一种分布式光纤周界安防系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及传感及检测技术领域，特别设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。
【背景技术】
[0002] 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W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设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。
[0003] 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。
[0004] W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，运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。
【发明内容】
[0005] 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，本发明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。
[0006] 本发明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 一禪合器3、第一环形器4、第二禪合器5、第Ξ禪合器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：
[0007] 光由激光光源1发出后，经过隔离器2后，由第一禪合器3分成1:1的两束光，运两束 光分别经过第一环形器4和第二禪合器5后，从构成干设臂两端的第Ξ禪合器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，在对端的禪合器3处发生干设，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1〇、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。
[000引所述扰动定位算法包括W下处理：
[0009]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：
[0010] ti = l^in/c
[0011] 沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器9的时间为：
[0012] t2=(X_Li)n/c
[0013 ]由此可计算出扰动点位置公式：
[0014]
[0015] 式中，Li为扰动点距离第一探测器的距离，L是光纤总长度，η是光纤折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0016] 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W下处理：
[0017] 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Ξ次样条对运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mi= (Xmax+Xmin)/2;
[0018] 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:hi = x(t)-mi;
[0019] 步骤S、如果hi满足IMF条件，则hi即为第一个IMF，即为Hi，若hi不满足IMF条件，则 hi代替扰动信号x(t)重复步骤一至二k次，直到hik满足IMF条件，此时的hik就作为第一个 IMF,记为:Hi;
[0020] 步骤四、从扰动信号x(t)中减去第一个IMF化得到剩余部分ri，用剩余部分ri代替 扰动信号x(t)，重复步骤一至四，直到最后的剩余部分ri满足下列条件之一：
[0021] (1)剩余部分η足够小，W至于小于我们大量实验得到的设定阔值；
[0022] (2)剩余部分η是一个单调函数，不满足IMF分解条件，则分解结束；
[0023] 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化和一个剩余部分r 的和值，即：
[0024] 步骤五、前Μ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Μ个IMF分量，利用峭度的定义
十算出包含主要 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1MF分量中 离散点的位置;η代表该位置信号的中屯、距；
[0025] 步骤六、利用公式
对每个峭度进行归一化得到归一化峭度；
[00%]步骤屯、前Μ个包含主要信息的归一化峭度构成一个特征向量Τ=[Τ/ι，Τ/2，···，Τ 'Μ];
[0027]步骤八、利用D-SVM找到最优的分类函数：
[002引
[0029] 0=1，2，.''111，日/，护分别为拉格朗日系数和分类阔值，1((^，义丫）代表核函数，
[0030] 将扰动信号的特征向量τ= [Τ'/i，r2,…，1"Μ]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。
[0031] 与现有技术相比，本发明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】
[0032] 图1为本发明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；
[0033] 图2是模式识别流程图；
[0034] 图3是4种外界的入侵模式；
[0035] 图4是4种入侵信号的原始波形图；
[0036] 图5是4种入侵信号经过EMD分解得到IMF图；
[0037] 图6是4种入侵信号的归一化峭度特征图；
[0038] 图7是支持向量机识别分类示意图；
[0039] 附图标记：1、激光光源；2、隔离器;3、第一禪合器;4、第一环形器;5、第二禪合器； 6、第二环形器;7、第Ξ禪合器;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】
[0040] 本发明的原理
[0041] 1、分布式光纤周界安防定位系统的基本原理
[0042] 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设仪原理建立， 利用光缆中的两条单模光纤构成马赫曾德光纤干设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，经第一禪合器3后被分成1:1的两束光，运两束光分别经 过第一环形器4和第二禪合器5后，从构成干设臂两端的第Ξ禪合器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，在对端的禪合器3处发生干设并输出到第一探测器8和 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采集到计算机中，进行下一步信号处理;传感光缆的P处受到扰动，贝U 由于扰动位置到传感光缆两端距离的不同，导致相干光波到达探测器的时间有一定的延 迟，沿逆时针方向传播的光波到达第一探测器8的时间为：
[0043] ti = l^in/c
[0044] 沿顺时针方向传播的光波到达第二探测器9的时间为：
[0045] t2=(X_Li)n/c
[0046] 式中，Li为扰动点距离第一探测器的距离，L是光纤总长度，η是光纤折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0047] 由此可计算出扰动点位置公式：
[004引
[0049] 2、EMD原理分析
[0050] 传统的数据分析理论均是建立在线性信号和稳定性系统的假设之上。但是在大多 数情况下，实际的测量或者监测系统中的数据都是非线性和非稳定的，为此，1998年化ang 等人提出了一种用于非线性和非平稳信号的处理方法化化ert-Huang transform化HT)理 论。
[0051] HHT理论主要包含两个方面的内容，即经验模态分解和希尔伯特光谱分析。
[0052] 对于任何一个时间序列信号x(t)，经过希尔伯特变换之后，可W得到其复共辆信 号 y(t):
[0化3]
[0054]其中x(t)属于1/空间，PV是柯西积分主值。经过希尔伯特变换之后，实际的探测信 号可W重新定义为：
[0化5]
[0056]其中；
[0化7]
[0058]其中a(t)代表信号的瞬时幅值，0(t)代表相位函数，从而瞬时频率定义为：
[0化9]
[0060] 经过希尔伯特变换之后，可W得到被调制信号的瞬时频率和瞬时相位。然而，任意 函数信号的瞬时频率是难W精确测量的，所W运种方法并不是对所有的测量信号都有效。 只有在被变换的信号是窄带信号，并且此窄带