专利名称：宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置的制作方法
宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置 技术领域宽域全光纤扰动传感网络系统主要用于各类输送危险或高价值化工品管道 安全监测监控等的管道监控，属于光纤传感检测技术领域。
背景技术：
随着科技以及社会的发展，各个国家地区之间的竞争变得越来越激烈，与此 同时，各种危险恐怖活动也越演越烈。因此，对于一些重要设施或区域，如军事 禁区、高危禁区以及飞机场，核电站等等，需要一种符合现代社会需要的安全监 控系统来保证这些设施或区域的绝对安全。这个系统必须要高效、实时、准确、 智能。目前，用于建筑物周界安检的技术有红外，微波以及传统的铁丝电网等技 术，但它们都有各自致命的缺点，且难以对信号进行准确复杂的处理，因此对周 界安全保护、阻止非法侵入的效率非常低。据调查显示，社会上对一个高效智能 的周界安检系统的需求是极其强烈和巨大的，而全世界只有国外为数极少的公司 能生产符合社会需求的周界安检系统，因此，本发明具有极其广阔的应用市场。 本发明不但适用于重要设施和区域，还适用于输油输气管道等关键物的传输载 体。应用范围比如有飞机场，核电站，输油管道，通信光缆，交通设施，文物 保护区，军械库，重点机关和重要工业厂区等重要设施与区域。作为宽域全光纤扰动传感网络系统前端系统，全光纤反射干涉分布式传感电 路系统将裹携着各类噪声以及扰动信息的混合信号接收下来之后，存储到数据信 号缓存器中，此时能否对接收到的信号进行实时有效的处理和识别对该网络系统 就显得尤为重要，尤其是在对识别速度要求比较高的工作环境中。发明内容技术问题本发明的目的是提供一种宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置，该装置能实时准确地识别出具有危险性的事件，从而采取 相应的措施。技术方案在全光纤反射干涉分布式传感电路系统基础上，本发明根据环境 中各类输入信号的发生机理和特点，提出了采用小波去噪、ICA(独立分量分析) 信号分离与特征提取的方法、人工智能QDA (Quadratic Discriminant Analysis) 的信号处理方法综合利用的信号识别原理，实时准确地识别出具有危险性的事 件。该原理实现过程包含两方面的内容，其一，从数据信号缓存器中，将裹携着 各类噪声以及扰动信息的混合信号读取出来，对其进行信号预处理和分离，然后 进行特征值的提取，最后进入QDA识别模块，识别出输入信号的类型和性质； 其二，在对待识别的信号进行处理与识别的同时将其存入待识别信号存储器，待 输入信号的识别结果分析完毕以后，由主控制器决定是否对该输入信号进行人工 监听，以进一步确认输入信号的类型和性质。同时由监听人员决定是否将刚识别 完的信号特征值存储，以便以后用于类别特征库的更新。本发明的具体构成为位于前端的数据信号缓存器顺序与数据读取器、谱相 减去噪模块、小波去噪模块、ICA信号分离模块、特征提取模块串联连接，特征 提取模块的两个输出端分别接待识别信号特征值存储器和QDA识别器的输入 端，QDA识别器的输出端分别接类别特征库、识别结果存储器的输入端；识别 结果存储器、报警器的输出端分别接主控制器的输入端，主控制器的输出端分别 接待识别信号存储器、音频播放器的输入端；数据读取器的输出端接待识别信号 存储器的输入端；待识别信号存储器的输出端顺序与音频播放器、人工监听器、 待识别信号特征值存储器串联连接，待识别信号特征值存储器的输出端接类别特 征库的输入端。在识别结果显示为危险信号或是用户认为识别结果识别有误时，音频播放器 可由主控制器控制来实现播放待识别信号存储器中的数据，具体播放格式与方法 由主控制器决定。由待识别信号存储器、音频播放器、人工监听器、待识别信号 特征值存储器、类别特征库串联起来组成了一个半人工参与的识别特征更新装 置，实现类别特征库更新。主控制器负责管理整个系统的运作，包括光信号的发射和接收控制和定位系 统的实现，根据人工智能QDA识别模块的识别结果来进行不同的控制操作，例如当对环境输入信号的分析结果显示为安全信号，那么主控制器就不进行相应的 后续控制操作，而继续如常工作；如对环境输入信号的分析结果显示为危险信号， 那么主控制器可以选择启动报警器，同时控制待识别信号存储器，将识别数据传 至音频播放器，对环境输入信号进行音频播放。数据读取器是对缓存中数据进行读取的，在它将数据送至谱相减去噪模块的 同时，可以将输入数据存至待识别信号存储器，以便以后发现危险信号时进行音 频数据播放。谱相减去噪模块是先对输入信号先进行简单的去噪处理。小波去噪模块是对输入信号进行效果更好的去噪，采用的是固定小波基，即 Daubechies小波基(图3)。ICA信号分离模块对经过去噪的，依然是混合信号的数据通过ICA进行信号 分离，分离后进行数据归一化，便于接下来的特征提取。特征提取模块对传过来的信号进行特征提取，提取特征为LPCC (线性预测 倒谱系数)，提取后再利用ICA进行二次特征提取。待识别信号特征值存储器可以对正在进行识别的信号的特征值进行存储，由 人工监听器来控制是否进行长期存储，用于以后的类别特征值系统更新。QDA识别模块将所提取到的特征值与类别特征库中的特征值通过QDA原理 进行计算判断，进而来给出识别结果。识别结果存储器用来对QDA识别模块的识别结果进行存储。音频播放器可由控制来实现播放中的数据，具体播放格式与方法由决定。人工监听器是对音频播放器播放的信号声音进行人工监听，进而判断是否要 把刚识别完的信号特征值存储，用于以后的类别特征库更新。报警器是在识别结果存储器显示为危险信号后，由主控制器启动来实现报警 功能的。本发明的电原理图构成如图2所示，本发明中的主控制器、数据读取器、谱 相减去噪模块、小波去噪模块、ICA信号分离模块、特征提取模块、QDA识别 模块、识别结果存储器都包含在一个系统主机上。数据信号缓存器一路输出接系 统主机的输入，系统主机有两个输出接音频信号播放设备的输入， 一个输出为主 控制器的控制信号， 一个输出为数据读取器的结果。另外，系统主机还有一个输出接报警器的输入。本系统中大部分模块的硬件均有通用的市场产品可供选择。 有益效果:通过本网络系统的限定式信号处理识别装置，完全可以实现实时处理， 即处理识别时间远短于信号时间长度，同时本方法的识别结果觉有较高的准备 率。本识别方法还可以进行人工参与的自我学习和更新，可以满足随着环境和季 节变化引起的环境信号变化很大的需要。宽域全光纤扰动传感网络系统主要用于各类输送危险或高价值化工品管道 安全监测监控等的管道监控，以及重要仓库、重要航站库、机库、爆炸品库、国 境线、航空、航天基地、导弹基地、银行、博物馆、监狱等的监控；城市自来水、 煤气、天然气、供热管道安全监测监控；石油、天然气长输管道安全监测监控等 周界安全防卫的宽域全光纤扰动传感与定位系统的扰动定位信号处理技术，而本 发明是专门应用于该网络系统的限定式信号处理识别装置，它涉及到机械振动以 及环境声音的测量、收集、处理以及识别等多技术领域。本发明提出，利用固定小波基去噪，同时用ICA对接收到的混合信号进行信 号分离和特征提取，最后通过人工智能识别系统QDA识别模块实现对接收信号 的分类识别功能，可以分出危险信号和安全信号，并且根据需要，可以进行信号 实时播放和特征值存储更新。对于危险信号，立即采取相应的行动去解除危险； 对于安全信号，则不需要采取行动。本发明可以同时结合与本发明同系列的定位 系统发明来实现对整个重要区域的实时安全预警。对重要设施与区域、构筑周界物或埋地管道具有安全监控预警功能的宽域全 光纤扰动传感网络系统中配套的实时、准确的信号处理识别装置。本发明利用裹 携着各类噪声以及扰动信息的混合信号，采用小波、ICA等信号处理方法以及人 工智能QDA信号识别原理，实时监控重要设施与区域周围发生的各类事件干扰，
图1宽域全光纤扰动传感网络系统限定式信号处理识别原理框图，图2宽域全光纤扰动传感网络系统限定式信号处理识别电原理图，图3 db4小波的尺度函数和小波函数，图4含有噪声的鸟叫声信号以及去噪之后的信号，图5含有噪声的枪击信号以及去噪之后的信号。 其中有-100:系统主机；101:主控制器；301:数据信号缓存器；302:数据读取器；303:谱相减去噪模块；304:小波去噪模块；305:ICA信号分离模块；306:特征提取模块；307:待识别信号特征值存储器；308:QDA识别模块；309:类别特征库；310:识别结果存储器;311:待识别信号存储器；312:音频播放器；313:人工监听器；314:报警器；具体实施方式
本发明的宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置可以 对输入的各类环境信号进行有效的处理与识别，区分用户定义的危险信号与安全 信号，并能对其做出适当的响应。如图1所示，首先位于该发明装置前端的是全光纤反射干涉分布式传感电路系统中的数据信号缓存器301，它与数据读取器302相连，与数据读取器相连的 是谱相减去噪模块303和待识别信号存储器311，接下来与谱相减去噪模块相连 的是小波去噪模块304，与小波去噪模块相连的是ICA信号分离模块305，与305 相连的是特征提取模块306，与特征提取模块相连的是QDA识别模块308，与 QDA识别模块相连的是识别结果存储器310，然后310再与主控制器101相连。 当待识别信号被认为是危险信号时，或是用户怀疑待识别信号为危险信号，可以 通过主控制器101控制接待识别信号存储器311与和音频播放器312，使得音频 播放器对接待识别信号存储器中的数据进行播放，由人工监听器312实现人工监 听，当监听人员认为有必要(监听人员认为是该信号被误识，或是该信号很典型) 对该信号进行存储用于类别特征库更新时，可通过控制待识别信号特征值存储器 307，将其中的存储的待识别信号特征值送至类别特征库309,以便系统日后更 新。此外，主控制器101还直接与报警器314相连。由小波去噪模304、特征提取模块306和QDA识别模块308所构成的去噪7识别过程实时性很强，小波去噪模块205采用的是固定小波基进行去噪，而且 QDA识别模块是各人工智能识别系统中速度较快的一种。在识别结果显示为危险信号或是用户认为所识别信号有误时，音频播放器 312可由主控制器101控制来实现播放待识别信号存储器311中的数据，具体播放 格式与方法由主控制器101决定。音频播放器312的播放结果由人工监听器313实现人工监听，当监听人员认为 有必要(监听人员认为是危险信号，但系统识别为安全信号，或者相反)对该信 号特征值进行存储并用于类别特征库更新时，可通过控制待识别信号特征值存储 器307，将其中的存储的刚识别完的信号特征值送至类别特征库309，以便系统日 后更新。以本例来说明本发明的具体实施方式
并对本发明做进一步的说明。本例是一 实验样机。数字信号软件预处理模块(涉及到信号去噪和分离的所有模块)，特 征信号提取模块，人工智能识别系统都在系统主机上，该机型号为联想万全 R630G5配4CPU8M缓存，32G内存，I/O: NIPCI—E6251 1.25M 16 channel 16bit; 音频播放器使用的是惠威公司的diva系列高保真音箱和耳机。具体过程为数 据信号缓存器一路输出接该主机的输入，对于输入数据进行读取和存储，然后进 行谱相减去噪，接下来进行小波去噪(见图4和图5)，使用的是Daubechies小波 基(见图3),在进入识别环节以后先进行ICA信号分离，然后进行LPCC特征提 取，可使用ICA进行二次特征提取，将提取的特征值送入QDA识别模块，则识别 结果存储器便可对主控制器返回识别结果，若所得识别结果为危险信号则启动报 警器，并进行人工监听，若为安全信号则继续正常工作，等待下一次识别要求的 到来。100:系统主机采用联想万全R630G5配4CPU8M缓存，32G内存；I/O: NIPCI—E6251 1.25M 16 channel 16bit。 101:主控制器包含在系统主机内。 301:数据信号缓存器包含在系统主机内。 302:数据读取器包含在系统主机内。303:谱相减去噪模块采用增强型动态谱相减法，包含在系统主机内。 304:小波去噪模块采用Daubechies小波基，包含在系统主机内。305: ICA信号分离模块采用FastICA处理方法，包含在系统主机内。306:特征提取模块采用LPCC特征参数，包含在系统主机内。307:待识别信号特征值存储器包含在系统主机内。308: QDA识别模块采用QDA识别方法，包含在系统主机内。309:类别特征库采用QDA识别方法训练的数据，存放在系统主机存储器内。310:识别结果存储器包含在系统主机内。311:待识别信号存储器包含在系统主机内。312:音频播放器采用惠威公司的diva系列高保真音箱和耳机。313:人工监听器通过人工使用音频播放器。314:报警器采用金富星报警器(型号JFX-2002-DL4)。由上可见，本发明应用小波去噪、ICA信号分离与特征提取的方法、人工智 能QDA的信号处理方法等手段综合利用的信号分析识别原理，可以有效监控重 要的设施和区域，实时准确地识别出重要设施和区域周围出现的危险情况，具有 广泛的应用前景。
权利要求
1.一种宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置，其特征在于位于前端的数据信号缓存器(301)顺序与数据读取器(302)、谱相减去噪模块(303)、小波去噪模块(304)、ICA信号分离模块(305)、特征提取模块(306)串联连接，特征提取模块(306)的两个输出端分别接待识别信号特征值存储器(307)和QDA识别器(308)的输入端，QDA识别器(308)的输出端分别接类别特征库(309)、识别结果存储器(310)的输入端；识别结果存储器(310)、报警器(314)的输出端分别接主控制器(101)的输入端，主控制器(101)的输出端分别接待识别信号存储器(311)、音频播放器(312)的输入端；数据读取器(302)的输出端接待识别信号存储器(311)的输入端；待识别信号存储器(311)的输出端顺序与音频播放器(312)、人工监听器(313)、待识别信号特征值存储器(307)串联连接，待识别信号特征值存储器(307)的输出端接类别特征库(309)的输入端。
全文摘要
宽域全光纤扰动传感网络系统限定式扰动信号处理识别装置主要用于各类输送危险或高价值化工品管道安全监测监控等的管道监控，位于前端的数据信号缓存器(301)顺序与数据读取器(302)、谱相减去噪模块(303)、小波去噪模块(304)、ICA信号分离模块(305)、特征提取模块(306)串联连接，特征提取模块的两个输出端分别接待识别信号特征值存储器(307)和QDA识别器(308)的输入端，QDA识别器的输出端分别接类别特征库(309)、识别结果存储器(310)的输入端；待识别信号存储器(311)的输出端顺序与音频播放器(312)、人工监听器(313)、待识别信号特征值存储器串联连接，待识别信号特征值存储器的输出端接类别特征库的输入端。
文档编号G08B29/00GK101251950SQ200810023240
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者万遂人, 孙小菡, 宋培培, 王晓勇, 丰 田, 赵兴群 申请人:东南大学