一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法技术

本发明专利技术提供一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，光纤扰动行为信号的增强步骤包括：时空中值滤波、EMD降噪和端点检测，输入光纤信号首先进行时空中值滤波，消除脉冲信号干扰，然后通过EMD分解获得IMF分量，根据原始信号与各IMF分量间相关系数进行选择性重构，去除环境噪音，最后通过端点检测对较长范围内的原始信号进行有效扰动段提取；通过去除原始信号中大量除破坏行为之外的正常行为的信号，利用端点检测技术对破坏行为产生的信号进行定位，使得提取出的信号更加纯净，质量更优，有效提高了安防系统对破坏行为的识别准确率，并且所耗费的时间相对较少，有效降低时间成本。效降低时间成本。效降低时间成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法


[0001]本专利技术属于光纤信号增强
，更具体地说是一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法。

技术介绍

[0002]当前社区、机场、铁路、高速公路等诸多区域，面临着各类破坏行为的威胁，仅靠人员巡逻难以满足安防的需求，目前分布式光纤传感器具有受到扰动行为信号发生变化的特点，适用于在安防系统中识别各种破坏行为，该方法的优点是成本低、铺设范围广并且响应速度快；
[0003]但是环境中存在的噪声行为也会使光纤信号产生变化，因此，对光纤扰动行为信号的质量提出较高的要求，能否对已有光纤信号去除噪声信息，保留由扰动行为产生的信号成了后续能否准确识别各种破坏行为的关键所在，当光纤信号的质量较低时，噪声信息就会被误识别为破坏行为，导致识别出的破坏行为大量增加，便需要用户对各种破坏行为进行逐一排查，增加了用户的工作量。
[0004]目前，针对光纤扰动行为信号增强的研究和方法较少，光纤不仅受到各种环境噪声信息的影响，而且光纤由于远距离传播的原因产生通道衰减信号，也会影响后续破坏行为的识别准确率；另外，破坏行为通常不是一直存在的，而是瞬时或持续一段时间就结束的，如果识别设备每次都实时将光纤的全部信号进行识别，会造成大量的硬件资源浪费，并且识别所需时间也会大大增加。
[0005]因此，本专利技术提供了一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，提高后续破坏行为识别准确率的同时，减少硬件资源以及时间浪费。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，以解决现有技术对光纤破坏行为识别率较低，且识别耗费的时间较多的问题。
[0007]本专利技术基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：
[0008]一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，所述光纤扰动行为信号的增强方法步骤如下：
[0009]S1：通过滤波器对原始光纤信号进行数据预处理，对时空进行中值滤波，去除通道衰减信号，进而提升后续步骤的识别准确率；此步骤需要解决的技术难题是通道衰减信号的波形、频率和出现均缺乏规律，如何在去除通道衰减信号的过程中尽量避免对其他信号产生影响，影响破坏行为产生的信号；
[0010]S2：接着利用EMD作为时频域处理方法，对信号进行直接分解，而不需要对信号进行预先分析域研究，并得到多个固有模态函数IMF，根据原始信号与各IMF分量间相关系数
进行选择性重构，得到增强的光纤扰动信号；
[0011]S3：再采用谱熵法进行端点检测，光纤扰动信号经过S1步骤时空中值滤波和S2步骤EMD分别对信道衰减和环境产生的噪声进行了抑制，采用光纤扰动信号的短时能量和短时谱熵进行端点检测，从能量和信息熵的角度来更精确地提取破坏行为产生的信号范围，尽可能避免局部干扰影响；
[0012]S4：最后通过计算光纤扰动行为信号每帧信号的谱熵能量，对较长范围内的原始信号进行有效扰动段提取。
[0013]优选的，步骤S1中，所述时空中值滤波包括时间维度中值滤波和空间维度中值滤波。
[0014]优选的，通道衰减信号相对于正常信号的能量变化大并且变化速度快，在时间维度进行中值滤波，可以移除通道衰减信号中能量较大的部分，所述时间维度中值滤波针对的是同一通道的光纤的时域数据，在每个通道的光纤数据上生成一个长度为L1的滑动窗口，此任务中的L1设置为1s，窗口每次滑动的位移为D1，此任务的D1设置为0.5s，即初始窗口覆盖0s
‑
1s的数据，滑动1次后窗口覆盖0.5
‑
1s的数据，在滑动窗口移动的同时计算每个窗口覆盖的信号能量的中位数M1；
[0015]通过设置时间维度中值滤波的阈值T1，此任务中的T1设置为5,将每个滑动窗口的信号能量超过了T1
×
M1的信号数值，修改为能量中位数对应的信号数值。
[0016]优选的，光纤检测到破坏行为时不是单点的信号变化，而是在一段距离的多个通道的光纤信号都会发生相似的变化，通道衰减信号仅会产生在单个通道上，相邻通道同时产生通道衰减的情况较少，因此，在时间中值滤波后在空间维度对相邻通道进行中值滤波，去除与相邻通道差别较大的通道衰减信号；
[0017]所述空间维度中值滤波针对的是同一时刻的光纤的不同通道的数据，在每一时刻的光纤数据上生成一个长度为L2的滑动窗口，此任务中的L2设置为5，覆盖了相邻的5个通道，窗口每次滑动的位移为D2，此任务的D2为2个通道，即初始窗口覆盖1
‑
5通道的数据，滑动1次后窗口覆盖3
‑
7通道的数据，在滑动窗口移动的同时计算每个窗口覆盖的信号能量的中位数M2；
[0018]通过设置空间维度中值滤波的阈值T2，此任务中的T2设置为2,将每个滑动窗口的信号能量超过了T2
×
M2的信号数值，修改为能量中位数对应的信号数值。
[0019]优选的，步骤S2中，由于光纤检测的扰动行为信号中存在较多的环境干扰噪声，这些噪声是随机非平稳的，会严重影响特征提取过程，进而使得后续的识别模型鲁棒性较差；而传统的降噪方法(如谱减法)局限性较大，不能有效去除光纤中的噪声；而EMD作为时频域处理方法，不需要对信号进行预先分析域研究，能直接对其进行分解，得到多个固有模态函数(IMF)，每个IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信号；
[0020]所述EMD时频域处理方法具体步骤如下：
[0021]C1：首先计算光纤扰动信号x(t)的所有局部极值点，利用三次样条插值函数来拟合x(t)的上、下包络线，分别记为x
up
(t)和x
low
(t)；然后计算x
up
(t)和x
low
(t)的平均包络线m(t)；再用x(t)减去m(t)得到新数据h1(t)；
[0022]C2：然后对h1(t)进行判断，是否符合IMF条件：
[0023]其一，整个数据集中，极值数和过零数必须相等或不大于1；
[0024]其二，在任意点上，由局部极大值和局部极小值定义的包络线的均值为零；
[0025]C3：若不满足IMF条件，则以h1(t)为基础，重新做C1、C2步骤，直至满足条件，若h1(t)满足条件，则其就为第一个IMF分量，并用x(t)减去h1(t)，得到剩余信号r1(t)；
[0026]C4：以r1(t)为基础，重复上述C1
‑
C3步骤，直至r
n
(t)为单调函数，整个光纤扰动信号IMF分量提取数学表达式为：
[0027]C5：提取出n个IMF分量，每个分量包含了原始光纤扰动信号中存在的频率成分，为了去除噪声频率分离，将每个分量与原信号x(t)计算相似度原始EMD算法通常采用相关系数r作为判断依据，但光纤信号采样点较多，会导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，其特征在于，所述光纤扰动行为信号的增强方法步骤如下：S1：通过滤波器对原始光纤信号进行数据预处理，对时空进行中值滤波，去除通道衰减信号，进而提升后续步骤的识别准确率；S2：接着利用EMD作为时频域处理方法，对信号进行直接分解，而不需要对信号进行预先分析域研究，并得到多个固有模态函数IMF，根据原始信号与各IMF分量间相关系数进行选择性重构，得到增强的光纤扰动信号，为后续谱熵法进行端点检测消除干扰信号的影响；S3：再采用谱熵法进行端点检测，光纤扰动信号经过S1步骤时空中值滤波和S2步骤EMD分别对信道衰减和环境产生的噪声进行了抑制，采用光纤扰动信号的短时能量和短时谱熵进行端点检测，从能量和信息熵的角度来更精确地提取破坏行为产生的信号范围，尽可能避免局部干扰影响；S4：最后通过计算光纤扰动行为信号每帧信号的谱熵能量，对较长范围内的原始信号进行有效扰动段提取。2.如权利要求1所述基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，其特征在于：步骤S1中，所述时空中值滤波包括时间维度中值滤波和空间维度中值滤波。3.如权利要求2所述基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，其特征在于：所述时间维度中值滤波针对的是同一通道的光纤的时域数据，在每个通道的光纤数据上生成一个长度为L1的滑动窗口，此任务中的L1设置为1s，窗口每次滑动的位移为D1，此任务的D1设置为0.5s，即初始窗口覆盖0s
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1s的数据，滑动1次后窗口覆盖0.5
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1s的数据，在滑动窗口移动的同时计算每个窗口覆盖的信号能量的中位数M1；通过设置时间维度中值滤波的阈值T1，此任务中的T1设置为5,将每个滑动窗口的信号能量超过了T1
×
M1的信号数值，修改为能量中位数对应的信号数值。4.如权利要求2所述基于降噪和端点检测的光纤扰动行为信号的增强方法，其特征在于：所述空间维度中值滤波针对的是同一时刻的光纤的不同通道的数据，在每一时刻的光纤数据上生成一个长度为L2的滑动窗口，此任务中的L2设置为5，覆盖了相邻的5个通道，窗口每次滑动的位移为D2，此任务的D2为2个通道，即初始窗口覆盖1
‑
5通道的数据，滑动1次后窗口覆盖3
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7通道的数据，在滑动窗口移动的同时计算每个窗口覆盖的信号能量的中位数M2；通过设置空间维度中值滤波的阈值T2，此任务中的T2设置为2,将每个滑动窗口的信号能量超过了T2
×
M2的信号数值，修...

【专利技术属性】
技术研发人员：易黎，王涛，杨学鑫，钱柏丞，宋南，
申请(专利权)人：南京烽火星空通信发展有限公司，
类型：发明
国别省市：