(4)、第二耦合器(5)、第三耦合器(6)、第二环形器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、第一、第二高速采集卡(10、11)、计算机(12)和传感光缆(13)；其中：光由激光光源(1)发出后，经过隔离器(2)后，由第一耦合器(3)分成1:1的两束光，这两束光分别经过第一环形器(4)和第二耦合器(5)后，从构成干涉臂两端的第三耦合器(6)和第二环形器(7)进入传感环路中并沿相反的两个方向传输，在对端的耦合器3处发生干涉，传感光缆(12)遇到的扰动，扰动发生位置到传感光缆两端距离不同，形成相干光波到达探测器的时间延迟，沿逆时针方向传播的光波先后到达第一探测器(8)和沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器(9)上，由第一探测器(8和第二探测器(9)把光信号转化成电信号，经隔直后，由第一、第二高速采集卡(10、11)采集到计算机(12)中，进行下一步信号处理；所述信号处理包括扰动定位算法、扰动报警和模式识别算法。

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤周界安防系统，其特征在于，该系统包括激光光源(1)、隔离
器(2)、第一耦合器(3)、第一环形器(4)、第二耦合器(5)、第三耦合器(6)、
第二环形器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、第一、第二高速采集卡(10、
11)、计算机(12)和传感光缆(13)；其中：
光由激光光源(1)发出后，经过隔离器(2)后，由第一耦合器(3)分成1:1的
两束光，这两束光分别经过第一环形器(4)和第二耦合器(5)后，从构成干涉臂两端
的第三耦合器(6)和第二环形器(7)进入传感环路中并沿相反的两个方向传输，在对
端的耦合器3处发生干涉，传感光缆(12)遇到的扰动，扰动发生位置到传感光缆两端
距离不同，形成相干光波到达探测器的时间延迟，沿逆时针方向传播的光波先后到达第
一探测器(8)和沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器(9)上，由第一探测器(8
和第二探测器(9)把光信号转化成电信号，经隔直后，由第一、第二高速采集卡(10、
11)采集到计算机(12)中，进行下一步信号处理；所述信号处理包括扰动定位算法、
扰动报警和模式识别算法。
2.如权利要求1所述的分布式光纤周界安防系统，其特征在于，所述扰动定位算
法包括以下处理：
传感光缆受到扰动，沿逆时针方向传播的光波到达第一探测器(8)的时间为：
t1＝L1n/c
沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器(9)的时间为：
t2＝(L-L1)n/c
由此可计算出扰动点位置公式：
L1=(t1-t2)c2n+L2]]>式中，L1为扰动点距离第一探测器的距离，L是光纤总长度，n是光纤折射率，c是光

\t在真空中的速度(3×108m/s)。
3.如权利要求1所述的分布式光纤周界安防系统，其特征在于，所述模式识别算
法利用EMD分解信号得到IMF分量，提取包含主要信息的IMF分量的峭度特征，最
后再通过支持向量机进行模式识别，具体包括以下处理：
步骤一、取一段已知入侵行为的扰动信号x(t)，求取扰动信号x(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琨，刘铁根，江俊峰，田苗，马春宇，何畅，柴天娇，李志辰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12