一種光纖安防信號處理方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于安防領域，特別涉及一種光纖安防信號處理方法及系統。
【背景技術】
[0002] 周界安防系統在國防和民用領域都具有非常重要的應用，它主要用于邊境線、軍 事基地、倉庫、營房、政府設施、機場、核電站以及監獄等重要區域的周界入侵監測。目前的 周界安防技術主要有泄漏電纜、微波對射、紅外對射以及光纖傳感技術等。光纖周界安防系 統是一種對威脅區域安全的突發事件進行監控和警報的現代防御體系，是基于分布式光纖 傳感技術應用于周界監控防護的新系統。由于光纖及光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗干 擾能力強、靈敏度高、工作可靠性高、成本低廉以及無需外場供電等優點同時還可作為信號 傳輸通道的特點讓其在其他周界安防技術中脫穎而出。在實際工程應用中，傳感光纖大多 數是裸露在外界環境中，這種設計獨特的傳感光纖對運動、壓力和振動非常敏感。它可沿這 圍欄、圍墻鋪設來探測攀爬和敲擊，也可鋪設在土壤草坪下探測踩踏。但光纖的高靈敏度必 然帶來系統的大量的報警，而基于時域信號能量的分析體系不足以區分大量事件預警，從 而導致較高的誤報率。已有技術中一般是取各種時頻特性構造。環境產生較大變化時，安防 系統性能大打折扣。市場上一般光纖周界安防系統數據包完全沒有規律性，數據包并沒有 去驗證。

【發明內容】

[0003] 針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種光纖安防信號處理方法及系統。
[0004] -種光纖安防信號處理方法，包括以下步驟:S100:獲取光纖布控區域內光信號的 相位差異;S200:將光信號的相位差異按時間上的采樣率轉變為電信號上的幅值差異，獲得 時域分析信號包;S300:以預設的時間跨度劃分所述時域分析信號包，得到事件信號;S400: 提取所述事件信號的交流部分，獲取事件信號的時域信號;S500:對所述時域信號進行快速 傅立葉變換獲得事件信號的頻域信號；S600:根據所述時域信號和頻域信號獲取所述事件 信號的時域特征和頻域特征，重構所述頻域特征和時域特征為一個數據包;S700:對所述數 據包進行聚類分析，構建特征模板;S800:根據所述特征模板判斷是否存在人為入侵。
[0005] -種光纖安防信號處理系統，包括以下模塊:相位差異獲取模塊，用于獲取光纖布 控區域內光信號的相位差異;時域分析信號包獲取模塊，用于將光信號的相位差異按時間 上的采樣率轉變為電信號上的幅值差異，獲得時域分析信號包;劃分模塊，用于以預設的時 間跨度劃分所述時域分析信號包，得到事件信號;第一獲取模塊，提取所述事件信號的交流 部分，獲取事件信號的時域信號;第二獲取模塊，用于對所述時域信號進行快速傅立葉變換 獲取所述事件信號的頻域信號；重構模塊，用于根據所述時域信號和頻域信號獲取所述事 件信號的時域特征和頻域特征，重構所述頻域特征和時域特征為一個數據包;特征模板構 建模塊，用于對所述數據包進行聚類分析，構建特征模板;判斷模塊，用于根據所述特征模 板判斷是否存在人為入侵
[0006] 本發明的有益效果是:本發明在充分分析人類行為特征的基礎上，提出一種基于 時域去噪，頻域濾波的信號識別新方法。在保證不漏報的情況下，收集絕大多數事件信號， 通過時域去噪、頻域濾波壓縮提取具有代表性的頻域特征，然后通過與聚類分析構建的各 類事件模板進行相似性分析。本發明在保證識別時間和報警率的情況下，降低誤報率，為光 纖周界安防系統提供重要的支撐。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發明光纖安防信號處理方法的流程圖；
[0008] 圖2是步驟S500的流程圖；
[0009] 圖3是步驟S700的流程圖；
[0010] 圖4是本發明光纖安防信號處理系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的【具體實施方式】做詳細的說明，使本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全 部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本發 明的主旨。
[0012] 實施例1
[0013] 首先對本發明的光纖安防信號處理方法做介紹，請參閱圖1，本發明的安防信號處 理方法在充分分析人類行為特征的基礎上，提出了一種基于時域去噪，頻域濾波的信號識 別方法，收集絕大多數事件信號，通過時域去噪、頻域濾波壓縮提取具有代表性的頻域特 征，然后通過與聚類分析構建的各類事件模板進行相似性分析，從而判斷是否發生入侵事 件。
[0014] S100:獲取光纖布控區域內光信號的相位差異。可以通過M-Z型干涉儀獲取所述光 信號的相位差異，使用M-Z型光纖周界安防系統實時反饋布控區域內的光信號。如果光信號 相位出現異常波動，則認為有事件發生。
[0015] S200:將光信號的相位差異按時間上的采樣率轉變為電信號上的幅值差異，獲得 時域分析信號包。當有事件發生時，光傳感單元(M-Z型)按時間上的采樣率將光信號相位的 差異轉變成電信號上幅值的差異，獲得時域分析信號包。
[0016] S300:以預設的時間跨度劃分所述時域分析信號包，得到事件信號。時域預處理： 當光纖相位產生瞬時異動的時候，通過分析通常持續時間不到1秒。相對應的，人的瞬時行 為和自然現象的瞬時效應對光纖相位的影響持續是相近的。但是，從人體力學的角度分析， 人的瞬時行為是在一定適用范圍內的。如人平均一分鐘正常行走60~80步。按100米的距離 進行奔跑分析，人的步伐為60步左右，奔跑時間為12秒左右。1秒鐘內人的出拳次數在5次左 右。從最短受力時間來說，人的行為是有趨勢的，受限于身體各部分肌肉與骨骼的力學特 性，這一切都無法超出肢體動作的速度和頻率的能力限度。所以，人對光纖作用的影響從力 量速度而言，取決于動作的方向和動作軌跡;從頻率而言，取決于動作的部位和方式。人的 行為通常是一連串動作，從整體上分析，自然環境的干擾也可能是不連續，間斷的一連串干 擾。動物的干擾也因符合肌肉與骨骼的力學特性屬于一段范圍內的速度與頻率。從力學角 度上分析，要持續保持受力，就必須持續有力做功。而持續做功的典型為機器振動，異常的 自然環境。所以從時域上分析，用于實現光纖周界安防的時間分析上限可以為10S。同時從 工程實踐的領域分析，一個預警系統需要在最短時間內區分觸發的事件。充分考慮工程中 人行為的特性，大致將單個時域分析信號包劃為0.1~is。通過實驗測試不同時間跨度的事 件數據包，本發明發現入侵行為中數據包時間跨度為0.25秒左右的時候實際區分度最高。 所以本發明建立以0.25秒做為事件數據分析時間跨度的時域體系。
[0017] S400:提取所述事件信號的交流部分，獲取事件信號的時域信號。采集到的事件信 號中會存在一些直流信號，在事件分析中只需要提取信號交流部分特征，因此需要通過算 法將信號中的直流信號濾除。每幀信號定義為SKn)，定義信號均值為：
[0018]
[0019] 令直流信號分量部分，
則交流部分，
同時， 入侵信號大致在100ΚΗz以內。通過對事件信號降采樣。降采樣得到壓縮后的數據包。
[0020] S500:對所述時域信號進行快速傅立葉變換獲取所述事件信號的頻域信號。由于 人為入侵信號與環境噪聲的時域波形的能量和過零率上有一些差別，因此本發明根據信號 的短時過零率和短時能量大小來提取事件信號的時域特征。如圖2所示，其包括以下步驟：
[0021] S501:計算短時能量和短時過零率。定義接收到的時域信號為S^n)，每幀信號短 時能量為
[0022]
[0023] 設每幀的短時過零率為
[0024]
[0025] 計算環境噪聲的短時能量和短時過零率，假設前10幀信號為環境噪聲，首先求出 每幀噪聲的均方差，將這10個均方差的均值作為信號短時過零率的直流偏置。求出前10幀 的短時能量和短時過零率的均值Z mean;、Emear^P標準差Zstd、Estd，就可以得到其初始值Zo = Zmean+2*Zstd和E〇 = Emean+2*Estd，設置兩個系數和Zcoef作為閾值，改變兩個系數值用于調 節系統的靈敏度。
[0026] S502:每過預設時間，重復步驟S501，只計算小于閾值的幀，修改閾值;預設的時間 可以是1小時、1天等。
[0027] S503:提取出事件信號的時域信號x(n)。若此時有一幀信號sdn)被判定為入侵信 號，取出該幀信號的前一幀ShU)平分為5個子幀，從后往前分別計算這幾個子幀的短時能 量。取出子幀中短時能量大于閾值的幾個子幀，作為該次入侵信號的起點。同樣的方法找出 入侵信號的終點。提取出信號x(n)。
[0028] S504:頻域特征處理:在事件信號在時域上提取特征后，事件信號再通過FFT變換， 再將頻域數據歸一化，作為頻域特征。對時域信號x(n)做傅里葉變換得出頻域特性：
[0029]
[0030]然后對頻域信號進行歸一化：
[0031]
[0032] S600:根據所述時域信號和頻域信號獲取所述事件信號的時域特征和頻域特征， 重構所述頻域特征和時域特征為一個數據包。時域特征取時域信號的最大值、最小值和均 值作為時域特征;頻域特征通過聚類分析對比模板可以選取差異率較大的ΙΚΗζ以內的頻域 信號作為頻域特征。
[0033] S700:對所述數據包進行聚類分析，構建特征模板