基于動態閾值檢測的光纖周界安防系統擾動判斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于傳感及檢測技術領域，特別應用在光纖周界安防系統中，可以保持較 高探測靈敏度的前提下，消除下雨等環境因素引起系統誤報警的方法。光纖周界安防系統 是利用普通通信光纜作為傳感介質的傳感系統，能夠對光纜周界上發生的入侵行為進行準 確定位。
【背景技術】
[0002] 隨著人類社會的不斷進步和科技水平的飛速發展，安全監測越來越受到重視，不 論是電力、水利、石化等關系國計民生的領域，還是營區、機場、監獄等安全性要求較高的領 域，周界安全監測都得到了非常廣泛的應用。由于傳感光纜通常鋪設在室外圍欄上，惡劣天 氣會對系統性能有較大影響，尤其是大雨天氣更會引起系統誤報。因此，如何消除大雨天氣 引起的系統誤報已經成為提高系統性能的關鍵問題。
[0003] 以往的光纖周界安防系統往往采取在下雨天人為的降低系統探測靈敏度的方法， 來減少由于下雨引起的系統誤報。這種方法不僅需要操作人員對系統參數進行重新設置， 而且系統探測靈敏的降低也會同時影響系統對入侵行為的判斷，導致漏報幾率顯著上升。 惡劣天氣尤其是大雨天往往是犯罪分子作案的高發期，越是惡劣的環境系統就越應該保持 較高的探測靈敏度。因此，采用新的方法可以在保持較高探測靈敏度的前提下，消除下雨等 環境因素引起的誤報，提高系統抗干擾能力。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的保持系統較高探測靈敏度的前提下，消除下雨等環境因素引起的誤 報，提供一種基于動態閾值檢測的光纖周界安防系統擾動判斷方法。本發明對語音信號處 理中常用的短時過零率法進行改進，能夠有效排除下雨信號干擾，并在一定程度上排除自 然界其它的一些干擾，從而提高周界安防定位系統的抗干擾能力。
[0005] 本發明的技術方案是：
[0006] 基于動態閾值檢測的光纖周界安防系統擾動判斷方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 第1.取一段擾動光纖信號sb(n)，利用帶通濾波器濾波去噪，再進行降采樣，得到 信號s(n);
[0008] 第2.將s(n)利用窗函數分幀處理，形成加窗信號x(n) = s(n)/w(n)，其中為w(n)矩 形窗函數，表達式如下：
，N為窗長度，m為窗起始點；
[0009] 第3.設置恰當的過閾值參數L，計算每幀正向過閾值數目LC，LC計算表達式如下：
，其中x(n)，L是閾值參數，當表達式為真時Ψ為1， 假時為〇;
[0010] 第4.比較每幀LC和擾動閾值J的大小，如果整段信號中，有連續3幀LC大于J時，則 判斷s(n)為有擾動信號，若本段信號為有擾信號，則當前系統擾動閾值無變化，步驟到此結 束;若本段信號為無擾信號，則執行步驟5;
[0011] 第5.統計每一幀過閾值數目IX，在所有幀中最大LC的值為Max，最小LC的值為Min; 最大值Max與最小值Min的差為D，D=Max-Min;
[0012] 第6.設置閾值浮動參數為T，T的表達式如下：
小，如果D小于Τ，則將此段信號s(n)判斷為下雨信號;如果D大于Τ則判斷為正常信號；
[0013]第7 .根據第六步的判斷結果采用不同的擾動閾值J，J的表達式如下：
其中Max和Min分別為前一段無擾信號s(n)的LC最大值和最小值，T為 s (η)的閾值浮動參數，D=Max-Min。
[0014]本發明的優點和有益結果是：
[0015] 本發明提出了基于動態閾值檢測的光纖周界安防定位系統擾動判別算法。如果采 用固定閾值來進行擾動判別，當閾值設定較低時，往往會因為環境噪聲較大而引起較多的 誤報警，為了排除各種環境噪聲影響閾值通常會設定的較高，然而高的閾值會影響系統探 測靈敏度。所以提出一種可以根據當前環境設置動態閾值的算法，在保持系統較高探測靈 敏度的前提下，消除下雨等環境因素引起的誤報。
【附圖說明】
[0016] 圖1分布式光纖擾動定位系統；
[0017] 圖2動態閾值擾動判別流程圖；
[0018]圖3無雨信號擾動信號波形圖；
[0019] 圖4無雨擾動信號的過閾值數圖；
[0020] 圖5下雨天無擾動信號的波形圖；
[0021 ]圖6下雨天無擾動信號的過閾值數圖；
[0022]圖7下雨天有擾動信號的波形圖；
[0023]圖8下雨天有擾動信號的過閾值數圖；
【具體實施方式】 [0024]發明的原理：
[0025] 1.周界安防定位系統的基本原理：
[0026]分布式光纖擾動定位系統如圖1所示，該系統基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀原 理，利用光纜中的兩條單模光纖構成Mach-Zehnder光纖干涉儀的兩個測試光纖來感應光纜 周圍的擾動信號。
[0027]由圖1可知，光由激光器發出后，經親合器C1后被分成1:1的兩束光，這兩束光分別 經過環形器C2和C3后從干涉臂兩端的耦合器C4和C5進入傳感環路中并沿相反的兩個方向 傳輸，在對端的耦合器處發生干涉并輸出到探測器D1和D2上。探測器H)1和PD2把光信號轉 化成電信號，經隔直后由高速采集卡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，則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探測器roi的時間為：
[0028] ti = Lm/c
[0029] 沿順時針方向傳播的光波到達探測器TO2的時間為：
[0030] t2= (L-Li)n/c
[0031] 式中，U為擾動點距離探測器PD1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)。
[0032] 由此可計算出擾動點位置公式：
[0034] 2.動態閾值檢測法的原理分析：
[0035]周界安防系統采集到的信號進行分幀處理，由于安防系統需檢測攀爬及走路信 號，其動作持續時間長于語音中各單詞信號，參考語音信號處理幀長，設定周界安防系統信 號采集時長為300ms。取出的一幀周界安防系統輸出信號s(n)，對其經過加窗處理得到小段 信號用來求取短時過閾值數，即用一定的窗函數w(n)來乘s(n)，從而形成加窗信號x(n) = s (η) *?(11)。以矩形窗函數作為窗函數為例，表達式如下(其中N為窗長度，m為窗起始點）：
[0037]短時過閾值數LC可定義為：
[0039] 式中:m表示窗起點，N表示窗長度，x(n)為加窗信號，Ψ是邏輯函數。
[0040] 光纖在正常天氣無擾動情況下短時過閾值數較低，有擾信號段的短時過閾值數會 突然有一個較大的升高，因此可以通過設置擾動判斷閾值J來區別是否有擾，圖3和圖4分別 為正常擾動信號的波形圖和過閾值數圖。然而大雨天無擾動情況下短時過閾值數也會保持 在一個較高的數目，如圖6所示。為了排除下雨天的干擾，利用動態過閾值檢測算法可以根 據當前無擾信號來更新系統擾動閾值J，如圖8。如此便能夠消除大雨天氣對擾動判斷的影 響。
[0041] 計算周界安防系統判斷是否有擾的流程圖如圖2。
[0042] 實施例1:
[0043]搭建如圖1所示的定位分布式光纖擾動定位系統，分別在正常天氣和大雨天氣敲 擊光纜模擬擾動，比較下雨天和正常天氣有擾無擾情況。該系統中的光電探測器將光纖中 的擾動光信號變成電信號，獲取包含擾動信號的〇. 3S信號進行處理。實驗結果如下：
[0044] 1.獲取一段正常天氣下300ms有擾信號波形圖如圖3所示，經過處理之后的過閾值 數圖如圖4所示。從圖3中可以看到正常天氣無擾時數據波形頻率較低，且圖4中過閾值數目 LC 一直維持在較低的水平，根據動態閾值算法其擾動閾值J的取值為10。能夠較容易判斷出 是否有擾。
[0045] 2.獲取大雨天氣下300ms無擾動信號波形圖如圖5所示，與圖3無擾段信號相比其 信號頻率有顯著的提高。圖6為經過處理之后的過閾值數圖，雖然處于無擾狀態下，但是其 過閾值數LC 一直保持在10-20之間，大于圖4中的擾動閾值。
[0046] 3.獲取大雨天氣下敲擊光纜模擬擾動信號波形圖如圖7所示，在1500處擾動發生 時，其信號頻率要大于之前無擾的信號頻率。圖8為該信號的過閾值數圖，雖然無擾時過閾 值數一直處于較高水平，但是經過動態擾動閾值算法處理之后，其擾動閾值處在一個較高 的范圍，不會引起系統的誤報警。當有擾動發生時，由擾動引起的過閾值數LC超過擾動閾值 J，引起系統報警。
【主權項】
1.基于動態闊值檢測的光纖周界安防系統擾動判斷方法，其特征在于包括W下步驟： (1) 取一段擾動光纖信號Sb(n)，利用帶通濾波器濾波去噪，再進行降采樣，得到信號S (η)； (2) 將s(n)利用窗函數分帖處理，形成加窗信號x(n) = s(n) -w(n)，其中為w(n)矩形窗 函數，表達式如下：iN為窗長度，m為窗起始點； (3) 設置恰當的過闊值參數L，計算每帖正向過闊值數目LC，LC計算表達式如下：其中x(n)，L是闊值參數，當表達式為真時Ψ為1， 假時為0; (4) 比較每帖LC和擾動闊值J的大小，如果整段信號中，有連續3帖LC大于J時，則判斷S (η)為有擾動信號;若本段信號為有擾信號，則當前系統擾動闊值無變化，步驟到此結束;若 本段信號為無擾信號，則執行步驟5; (5) 統計每一帖過闊值數目LC，在所有帖中最大LC的值為Max，最小LC的值為Min;最大 值Max與最小值Min的差為D，D=Max-Min; (6) 設置闊值浮動參數為Τ，Τ的表達式如下比較D和Τ的大小，如果 D小于Τ，則將此段信號s(n)判斷為下雨信號;如果D大于Τ則判斷為正常信號； (7 )根據第六步的判斷結果采用不同的擾動闊值J，J的表達式如下：其中Max和Min分別為前一段無擾信號s(n)的LC最大值和最小值，T為 S (η)的闊值浮動參數，D=Max-Min。
【專利摘要】本發明公開一種基于動態閾值檢測的光纖周界安防系統擾動判斷方法，通過窗函數法將帶有擾動及噪聲的信號截取成短時的信息幀，計算出每一幀的過閾值數，由過閾值數最大值、最小值及差值來確定系統的擾動閾值，之后的信號將采用新的擾動閾值進行擾動判斷。基于動態閾值檢測的光纖周界安防系統擾動判別方法是一種能夠根據外界環境及時更新系統參數以提高系統抗噪能力的一種技術，可以保持較高探測靈敏度的前提下，消除下雨等環境因素引起系統誤報警。
【IPC分類】G08B13/186
【公開號】CN105551165
【申請號】CN201511000053
【發明人】劉琨, 劉鐵根, 江俊峰, 馬春宇, 陳沁楠, 潘亮, 杜陽, 柴天嬌, 何暢
【申請人】天津大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月25日