一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传感系统的制作方法

一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传感系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传感系统。其中，该方法包括：处理终端获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到；利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤采样信号。通过上述方式，本发明能够对光纤信号进行有效滤波，提高光纤环境状况的识别准确率。
【专利说明】
一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传感系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传 感系统。
【背景技术】
[0002] 随着光纤处理技术发展，光纤已作为传感器应用于各种探测领域，用于测量周边 环境状况，例如是否有物体经过、且该物体具体为何物等。当光纤传感器受到外界干扰影响 时，光纤中传输光的部分特性就会改变，光线传感系统接收光纤的光信号，并进行光电转 换，分析转换后电信号的特征以判断其光特性的改变，进而确定光纤对应位置的环境状况， 例如为有车辆闯入等，进而可实现对环境的监测。
[0003] 然而，光纤传感系统所获取到的光纤信号会存在干扰信号，该干扰信号容易影响 对光纤环境状况的识别。故如何有效对获取到的光纤信号进行滤波，成了光纤传感系统的 关键。

【发明内容】

[0004] 本发明主要解决的技术问题是提供一种光纤信号的滤波方法、装置及光纤传感系 统，能够对光纤信号进行有效滤波，提高光纤环境状况的识别准确率。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤信号的滤波 方法，包括:处理终端获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信号转 换得到;利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤采样信 号。
[0006] 其中，所述利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波的步骤包括：获取 IIR数字滤波器的系统函数;根据所述系统函数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤 波器的输入信号进行滤波。
[0007] 其中，所述获取IIR数字滤波器的系统函数的步骤包括:采用模拟转换法、零极点 累试法或优化设计法得到所述IIR数字滤波器的系统函数。
[0008] 其中，所述获取光纤采样信号的步骤包括:对光纤传感器检测得到的光纤模拟信 号进行模数转换得到光纤数字信号;利用高速数据采集卡FPGA采集所述光纤数字信号得到 所述光纤采样信号。
[0009]其中，还包括:利用奇异值分解SVD算法对光纤某一位置的多个光纤采样信号构成 的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩阵;获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异 值最大的子矩阵的每行元素以集合组成一维信号;对所述一维信号进行小波消噪后作为所 述光纤某一位置产生的光纤信号。
[0010]其中，所述利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述 光纤采样信号的步骤之后，还包括:判断所述光纤采样信号是否与预设振动信号模型匹配； 若匹配，则分析所述光纤采样信号在时域和空域的平稳特性;对应所述光纤采样信号不同 时域和空域的平稳特性，采用不同的检测方式对所述光纤采样信号进行检测;若所述检测 通过，则将所述光纤采样信号对应的光纤位置确定为振源，且所述振源类型为所述匹配的 预设振动信号模型对应的振源类型。
[0011] 其中，所述利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述 光纤采样信号的步骤之后，还包括:将该光纤采样信号划分为J帧子信号；提取每帧子信号 的特征矢量组成数组!'[^ = {1(0)，1'0)，一，1'(1-1)}，并获取预设信号模型的特征矢量组 成的数组R[I] = {R(0)，R(i)，…，R(I-1)};确定所述特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之 间的距离g(R(〇)，T(0))以及参数M;根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每 个特征矢量T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离g(R(i)，T(j))，直 至计算得到所述特征矢量T(J~1)与特征矢量R(I -1)之间的距尚g(R(I-l)，T(J-1))，其中， 所述区(以1)，1'(」_))由 8(1?(卜1)，1'(」_))4(1?(1-1)，1'(」_-1))、或8(1?(1)，1'(」_-1))计算得到;计 算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述光纤振动信号与 所述预设信号模型的相似距离;若所述相似距离满足设定条件，则将所述光纤振动信号的 振源类型确定为所述预设信号模型对应的振源类型。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种光纤信号的滤 波装置，包括:获取模块，用于获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光 信号转换得到;滤波模块，用于利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤 波后的所述光纤采样信号。
[0013] 其中，所述滤波模块具体用于:获取IIR数字滤波器的系统函数;根据所述系统函 数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信号进行滤波。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明采用的再一个技术方案是:提供一种光纤传感系统， 包括光纤传感器及处理终端;所述光纤传感器用于在一端发出第一光信号，并从所述一端 接收由所述第一光信号反射得到的第二光信号;所述处理终端用于对所述第二光信号对应 的光纤电信号进行IIR数字滤波，其中，所述处理终端包括上述的光纤信号的滤波装置，以 对所述光纤电信号进行IIR数字滤波。
[0015] 上述方案，处理终端采用IIR数字滤波器对光纤采样信号进行实时滤波，从而降低 信号处理的数据量，且有效滤除光纤采样信号中的一些干扰数据，可使后续的光纤环境状 况识别更加准确。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明光纤信号的滤波方法一实施方式的流程图；
[0017] 图2是本发明光纤传感系统一实施方式的结构示意图；
[0018] 图3是图1所示的步骤S12包括的子步骤的流程图；
[0019] 图4是本发明光纤信号的滤波方法一实施方式中的IIR数字滤波器的结构示意图；
[0020] 图5是本发明光纤信号的滤波方法另一实施例的部分流程图；
[0021 ]图6是本发明光纤信号的滤波装置一实施方式的结构示意图；
[0022]图7是本发明光纤信号的滤波装置另一实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之 类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体 细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以 及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
[0024] 请参阅图1，本发明光纤信号的滤波方法一实施方式的流程图，该方法包括：
[0025] SI 1:处理终端获取光纤采样信号。
[0026]其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到。
[0027] 请结合图2举例说明，图2示出一光纤传感系统，该光纤传感系统可采用光脉冲调 制方式，通过探测背向散射信号的相位变化引起的反射光干涉强度变化，能够同时检测出 多个并发振源，从而实现预警和对振源定位。该光纤传感系统包括顺序连接的光纤传感器 21、光学系统23、光电转换电路24与处理终端22。
[0028] 光纤传感器21设置于需监测的环境中如地下，以监测该环境状况。光纤传感器21 可采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式多点振动测量。其基本原 理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发 生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作 用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变 化，这些携带外界振动信息的信号光，经光学系统23处理，将微弱的相位变化转换为光强变 化，再经光电转换电路24的光电转换和相应信号处理后，进人处理终端22进行数据分析。处 理终端22根据分析的结果，判断振动事件的发生，并确认振动地点。
[0029] 具体地，光纤传感器21定时从一端发出第一光信号，该第一光信号可以是一脉冲 信号，如为脉冲宽度为l〇ns的激光，该第一光信号在光缆中各个位置经过瑞利散射形成的 第二光信号，并且该第二光信号反射回该光纤传感器21的一端。光纤传感器21从该一端输 出该第二光信号。光学系统23对第二光信号进行采样，得到多个对应不同光纤位置的光信 号。其中，该采样间隔可采集光纤每隔设定距离发射的光信号，例如，第一个采样光信号对 应为距离光纤一端1米位置反射的光信号，第二个采样光信号对应为距离光纤一端2米位置 反射的光信号，以此类推。
[0030] 光学系统23通过光电转换电路24将采样得到的光信号转换为对应的电信号便于 信号的处理。这里可以通过一般的光电转换电路24如AH)转换得到模拟信号，再通过模数转 换器将模拟信号转换成数字信号，并发送至处理终端22。
[0031] 处理终端22对该光纤数字信号进行处理，以确定该光纤数字信号对应的光纤位置 是否振动。具体，处理终端22可还包括高速数据采集卡(英文简称:FPGA)模块和数字信号处 理(英文:Digital Signal Processing，简称:DSP)模块，该FPGA模块用于采集所述光纤数 字信号，得到多个光纤采样信号。FPGA模块将采集的光纤采样信号缓存在该FPGA模块内的 FIFO缓冲器，FIFO的半满信号线和DSP模块相连，当FIFO的半满时触发DSP的EDMA事务，以把 光纤采样信号的相关数据从FIFO转移到DSP的存储器如SDRAM。当存储器中的数据长度达到 系统设定值时，对该存储器中的光纤采样信号进行处理，如进行振源识别等。本发明所述滤 波相关步骤以及下述奇异值分解和消噪相关步骤可以在存入至DSP的存储器之前执行，或 者将采集到的光纤采样信号直接存至DSP的存储器，并当存储器的数据长度达到设定值后， 再执行本发明所述滤波的相关步骤以及下述奇异值分解和消噪相关步骤。
[0032] 具体地，该处理终端实时采集光纤采样信号，该采集间隔可根据实际情况进行调 整，通常，该采集间隔为0ys-100ys之间，如40ys、10ys、100ys等，本实施例中，该采集间隔为 0,即处理终端连续采集得到n个光纤采样信号{x(l)，x(2)，…，x(n)}，其中，n为大于1的整 数。
[0033] 在其他实施例中，该光学系统的部分步骤、光电转换步骤以及模数转换步骤中的 至少一个步骤可由处理终端22执行，如处理终端22还用于对光纤传感器检测得到的光纤模 拟信号进行模数转换得到光纤数字信号;或者处理终端22还用于对光纤传感器反射的光信 号进行解调，将解调后的光信号转换成模拟电信号后，再对其进行模数转换。
[0034] S12:利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤 米样信号。
[0035] 本实施例中，采用IIR数字滤波器对光纤采样信号进行实时滤波，由于IIR数字滤 波器具有稳定性好、精度高、灵活性大等突出优点，而且可用较低的阶数获得高的选择性， 所用的存储单元少、成本低、信号延迟小，故采用IIR数字滤波器对光纤采样信号能够实现 有效滤波，且处理量较少。
[0036] 具体地，请结合参阅图3,上述S12步骤可包括以下子步骤：
[0037] S121:获取IIR数字滤波器的系统函数。
[0038] 例如，处理终端获取IIR数字滤波器的系统函数H(z)如下式1:
[0040] 其中，ai、bH为滤波系数，且不均为零，M和N为设定的正整数。
[0041] 具体地，处理终端可采用模拟转换法、零极点累试法或优化设计法得到所述IIR数 字滤波器的系统函数。例如：
[0042] 1.模拟转换法
[0043]按照光纤识别精确率要求和/或历史光纤振动识别误差率设计一个模拟滤波器， 得到滤波器的传输函数凡(8)，再按一定的转换关系将凡(8)转换成IIR数字滤波器的系统函 数H(z)。其中，可采用单不限采用脉冲响应不变法和双线性变换法，将传输函数H a(s)从s平 面转移到z平面。
[0044] 2.零极点累试法
[0045] 上述的模拟转换法得到的IIR数字滤波器的幅度特性受到所选模拟滤波器特性的 限制。故，可在数字域直接获得IIR数字滤波器，以得到设计任意幅度特性的滤波器。
[0046] 设单位脉冲响应的零极点表达式如下式2:
[0048]按照上式，系统特性取决于系统零极点的分布，通过分析可知，系统极点位置主要 影响系统幅度特性峰值位置及其尖锐程度，零点位置主要影响系统幅度特性的谷值位置及 其凹下的程度;且通过零极点分析的几何作图法可以定性地画出其幅度特性。故可根据其 幅度特性先确定零极点位置，再按照确定的零极点写出其系统函数，画出其幅度特性，并与 目标幅度特征进行比较，如不满足要求，则可通过移动零极点位置或增加(减少)零极点，进 行修正。
[0049] 3.优化设计法
[0050] 即，直接在频域或者时域中进行设计，联立方程后进行一定运算得到。
[0051] S122:根据所述系统函数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信 号进行滤波。
[0052]例如，获得如上述的系统函数H(z )，处理终端可由H(z)得出表示输入输出关系的 常系数线性差分方程如下式3:
[0054]处理终端将S12获取的光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信号X，代入 上述3计算得到滤波后的光纤采样信号y。
[0055]其中，处理终端可根据该系统函数、历史光纤采样信号状况、用户设定的结构优先 级别中的至少一种确定该IIR数字滤波器的结构为直接型、级联型或并联型。例如，如上式 3,设M=N=2,则IIR数字滤波器的结构如图4所示。
[0056]本实施例中，处理终端采用IIR数字滤波器对光纤采样信号进行实时滤波，从而降 低信号处理的数据量，且有效滤除光纤采样信号中的一些干扰数据，可使后续的光纤环境 状况识别更加准确。
[0057]请参阅图5,图5是本发明光纤信号的滤波方法另一实施例的部分路程图。本实施 例中，处理终端除执行图1所示的步骤外，还执行以下步骤：
[0058] S51:利用SVD算法对光纤某一位置的多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分 解得到多个子矩阵。
[0059] 本实施例中，处理终端采用奇异值分解(英文：Singular value decomposition， 简称:SVD)算法对采集得到光纤采样信号进行处理，以获得信噪比高、噪声均匀的光纤采样 信号。
[0060] 具体，上述S51步骤可具体包括如下子步骤：
[0061] 子步骤S511:将所述多个光纤采样信号{x(l)，X(2)，…，x(n)}构成k*l阶矩阵H。 [0062]将多个光纤采样信号组成一维信号序列X={x(l)，x(2)，…，x(n)}，并将该一维信 号序列X构成k*l阶矩阵H。
[0064]子步骤S512:采用下述公式11对所述矩阵H进行奇异值分解，得到多个子矩阵
[0066] 其中，上述矩阵H为k*l阶酉矩阵;所述矩阵H的秩为m，利用SVD可以将k*l阶矩阵H 表示m个k*l阶子矩阵之和。
[0067]所述U是kXk阶正交矩阵，所述VT表示矩阵V的共辄矩阵，所述V是1X1阶正交矩 阵；所述为对角阵，所述\是矩阵H的第i个奇异值，并且 \ ;所述Ui为矩阵u的第i个列向量，所述Vl为矩阵 V的第i个列向量，所述Hl是包 含Ui和Vi的子矩阵。
[0068] 若是矩阵H表示时频信息，则对应的m和Vi视为频率矢量和时间矢量。因此，H中的 时频信息被分解到一系列由ujP Vl构成的时频子空间中。故选取一定子空间进行重构，可以 提取特定成分的信号，例如，选择奇异值最大的子矩阵，即可提取得到该多个光纤采样信号 所包含主要数据特征。
[0069] S52:获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素 以集合组成一维信号。
[0070] 例如，获取分解得到的多个子矩阵]^|〃|.^2〃2，一,>、,"〃,"丨中奇异值最大的子矩阵 \_〃 ；，并将奇异值最大的子矩阵X,〃,_的各行元素分别作为一维信号&的元素，集合形成所 述一维信号3」={5」,1，5」,2，~，3」,111}，其中，所述3」,111表不子矩阵％^^的第1]1行向量。
[0071] S53:对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置在所述一段时间内 产生的光纤信号。
[0072]本实施例中，处理终端对S52步骤所得到的一维信号进行小波阀值消噪，该消噪方 式可包括硬阀值和软阀值两种。
[0073]该硬阀值方式具体如，根据下述公式12对S52步骤所得到的一维信号&的每个元 素{S^Sy，…，Sp}进行处理，并由每个处理后的元素{Sw'jp'，…，Sp'}组成所述光 纤某一位置在所述一段时间内产生的光纤信号Sj '，
[0075] 其中，所述Sp为所述一维信号&中的第z个元素，所述Sp'为所述光纤信号S/中 的第z个元素，所述T为一设定值。
[0076] 该软阀值方式具体如，根据下述公式13对S52步骤所得到的一维信号&的每个元 素{Sj,l，Sj,2,…，Sj,m}，并由每个处理后的元素{Sj,l'，Sj,2'，…，Sj,m' }组成所述光纤某一位 置在所述一段时间内产生的光纤信号Sj '，
[0078] 其中，所述Sp为所述一维信号&中的第z个元素，所述Sp'为所述光纤信号S/中 的第z个元素，所述a为比例系数，且0<a<l， Sgn(X)为符号函数，所述T为一设定值。
[0079] 在具体应用中，上述T可根据实际情况由用户输入，或者自身对实际情况进行判断 学习后，进行相应设置。
[0080] 经上述小波消噪后，处理终端可对该消噪后的光纤信号（也即消噪后的光纤采样 信号)进行振源识别或者其他处理。
[0081]本实施例中，处理终端利用SVD算法对光纤位置的多个光纤采样信号构造的矩阵 进行奇异值分解，并将奇异值最大的子矩阵组成的一维信号进行小波消噪，以得到该光纤 位置的消噪后的光纤信号，故实现了在光纤信号有效滤波的基础还进一步有效消除噪声， 进一步提高了光纤环境状况识别的准确性。
[0082] 其中，上述步骤S51-53可在上述S12之前或之后执行。
[0083] 在再一实施例中，处理终端在进行上述滤波和/或消噪后，还包括进行振源识别， 在此提供两种但不仅限于下述两种振源识别方式。
[0084]第一种振源识别方式，包括如下步骤：
[0085] S61:处理终端判断所述光纤采样信号是否与预设振动信号模型匹。
[0086]处理终端中存储有多个预设振动模型，该每个预设振动模型对应一种振源，例如， 行人经过引起的振动信号的特征对应记录在第一预设振动模型，车辆经过引起的振动信号 的特征对应记录在第二预设振动模型。处理终端提取消噪后的光纤信号S/的特征，并将提 取的特征给预设振动模型中的特征进行对比，若提取的特征与一预设振动模型中的特征匹 配，则执行S62。
[0087] S62:分析所述光纤采样信号在时域和空域的平稳特性。
[0088] 例如，该光纤采样信号在时域的平稳特性为光纤采样信号对应的该光纤位置在不 同时刻反射得到的对应采样电信号的波动幅度，该光纤采样信号在空域的平稳特性为在某 一时刻该光纤不同位置的对应采样电信号的波动幅度。
[0089] S63:对应所述光纤采样信号不同时域和空域的平稳特性，采用不同的检测方式对 所述光纤采样信号进行检测。
[0090] 为便于说明，将上述获取平稳特性的光纤采样信号成为目标光纤采样信号。
[0091 ]具体如，若所述目标光纤采样信号的时域平稳特性不满足第一平稳条件且空域平 稳特性满足第二平稳条件，则采用滑窗式恒虚警率检测方式对所述目标光纤采样信号进行 检测；
[0092]若所述目标光纤采样信号的时域平稳特性满足所述第一平稳条件且空域平稳特 性不满足所述第二平稳条件，则采用杂波图点检测方式对所述目标光纤采样信号进行检 测；
[0093]若所述目标光纤采样信号的时域平稳特性不满足所述第一平稳条件且空域平稳 特性不满足所述第二平稳条件，则采用杂波图面检测方式对所述目标光纤采样信号进行检 测。
[0094]其中，所述采用滑窗式恒虚警率检测方式对所述目标光纤采样信号进行检测的步 骤可包括：
[0095]获取所述目标光纤采样信号左侧的h个左光纤采样信号值、以及右侧的h个右光纤 采样信号值，其中，所述h个左光纤采样信号中的最右侧的所述左光纤采样信号、所述h个右 光纤采样信号中最左侧的所述右光纤采样信号均与所述目标光纤采样信号相隔g个光纤采 样信号；
[0096]比较所述目标光纤采样信号值与第一门限以及所述左光纤采样信号与第二门限， 其中，所述第一门限为所述h个左光纤采样信号值和所述n个右光纤采样信号值的算术平均 值z，所述第二门限为所述h个左光纤采样信号值和h个右光纤采样信号值中第k个最小光纤 采样信号值；
[0097] 若所述目标光纤采样信号值大于所述第一门限，且所述目标光纤采样信号值大于 第二门限，则所述检测通过。
[0098] 其中，所述采用杂波图点检测方式对所述目标光纤采样信号进行检测的步骤可包 括：
[0099]根据所述光信号的所有采样光信号转换得到光纤采样信号生成杂波图，并将所述 杂波图按照对应光纤不同位置划分若干个杂波图单元；
[0100] 利用所述目标光纤采样信号所在的杂波图单元的有限次回波输入进行迭代，以得 到第三门限；
[0101] 例如，利用公式4对所述第一光纤采样信号所在的杂波图单元进行迭代更新，以得 到第三门限：
[0103]上式4中，$为所述第三门限，所述n+1为当前所述光信号的接收序号，所述k为所 述目标光纤采样信号所在的杂波图单元序号，qu为第k个杂波图单元的第n-1次回波输出 幅度值，《为遗忘因子。
[0104]比较所述目标光纤采样信号值与所述第三门限，若所述第一光纤采样信号值大于 所述第三门限，则所述检测通过。
[0105] 其中，所述采用杂波图面检测方式对所述目标光纤采样信号进行检测的步骤可包 括：
[0106] 根据所述光信号的所有采样光信号转换得到光纤采样信号生成杂波图，并将所述 杂波图按照对应光纤不同位置划分若干个杂波图单元；
[0107] 以所述目标光纤采样信号所在的杂波图单元为中心，取单元数为MN的第一空间区 域，并在所述第一空间区域中取以目标光纤采样信号所在的杂波图单元为中心的第二空间 区域；
[0108] 由除所述第二空间区域外所述第一空间区域的剩余区域的信号强度计算得参考 强度值；
[0109]比较所述目标光纤采样信号强度与所述参考强度值，若所述目标光纤采样信号强 度大于所述参考强度值，则所述检测通过。
[011 0] S63:若所述检测通过，则将所述光纤采样信号对应的光纤位置确定为振源，且所 述振源类型为所述匹配的预设振动信号模型对应的振源类型。
[0111] 例如，光纤信号与上例中的第一预设振动模型的特征匹配，且检测通过，则该光纤 信号为振动信号，且判断振源为行人经过。处理终端计算出来该光纤信号对应的光纤位置， 并还可向相关设备发送信息，以通知该光纤位置有行人经过。
[0112] 第二种振源识别方式，包括以下步骤：
[0113] S71:处理终端将该光纤信号划分为J帧子信号。
[0114] S72:提取每帧子信号的特征矢量组成数组1'[^ = {1'(0)，1'0)，-_，1'(1-1)}，并获 取预设信号模型的特征矢量组成的数组R[I] = {R(〇)，R(i)，~，R(I-l)}。
[0115]其中，所述光纤振动信号的特征矢量与所述预设信号模型的特征矢量的提取方式 一致。
[0116] 例如，处理终端存储有至少一个预设信号模型，每个该预设信号模型对应包括一 种振源的光纤振动信号的多个特征矢量R(〇)，R(i)，…，R(I-l)，其中，i为该预设信号模型 的信号帧的时序标号，i = 〇为该预设信号模型的起点子信号帧，i = I-l为该预设信号模型 的终点子信号帧，因此I为该预设信号模型所包含的子信号的帧总数，R(i)为该预设信号模 型第i帧的子信号的特征矢量。处理终端提取第1帧子信号至第J帧子信号的特征矢量一一 依序对应为T(0)，T(j)，…，T(J-1)，其中，j为该光纤振动信号的信号帧的时序标号，j = 0为 该光纤振动信号的起点子信号帧，j = J_l为该光纤振动信号的终点子信号帧，因此J为该光 纤振动信号所包含的子信号的帧总数，T(i)为个该光纤振动信号第j帧的子信号的特征矢 量。上述I和J均大于1，且两者可相等或不相等，在此不作限定。
[0117] 值得注意的是，该处理终端提取子信号的特征矢量的方式与预设信号模型中的特 征矢量的提取方式是一致的，以保证下述两者的准确对比。也即，预设信号模型和光纤振动 信号采用相同类型的特征矢量。
[0118] 其中，其提取方式可以为多种，例如为线性预测编码（1 inear predictive coding，LPC)得到的能够代表该子信号特征的参数，如LPC系数或倒谱系数。在另一实施例 中，所述提取每帧信号的特征矢量的步骤包括:将所述每帧子信号分别经过LPC分析得到对 应的倒谱系数，将所述每帧子信号的倒谱系数作为其特征矢量。
[0119] S73:确定所述特征矢量T (0)与所述特征矢量R(0)之间的距离g (R(0)，T(0))以及 参数M〇
[0120]其中，所述M与所述I和J之间的差正相关。例如，所述M=m+|l-j|，m为一设定常数。 在一应用中，该m可设置为I或J的十分之一到三十分之一，且小于10。
[0121] 本实施例中，处理终端利用公式14计算得到特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之 间的距离 g(R(〇)，T(0))。
[0122] g(R(0)，T(0))=2d(T(0)，R(0)) (14)
[0123] 其中，该d的定义请参阅步骤S74的公式16及其相关描述。
[0124] S74:处理终端根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量 T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离 8(1?(1)，1'(」）），直至计算得到 所述特征矢量T(J-1)与特征矢量R(I_1)之间的距离g(R(I_l)，T(J-1))。
[0125] 其中，所述g(R(i)，T(j))由g(R(i-l)，T(j))、g(R(i-l)，T(j-l))、或g(R(i)，T(j-l))计算得到。例如，处理终端利用公式15和公式16计算得到所述g(R(i)，T(j));
[0128]其中，所述特征矢量T(j)表示为（yi，…，yn)，所述特征矢量R(i)表示为（ X1，…， X n )。当然，在其他实施例中，该距离函数d也可采用欧氏距离，为
[0129] 其中，每个特征矢量T( j)对应的所述部分特征矢量R( i)包括所述数组R[ I ]中的特 征矢量 R(max( j-M，0))至特征矢量 R(min( j+M，I-l))〇
[0130] 上述顺序计算可表示为:按照数组T[J]的元素顺序，计算每个特征矢量T(j)与同 一特征矢量R(i)的距离，且按照数组R[I]的元素顺序，计算其特征矢量R(i)与同一特征矢 量T(j)的距离。如上述公式12,每个特征矢量T(j)与特征矢量R(i)的距离需依靠其之前特 征矢量之间的距离，故需要按照数组顺序计算。
[0131] 其中，该S74可具体包括以下子步骤：
[0132] 根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所 述特征矢量R(〇)之间的距离g(R(〇)，T( j));
[0133] 顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢 量R(i)之间的距离g(R(i)，T( j))。
[0134] 其中，当所述j = 0时，所述特征矢量T(0)对应的所述部分特征矢量R(i)包括所述 数组R[ I]中的所有特征矢量，当所述j辛〇时，所述特征矢量T( j)对应的所述部分特征矢量R (i)包括所述数组R[ I]中的特征矢量R(max( j-M, 1))至特征矢量R(min( j+M, 1-1))。
[0135] S75:计算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述 光纤振动信号与所述预设信号模型的相似距离。
[0136] 例如，处理终端得到匹配至特征矢量R(I-l)和特征矢量T(J-l)的距离g(R(I_l)，T (J-1))后，根据公式17计算得到所述光纤振动信号与所述预设信号模型的相似距离s;
[0138] S76:若所述相似距离满足设定条件，则处理终端将所述光纤振动信号的振源类型 确定为所述预设信号模型对应的振源类型。
[0139] 该设定条件如为小于设定相似距离，或者为所有预设信号模型中的最小相似距 离。例如，处理终端存储多个预设信号模型，处理终端多次执行上述步骤S73-S75,得到每个 预设信号模型与该光纤振动模型的相似距离，将处理终端将光纤振动模型的振源类型分类 为相似距离最小的预设信号模型对应的振源类型。当然，针对具体应用的不同需求，该设定 条件还可以其他条件，在此不作具体限定。
[0140] 上述匹配方式根据相似度确定光纤振动信号的振源类型，实现了对光纤振动信号 的振源分类，且该分类方式能够对振源进行准确分类，提高了振源识别的准确率，且处理终 端根据设定规则仅计算数组T[J]每个特征矢量T(j)与数组R[I]部分特征矢量R(i)之间的 距离，减少了运算量，提高了识别速度和效率，节省了处理终端的处理资源。
[0141] 参阅图6,本发明光纤信号的滤波装置一实施方式的结构示意图，该装置包括：
[0142] 获取模块61，用于获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信 号转换得到；
[0143] 滤波模块62,用于利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后 的所述光纤采样信号。
[0144] 可选的，滤波模块62具体用于:获取IIR数字滤波器的系统函数;根据所述系统函 数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信号进行滤波。
[0145] 可选地，滤波模块62还用于采用模拟转换法、零极点累试法或优化设计法得到所 述IIR数字滤波器的系统函数。
[0146] 可选地，获取模块61具体用于对光纤传感器检测得到的光纤模拟信号进行模数转 换得到光纤数字信号;利用FPGA采集所述光纤数字信号得到所述光纤采样信号。
[0147] 可选地，该滤波装置还包括消噪模块，用于利用SVD算法对光纤某一位置的多个光 纤采样信号构成的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩阵;获取奇异值最大的所述子矩阵， 并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集合组成一维信号;对所述一维信号进行小 波消噪后作为所述光纤某一位置产生的光纤信号。
[0148] 可选地，该滤波装置还包括识别模块，用于判断所述光纤采样信号是否与预设振 动信号模型匹配;若匹配，则分析所述光纤采样信号在时域和空域的平稳特性;对应所述光 纤采样信号不同时域和空域的平稳特性，采用不同的检测方式对所述光纤采样信号进行检 测;若所述检测通过，则将所述光纤采样信号对应的光纤位置确定为振源，且所述振源类型 为所述匹配的预设振动信号模型对应的振源类型。
[0149] 可选地，该滤波装置还包括识别模块，用于将该光纤采样信号划分为J帧子信号； 提取每帧子信号的特征矢量组成数组!'[^ = {1(0)，1'0)，一，1'(1-1)}，并获取预设信号模 型的特征矢量组成的数组舡1] = {以〇)，以1)，一，1?(1-1)};确定所述特征矢量1'(0)与所述 特征矢量R(〇)之间的距离g(R(〇)，T(0))以及参数M;根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算 所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离g (R(i)，T(j))，直至计算得到所述特征矢量T(J-l)与特征矢量R(I-l)之间的距离g(R(I-l)， 1'(了-1))，其中，所述 8(以1)，1'(]_))由8(以卜1)，1'(]_))^(1?(卜1)，1'(]_-1))、或 8(1?(1)，1'(」-1))计算得到;计算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述 光纤振动信号与所述预设信号模型的相似距离;若所述相似距离满足设定条件，则将所述 光纤振动信号的振源类型确定为所述预设信号模型对应的振源类型。
[0150] 其中，该处理终端的上述模块分别用于执行上述方法实施例中的相应步骤，具体 执行过程如上方法实施例说明，在此不作赘述。
[0151] 参阅图7,本发明光纤信号的滤波装置另一实施方式的结构示意图，该装置70包括 处理器71、存储器72、接收器73及总线74。其中，处理器71、存储器72、接收器73均可以是一 个或多个，图7中仅以一个为例。
[0152] 接收器73用于接收外部设备发送的信息。例如，接收光纤传感器检测得到的光纤 信号。
[0153] 存储器72用于存储计算机程序，并向处理器71提供所述计算机程序，且可存储处 理器71处理的数据，例如接收器73接收到的光纤信号灯。其中，存储器72可以包括只读存储 器、随机存取存储器和非易失性随机存取存储器(NVRAM)中的至少一种。
[0154] 存储器72存储的计算机程序包括如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者它 们的子集，或者它们的扩展集：
[0155] 操作指令:包括各种操作指令，用于实现各种操作。
[0156] 操作系统:包括各种系统程序，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。
[0157] 在本发明实施例中，处理器71通过调用存储器72存储的操作指令(该操作指令可 存储在操作系统中），用于：
[0158] 通过接收器73接收光纤传感器检测得到的光纤采样信号，其中，所述光纤采样信 号由光纤反射的光信号转换得到；
[0159] 对所述光纤采样信号进行IIR数字滤波，得到滤波后的所述光纤采样信号。
[0160]可选地，处理器71执行对所述光纤采样信号进行IIR数字滤波包括:获取IIR数字 滤波器的系统函数;根据所述系统函数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输 入信号进行滤波。
[0161] 可选地，处理器71执行所述获取IIR数字滤波器的系统函数的步骤包括:采用模拟 转换法、零极点累试法或优化设计法得到所述IIR数字滤波器的系统函数。
[0162] 可选地，处理器71还用于：对光纤传感器检测得到的光纤模拟信号进行模数转换 得到光纤数字信号;利用FPGA采集所述光纤数字信号得到所述光纤采样信号。
[0163] 可选地，处理器71还用于:利用SVD算法对光纤某一位置的多个光纤采样信号构成 的矩阵进行奇异值分解得到多个子矩阵;获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异 值最大的子矩阵的每行元素以集合组成一维信号;对所述一维信号进行小波消噪后作为所 述光纤某一位置产生的光纤信号。
[0164] 可选地，处理器71还用于:判断所述光纤采样信号是否与预设振动信号模型匹配； 若匹配，则分析所述光纤采样信号在时域和空域的平稳特性;对应所述光纤采样信号不同 时域和空域的平稳特性，采用不同的检测方式对所述光纤采样信号进行检测;若所述检测 通过，则将所述光纤采样信号对应的光纤位置确定为振源，且所述振源类型为所述匹配的 预设振动信号模型对应的振源类型。
[0165] 可选地，处理器71还用于:将该光纤采样信号划分为J帧子信号；提取每帧子信号 的特征矢量组成数组!'[^ = {1(0)，1'0)，一，1'(1-1)}，并获取预设信号模型的特征矢量组 成的数组R[I] = {R(0)，R(i)，…，R(I-1)};确定所述特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之 间的距离g(R(〇)，T(0))以及参数M;根据所述距离g(R(0)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每 个特征矢量T(j)分别与所述数组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离g(R(i)，T(j))，直 至计算得到所述特征矢量T(J~1)与特征矢量R(I -1)之间的距尚g(R(I-l)，T(J-1))，其中， 所述区(以1)，1'(」_))由 8(1?(卜1)，1'(」_))4(1?(1-1)，1'(」_-1))、或8(1?(1)，1'(」_-1))计算得到;计 算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述光纤振动信号与 所述预设信号模型的相似距离;若所述相似距离满足设定条件，则将所述光纤振动信号的 振源类型确定为所述预设信号模型对应的振源类型。
[0166] 上述处理器71还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元）。具体 的应用中，终端的各个组件通过总线74耦合在一起，其中总线74除包括数据总线之外，还可 以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。但是为了清楚说明起见，在图中将各种总线 都标为总线74。
[0167] 上述本发明实施方式揭示的方法也可以应用于处理器71中，或者由处理器71实 现。处理器71可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的 各步骤可以通过处理器71中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理 器71可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列 (FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或 者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或 者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直 接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完 成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可 编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器72,处理器71读取 相应存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0168] 上述方案中，处理终端采用IIR数字滤波器对光纤采样信号进行实时滤波，从而降 低信号处理的数据量，且有效滤除光纤采样信号中的一些干扰数据，故可提高光纤环境状 况识别的准确性。
[0169] 在本发明所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及装置，可以通 过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或 单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元 或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0170]所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显 示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个 网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的 目的。
[0171]另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可 以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的 单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0172]上述其他实施方式中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立 的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明 的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以 以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用 以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器 (processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包 括：U盘、移动硬盘、只读存储器（R0M，Read_0nly Memory)、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
【主权项】
1. 一种光纤信号的滤波方法，其特征在于，包括： 处理终端获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信号转换得到； 利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤采样信号。2. 如权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，所述利用IIR数字滤波器对所述光纤采 样信号进行滤波的步骤包括： 获取Π R数字滤波器的系统函数； 根据所述系统函数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信号进行滤 波。3. 如权利要求2所述的滤波方法，其特征在于，所述获取IIR数字滤波器的系统函数的 步骤包括： 采用模拟转换法、零极点累试法或优化设计法得到所述IIR数字滤波器的系统函数。4. 如权利要求1所述的滤波方法，其特征在于，所述获取光纤采样信号的步骤包括： 对光纤传感器检测得到的光纤模拟信号进行模数转换得到光纤数字信号； 利用高速数据采集卡FPGA采集所述光纤数字信号得到所述光纤采样信号。5. 如权利要求1至4任一项所述的滤波方法，其特征在于，还包括： 利用奇异值分解SVD算法对光纤某一位置的多个光纤采样信号构成的矩阵进行奇异值 分解得到多个子矩阵； 获取奇异值最大的所述子矩阵，并提取所述奇异值最大的子矩阵的每行元素以集合组 成一维信号； 对所述一维信号进行小波消噪后作为所述光纤某一位置产生的光纤信号。6. 如权利要求1至4任一项所述的滤波方法，其特征在于，所述利用IIR数字滤波器对所 述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤采样信号的步骤之后，还包括： 判断所述光纤采样信号是否与预设振动信号模型匹配； 若匹配，则分析所述光纤采样信号在时域和空域的平稳特性； 对应所述光纤采样信号不同时域和空域的平稳特性，采用不同的检测方式对所述光纤 采样信号进行检测； 若所述检测通过，则将所述光纤采样信号对应的光纤位置确定为振源，且所述振源类 型为所述匹配的预设振动信号模型对应的振源类型。7. 如权利要求1至4任一项所述的滤波方法，其特征在于，所述利用IIR数字滤波器对所 述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述光纤采样信号的步骤之后，还包括： 将该光纤采样信号划分为J帧子信号； 提取每帧子信号的特征矢量组成数组T[J] = {T(0)，T(j)，-_，T(J_l)}，并获取预设信 号模型的特征矢量组成的数组R[I] = {R(〇)，R(i)，-_，R(I_l)}; 确定所述特征矢量T(0)与所述特征矢量R(0)之间的距离g(R(0)，T(0))以及参数Μ; 根据所述距离g(R(〇)，T(0))，顺序计算所述数组T[J]每个特征矢量T(j)分别与所述数 组R[I]至少部分特征矢量R(i)之间的距离g(R(i)，T(j))，直至计算得到所述特征矢量T(J-1)与特征矢量R(I-l)之间的距离8(1?(1-1)，1(1-1))，其中，所述8(1?(1)，1'(」））由8(1?(卜1)， 1'(」_))^(1?(卜1)，1'(」-1))、或8(1?(1)，1'(」-1))计算得到； 计算所述距离g(R(I-l)，T(J-l))与所述I和所述J的和之间的比，以作为所述光纤振动 信号与所述预设信号模型的相似距离； 若所述相似距离满足设定条件，则将所述光纤振动信号的振源类型确定为所述预设信 号模型对应的振源类型。8. -种光纤信号的滤波装置，其特征在于，包括： 获取模块，用于获取光纤采样信号，其中，所述光纤采样信号由光纤反射的光信号转换 得到； 滤波模块，用于利用IIR数字滤波器对所述光纤采样信号进行滤波，得到滤波后的所述 光纤米样信号。9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述滤波模块具体用于:获取IIR数字滤波 器的系统函数;根据所述系统函数，将所述光纤采样信号作为所述IIR数字滤波器的输入信 号进行滤波。10. -种光纤传感系统，其特征在于，包括光纤传感器及处理终端； 所述光纤传感器用于在一端发出第一光信号，并从所述一端接收由所述第一光信号反 射得到的第二光信号； 所述处理终端用于对所述第二光信号对应的光纤电信号进行IIR数字滤波，其中，所述 处理终端包括权利要求8或9所述的光纤信号的滤波装置，以对所述光纤电信号进行IIR数 字滤波。
【文档编号】G01D5/36GK106052728SQ201610457728
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】刘博宇, 曹文慧, 宋善德, 刘本刚, 李建彬, 魏照
【申请人】深圳艾瑞斯通技术有限公司