光纤振动传感系统两级信号特征提取与判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光纤振动传感系统两级信号特征提取与判别方法，属于光纤传感 信号判别技术领域。
【背景技术】
[0002] 相位调制型光纤传感技术通过光纤中光波的相位变化来表征外界被测物理量。这 种传感检测技术灵敏度很高，传感原件结构简单，成本低，作用距离长，尤其适合周界安防。 所述光纤相位干涉仪包括马赫一曾德尔(1&〇11-261111(161')、迈克尔逊(1；[011618011)和萨格纳 克(Sagnac)等类型。相位调制型光纤传感技术的主要难点问题在于信号定位和信号类型判 另IJ。现有信号类型判别方法首先进行人工特征设计，也就是通过希尔伯特黄变换、短时傅里 叶变换或者小波变换等非平稳信号分析方法先提取振动信号特征，然后把所提取到的振动 信号特征传送给神经网络或者支持向量机，由其做类型判别。所述方法存在的主要问题是 无法在环境噪声干扰下，准确判别外界振动信号类型，并且，人工特征设计阶段需要对振动 信号进行大量的特性分析，导致该信号类型判别方法效率较低。
【发明内容】
[0003] 为了能够在环境噪声干扰下，准确并高效判别外界振动信号类型，我们发明了一 种光纤振动传感系统两级信号特征提取与判别方法，作为一种信号类型判别算法，尽管信 号可能来自嘈杂背景，依然能够准确、高效判别各种外界振动信号类型，虚警少、误报率低。
[0004] 本发明之光纤振动传感系统两级信号特征提取与判别方法其待判别信号为由光 纤振动传感系统采集的各种类型的外界振动信号;其特征在于，首先，提取所述外界振动信 号的短时过门限率;其次，计算所提取的短时过门限率的平均代数和，筛选出含有外界振动 信息的信号片段;第三，从所述信号片段的短时过门限率中进一步做特征提取;最后，判别 所述各个信号片段的振动类型。
[0005] 本发明其技术效果在于，相对于现有方法，本发明包括两级特征提取，经过一级特 征提取，也就是提取所述外界振动信号的短时过门限率，并计算所提取的短时过门限率的 平均代数和，从而筛选出含有外界振动信息的信号片段，屏蔽掉环境噪声振动信号，如此能 够减小后续算法的工作量;经过一级特征提取，也就是从所述信号片段的短时过门限率中 进一步做特征提取，不仅避免现有技术由于人工特征设计带来的巨大工作量，提高信号判 别效率，而且，信号判别更加精确，虚警少、误报率低。
【附图说明】
[0006] 图1是本发明之光纤振动传感系统两级信号特征提取与判别方法程序框图，该图 同时作为摘要附图。图2~图5依次为由光纤振动传感系统采集的与踩踏振动、摇晃振动、短 时敲击振动、长点振动对应的原始电信号的时域波形图。图6~图9依次为自踩踏振动、摇晃 振动、短时敲击振动、长点振动的原始电信号中提取短时过门限率得到的短时过门限率特 征曲线。图10为无振动入侵事件时的原始电信号的短时过门限率特征曲线。
【具体实施方式】
[0007] 如图1所示。
[0008]米集彳目号：
[0009] 由光纤振动传感系统采集各种类型的外界振动信号，该光纤振动传感系统将采集 的光信号转化为原始电信号I[X]。
[0010] 在所述光纤振动传感系统中，包括改进型迈克尔逊干涉仪，所述迈克耳逊干涉仪 中配有成本低廉、结构简单的法拉第旋转镜(FRM)，当有振动入侵事件发生时，引起传感光 纤中的传感光信号的相位变化，由迈克尔逊干涉仪转化成强度变化，经过光电转换，得到原 始电信号I[x]。
[0011] 提取短时过门限率：
[0012] 提取所述外界振动信号的短时过门限率T[i]，其定义为：
[0014]在公式（1)中，X是自然数，代表在原始电信号I[x]中的采样点数（sampling point)，那么，I[x]则为采样点数为X的离散电信号，lev表示门限电平值，sign是符号函数， i是原始电信号I[x]的分段序号，i = l~m，其中：
[0016] 确定采样点数后不同种类振动的原始电信号I[x]呈现出各自的时域分布特征，如 图2~图5所示;将所述原始电信号I[x]等长分为m小段，分段统计短时过门限率，并按分段 序号将每小段的短时过门限率组合起来，得到不同种类振动的原始电信号I[x]的短时过门 限率特征曲线，如图6~图9所示，可见，相比于无振动入侵事件时的原始电信号I[x]的短时 过门限率特征曲线，如图10所示，有振动入侵事件时的原始电信号I[ x]携带着特征明显的 外界振动信息。
[0017] 更为具体讲，原始电信号I[x]等长分为398小段，每小段长度为50,门限值设定为 0.1。
[0018] 相对于现有技术的短时过零率算法，本发明之短时过门限率提取则是一种改进， 本发明使信号零点偏移，如设定门限值为0.1，统计穿越门限值的次数，降低了低频噪声的 干扰，信号在一段时间内穿越阈值电平的次数越多，则信号的短时过门限率越大，表示信号 在此时间段内的振动频率越大。
[0019] 筛选信号片段：
[0020] 计算所提取的短时过门限率的平均代数和，筛选出携带外界振动信息的信号片 段，当所述平均代数和超过阈值D时，认定所对应的原始电信号为信号片段，完成一个携带 外界振动信息的信号片段的筛选，并进入下一步骤做进一步信号特征提取，否则回到上一 步骤进行下一个原始电信号的短时过门限率提取，所述阈值D定义为：
[0022]当只有环境噪声作用于光纤振动传感系统时，原始电信号的振动过门限率阈值会 在0.06到0.08之间波动，当有外界振动作用于传感光纤时，过门限率阈值会加大到0.17到 4.98之间，综合光纤振动传感系统的两种工作状态，选定0.13作为判断阈值边界，这样有无 外界振动作用于传感光纤就可以被初步判别，同时经过短时过门限率的提取，信号的数据 维度减小，降低了后续判别算法的计算量。
[0023]进一步提取短时过门限率的特征