一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法、系统

本发明属于恒虚警检测与控制、光纤预警，具体涉及一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法、系统。

背景技术：

1、目前先进的传感技术和信号处理技术应用到油气管道安全预警技术中，不断发展以实现长距离管道安全监测，使管道的安全性得到保障。

2、光纤传感系统通过光纤感知外界对管道或大地产生的振动信号，这些振动信号能否被正确解释完全依靠振源检测系统的性能。在前端的光纤传感硬件系统方面，主要是采用基于干涉和反射的检测方法，属于后者的otdr（optical time domain reflection, 光时域反射）优势较为明显，使用广泛，但由于otdr技术所采用的传感器灵敏度过高，对环境中的无害干扰和瞬时噪音等干扰源异常敏感，当环境干扰和有害侵入产生非线性混叠时，会导致时空二维的非平稳干扰。在后端的振源检测软件系统方面，主要是采用单级开环振源检测架构，即对振动信号直接进行处理从而获取振源信息，当存在时空二维非平稳干扰时，会造成虚警/实警混叠问题，导致目前的光纤预警系统虚警率不稳定、振动检测可信度不稳定，这严重制约了该项技术的实际应用效果。

3、在光纤振动信号检测中，因为复杂非平稳干扰的存在，导致系统检测输出的虚警率不满足高斯分布假设，且虚警概率密度函数往往是非对称、多峰值的。因此需要提出一种合适的控制系统对光纤振动信号的虚警率进行控制，解决振动信号检测面临的时空二维干扰分布形状畸变问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提出一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法、系统，基于随机分布控制理论，实现了对光纤振动信号的虚警率的控制，解决了振动信号检测面临的时空二维干扰分布形状畸变问题。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、本发明提出的一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法，包括以下步骤：

4、s1、采集埋地光纤的原始振动数据。

5、s2、对采集到的原始振动数据进行数据融合，得到一定大小的二维数据。

6、s3、基于步骤s2中二维数据，利用核密度估计方法得到参杂虚假警报的虚警输出pdf（probability density function, 概率密度函数）。

7、s4、通过b样条模型建立虚警输出pdf与权重向量之间的对应关系，将对虚警输出pdf的跟踪转化为对目标pdf权重的跟踪，得到权重向量和控制输入线性动态模型。

8、s5、通过子空间识别方法对s4步骤中线性动态模型进行参数辨识。

9、s6、通过最小化二项式性能指标的控制方法实现恒虚警检测的阈值系数的动态调整。

10、进一步的，步骤s3中，虚警输出pdf的公式为：

11、；

12、其中，表示虚警输出pdf； n表示样本数量；表示光纤预警系统的输出值；表示光纤预警系统的第 i个样本的输出值；表示检测阈值；表示核函数； h表示带宽，，表示样本的标准差。

13、进一步的，步骤s4中，得到权重向量和控制输入线性动态模型包括以下子步骤：

14、s401、虚警输出pdf与权重向量之间的对应关系为：

15、；

16、其中，表示光纤预警系统中第 i个样本的输出值对应的基函数；表示光纤预警系统中第 i个样本的输出值对应的权重； e表示建模误差。

17、s402、将虚警输出pdf控制问题转化为权重控制问题，具体公式为：

18、；

19、其中，表示由光纤预警系统中第1个样本的输出值对应的基函数到第 n-1个样本的输出值对应的基函数组成的行向量；表示第 n个样本的输出值对应的基函数；表示第 n个非零的正常数；表示第1个到第 n-1个非零正常数组成的列向量；表示由光纤预警系统中第1个样本的输出值对应的权重到第 n-1个样本的输出值对应的权重组成的权重向量；表示向量的转置，其作用是为了将表示为列向量的形式。

20、根据虚警输出pdf在整个区间中满足1的积分的自然约束，使得，线性b样条模型的第 n个权重与其他 n-1个权重具有线性相关性，且仅 n-1个权重是相互独立的，所以相应的光纤预警系统的第 n个样本的输出值对应的权重则表示为。

21、s403、设定权重向量和控制输入具有线性动态关系，获得相应的线性动态模型，具体公式为：

22、；

23、其中,表示 k+1时刻的状态变量，表示 k时刻的中间状态，表示 k时刻的输出值， a、 b、 c、 d表示要辨识的参数矩阵。

24、进一步的，步骤s5中，对线性动态模型进行参数辨识包括以下内容：

25、子空间辨识方法为n4sid（numerical subspace state space systemidentification, 子空间辨识），直接从输入/输出数据矩阵的行和列空间估计系统的卡尔曼状态序列或广义观测矩阵，并通过基本的代数运算（如求解最小二乘问题）获得系统的状态空间模型。

26、进一步的，步骤s6中，对于误报输出pdf的形状控制，控制器的设计是基于二项式性能指标，通过最小化该性能指标从而得到最优的控制输入，使系统输出pdf形状跟踪给定的pdf，或者等效地使权重向量跟踪期望的权重向量。一旦设计了控制器，将为cfar（constant false alarm rate, 恒虚警）检测确定适当的阈值，从而使虚警率最小化。因此，可以通过优化性能指标来获得最佳控制输入：

27、；

28、其中，表示目标pdf，通过光纤端的理想光强度数据来进行估计； j表示虚警输出pdf和目标pdf之间的距离。

29、进一步的，本发明还提出了一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制系统，包括：

30、数据融合模块，用于采集埋地光纤的原始振动数据，对数据进行融合，得到一定大小的二维数据。

31、函数获取模块，用于基于数据融合模块中的二维数据，利用核密度估计的方法得到参杂虚假警报的虚警输出概率密度函数。

32、线性动态模型获取模块，用于通过b样条模型建立虚警输出概率密度函数与权重向量之间的对应关系，将对虚警输出概率密度函数的跟踪转化为对目标概率密度函数权重的跟踪，得到权重向量和控制输入线性动态模型。

33、参数辨识模块，用于通过子空间识别方法对线性动态模型获取模块中的线性动态模型进行参数辨识。

34、阈值系数调整模块，用于通过最小化二项式性能指标的控制算法实现恒虚警检测的阈值系数的动态调整。

35、进一步的，本发明还提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前文所述的一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法的步骤。

36、进一步的，本发明还提出了一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行前文所述的一种非平稳干扰下光纤振源检测的虚警控制方法。

37、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

38、本发明将调整光纤振源检测阈值的阈值系数作为控制目标，实现动态调整阈值系数。将cfar方法与pdf阈值控制结合，使得报警器的位置更加精确，不会出现漏检、多检和误检的情况，与此同时，在面对虚警和实警混杂在一起的情况下，本发明能够消除误报，对排除无振动时产生的虚警有较好的控制效果。能够保证在时空二维的非平稳干扰下，光纤预警系统预警稳定。

39、利用本发明所提出的振源检测方法可以提高精度，使施工单位快速定位，减少工期。