基于动态阈值检测的光纤周界安防系统扰动判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感及检测技术领域，特别应用在光纤周界安防系统中，可以保持较 高探测灵敏度的前提下，消除下雨等环境因素引起系统误报警的方法。光纤周界安防系统 是利用普通通信光缆作为传感介质的传感系统，能够对光缆周界上发生的入侵行为进行准 确定位。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的不断进步和科技水平的飞速发展，安全监测越来越受到重视，不 论是电力、水利、石化等关系国计民生的领域，还是营区、机场、监狱等安全性要求较高的领 域，周界安全监测都得到了非常广泛的应用。由于传感光缆通常铺设在室外围栏上，恶劣天 气会对系统性能有较大影响，尤其是大雨天气更会引起系统误报。因此，如何消除大雨天气 引起的系统误报已经成为提高系统性能的关键问题。
[0003] 以往的光纤周界安防系统往往采取在下雨天人为的降低系统探测灵敏度的方法， 来减少由于下雨引起的系统误报。这种方法不仅需要操作人员对系统参数进行重新设置， 而且系统探测灵敏的降低也会同时影响系统对入侵行为的判断，导致漏报几率显著上升。 恶劣天气尤其是大雨天往往是犯罪分子作案的高发期，越是恶劣的环境系统就越应该保持 较高的探测灵敏度。因此，采用新的方法可以在保持较高探测灵敏度的前提下，消除下雨等 环境因素引起的误报，提高系统抗干扰能力。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的保持系统较高探测灵敏度的前提下，消除下雨等环境因素引起的误 报，提供一种基于动态阈值检测的光纤周界安防系统扰动判断方法。本发明对语音信号处 理中常用的短时过零率法进行改进，能够有效排除下雨信号干扰，并在一定程度上排除自 然界其它的一些干扰，从而提高周界安防定位系统的抗干扰能力。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 基于动态阈值检测的光纤周界安防系统扰动判断方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 第1.取一段扰动光纤信号sb(n)，利用带通滤波器滤波去噪，再进行降采样，得到 信号s(n);
[0008] 第2.将s(n)利用窗函数分帧处理，形成加窗信号x(n) = s(n)/w(n)，其中为w(n)矩 形窗函数，表达式如下：
，N为窗长度，m为窗起始点；
[0009] 第3.设置恰当的过阈值参数L，计算每帧正向过阈值数目LC，LC计算表达式如下：
，其中x(n)，L是阈值参数，当表达式为真时Ψ为1， 假时为〇;
[0010] 第4.比较每帧LC和扰动阈值J的大小，如果整段信号中，有连续3帧LC大于J时，则 判断s(n)为有扰动信号，若本段信号为有扰信号，则当前系统扰动阈值无变化，步骤到此结 束;若本段信号为无扰信号，则执行步骤5;
[0011] 第5.统计每一帧过阈值数目IX，在所有帧中最大LC的值为Max，最小LC的值为Min; 最大值Max与最小值Min的差为D，D=Max-Min;
[0012] 第6.设置阈值浮动参数为T，T的表达式如下：
小，如果D小于Τ，则将此段信号s(n)判断为下雨信号;如果D大于Τ则判断为正常信号；
[0013]第7 .根据第六步的判断结果采用不同的扰动阈值J，J的表达式如下：
其中Max和Min分别为前一段无扰信号s(n)的LC最大值和最小值，T为 s (η)的阈值浮动参数，D=Max-Min。
[0014]本发明的优点和有益结果是：
[0015] 本发明提出了基于动态阈值检测的光纤周界安防定位系统扰动判别算法。如果采 用固定阈值来进行扰动判别，当阈值设定较低时，往往会因为环境噪声较大而引起较多的 误报警，为了排除各种环境噪声影响阈值通常会设定的较高，然而高的阈值会影响系统探 测灵敏度。所以提出一种可以根据当前环境设置动态阈值的算法，在保持系统较高探测灵 敏度的前提下，消除下雨等环境因素引起的误报。
【附图说明】
[0016] 图1分布式光纤扰动定位系统；
[0017] 图2动态阈值扰动判别流程图；
[0018]图3无雨信号扰动信号波形图；
[0019] 图4无雨扰动信号的过阈值数图；
[0020] 图5下雨天无扰动信号的波形图；
[0021 ]图6下雨天无扰动信号的过阈值数图；
[0022]图7下雨天有扰动信号的波形图；
[0023]图8下雨天有扰动信号的过阈值数图；
【具体实施方式】 [0024]发明的原理：
[0025] 1.周界安防定位系统的基本原理：
[0026]分布式光纤扰动定位系统如图1所示，该系统基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪原 理，利用光缆中的两条单模光纤构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的两个测试光纤来感应光缆 周围的扰动信号。
[0027]由图1可知，光由激光器发出后，经親合器C1后被分成1:1的两束光，这两束光分别 经过环形器C2和C3后从干涉臂两端的耦合器C4和C5进入传感环路中并沿相反的两个方向 传输，在对端的耦合器处发生干涉并输出到探测器D1和D2上。探测器H)1和PD2把光信号转 化成电信号，经隔直后由高速采集卡采集到计算机中进行下一步信号处理。传感光缆的P处 受到扰动，则由于扰动位置到传感光缆两端距离的不同，导致相干光波到达探测器的时间 有一定的延迟，沿逆时针方向传播的光波到达探测器roi的时间为：
[0028] ti = Lm/c
[0029] 沿顺时针方向传播的光波到达探测器TO2的时间为：
[0030] t2= (L-Li)n/c
[0031] 式中，U为扰动点距离探测器PD1的距离，L是光纤总长度，η是光纤折射率，C是光 在真空中的速度(3X108m/s)。
[0032] 由此可计算出扰动点位置公式：
[0034] 2.动态阈值检测法的原理分析：
[0035]周界安防系统采集到的信号进行分帧处理，由于安防系统需检测攀爬及走路信 号，其动作持续时间长于语音中各单词信号，参考语音信号处理帧长，设定周界安防系统信 号采集时长为300ms。取出的一帧周界安防系统输出信号s(n)，对其经过加窗处理得到小段 信号用来求取短时过阈值数，即用一定的窗函数w(n)来乘s(n)，从而形成加窗信号x(n) = s (η) *?(11)。以矩形窗函数作为窗函数为例，表达式如下(其中N为窗长度，m为窗起始点）：
[0037]短时过阈值数LC可定义为：
[0039] 式中:m表示窗起点，N表示窗长度，x(n)为加窗信号，Ψ是逻辑函数。
[0040] 光纤在正常天气无扰动情况下短时过阈值数较低，有扰信号段的短时过阈值数会 突然有一个较大的升高，因此可以通过设置扰动判断阈值J来区别是否有扰，图3和图4分别 为正常扰动信号的波形图和过阈值数图。然而大雨天无扰动情况下短时过阈值数也会保持 在一个较高的数目，如图6所示。为了排除下雨天的干扰，利用动态过阈值检测算法可以根 据当前无扰信号来更新系统扰动阈值J，如图8。如此便能够消除大雨天气对扰动判断的影 响。
[0041] 计算周界安防系统判断是否有扰的流程图如图2。
[0042] 实施例1:
[0043]搭建如图1所示的定位分布式光纤扰动定位系统，分别在正常天气和大雨天气敲 击光缆模拟扰动，比较下雨天和正常天气有扰无扰情况。该系统中的光电探测器将光纤中 的扰动光信号变成电信号，获取包含扰动信号的〇. 3S信号进行处理。实验结果如下：
[0044] 1.获取一段正常天气下300ms有扰信号波形图如图3所示，经过处理之后的过阈值 数图如图4所示。从图3中可以看到正常天气无扰时数据波形频率较低，且图4中过阈值数目 LC 一直维持在较低的水平，根据动态阈值算法其扰动阈值J的取值为10。能够较容易判断出 是否有扰。
[0045] 2.获取大雨天气下300ms无扰动信号波形图如图5所示，与图3无扰段信号相比其 信号频率有显著的提高。图6为经过处理之后的过阈值数图，虽然处于无扰状态下，但是其 过阈值数LC 一直保持在10-20之间，大于图4中的扰动阈值。
[0046] 3.获取大雨天气下敲击光缆模拟扰动信号波形图如图7所示，在1500处扰动发生 时，其信号频率要大于之前无扰的信号频率。图8为该信号的过阈值数图，虽然无扰时过阈 值数一直处于较高水平，但是经过动态扰动阈值算法处理之后，其扰动阈值处在一个较高 的范围，不会引起系统的误报警。当有扰动发生时，由扰动引起的过阈值数LC超过扰动阈值 J，引起系统报警。
【主权项】
1.基于动态阔值检测的光纤周界安防系统扰动判断方法，其特征在于包括W下步骤： (1) 取一段扰动光纤信号Sb(n)，利用带通滤波器滤波去噪，再进行降采样，得到信号S (η)； (2) 将s(n)利用窗函数分帖处理，形成加窗信号x(n) = s(n) -w(n)，其中为w(n)矩形窗 函数，表达式如下：iN为窗长度，m为窗起始点； (3) 设置恰当的过阔值参数L，计算每帖正向过阔值数目LC，LC计算表达式如下：其中x(n)，L是阔值参数，当表达式为真时Ψ为1， 假时为0; (4) 比较每帖LC和扰动阔值J的大小，如果整段信号中，有连续3帖LC大于J时，则判断S (η)为有扰动信号;若本段信号为有扰信号，则当前系统扰动阔值无变化，步骤到此结束;若 本段信号为无扰信号，则执行步骤5; (5) 统计每一帖过阔值数目LC，在所有帖中最大LC的值为Max，最小LC的值为Min;最大 值Max与最小值Min的差为D，D=Max-Min; (6) 设置阔值浮动参数为Τ，Τ的表达式如下比较D和Τ的大小，如果 D小于Τ，则将此段信号s(n)判断为下雨信号;如果D大于Τ则判断为正常信号； (7 )根据第六步的判断结果采用不同的扰动阔值J，J的表达式如下：其中Max和Min分别为前一段无扰信号s(n)的LC最大值和最小值，T为 S (η)的阔值浮动参数，D=Max-Min。
【专利摘要】本发明公开一种基于动态阈值检测的光纤周界安防系统扰动判断方法，通过窗函数法将带有扰动及噪声的信号截取成短时的信息帧，计算出每一帧的过阈值数，由过阈值数最大值、最小值及差值来确定系统的扰动阈值，之后的信号将采用新的扰动阈值进行扰动判断。基于动态阈值检测的光纤周界安防系统扰动判别方法是一种能够根据外界环境及时更新系统参数以提高系统抗噪能力的一种技术，可以保持较高探测灵敏度的前提下，消除下雨等环境因素引起系统误报警。
【IPC分类】G08B13/186
【公开号】CN105551165
【申请号】CN201511000053
【发明人】刘琨, 刘铁根, 江俊峰, 马春宇, 陈沁楠, 潘亮, 杜阳, 柴天娇, 何畅
【申请人】天津大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月25日