光纤周界安全管理系统及其模式识别方法

专利名称：光纤周界安全管理系统及其模式识别方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤周界安全管理系统，包括光纤传感器阵 列、信号处理与解调系统和模式识别系统。该发明可以应用于边 境安全、石油管线安全的监测和重要基础设施的保护等场合。不 仅包括光纤传感系统本身，而且具有强大的通信、控制和数据管 理能力。
背景技术：
周界安全是安防领域中最为重要的方面之一。从长距离的边 境线安全、石油管线的远程监测，到短距离的重要基础设施的防 护，对国家安全和国民经济都有着重要的意义。近年来，随着计 算机技术、通信技术、传感技术的不断进步，出现了各种新的安 防手段。与传统的高压电缆、录像监控等手段相比，分布式光纤 监控方案有着诸多优势，如信号通过光纤传输，不受外界电磁信 号的干扰；与无线传感网络相比，不受功耗条件的限制，可以实 现实时远程监控。
光纤传感器技术在多种领域获得了广泛的应用，因为有着高灵敏度、抗辐射与电磁干扰和易于大规模组网等优点，光纤加速 度传感器及其网络在周界安全、石油管道监测领域有着不可比拟 的技术优势。
现有的光纤传感系统，如专利CN 1 8 6 2 2 3 9 A、 CN1 9 9 5 9 3 5 A，采用普通光纤构成干涉仪的方案，有两个明显的 缺点第一，振动探测灵敏度不高；第二，定位精度不高。上面 两种方案只是感受到了简单的压力信号，信息量有限，利用这些 信号对各种事件类型是远远不够的。
光纤加速度传感器是基于光纤技术的地面振动加速度的换 能器件，把地面的地震动信号转化成为光信号相位的变化，利用 检测手段可以把实际信号还原出来，对地面振动信号作实时的监 测。在安防应用场合，系统能够为可能的入侵事件进行预警，并 且能够对事件的类型进行判别、分类，对应对方案的快速实施起 到指导作用。
基于地震动信号的目标识别最早源于战场应用中的地面无 人值守传感器(UGS)系统。UGS系统中一般包括声音、震动、 红外、图像等多种传感器组成。地震动传感器是一种有效的探测 方式，当有目标入侵时，目标运动产生对地面的剌激，从而产生 地震动信号向远处传播。由地震动传感器进行感知，通过对各种 地震动信号的分析，可以做出事件类型的判断。根据文献，因为 地震动信号是典型的非平稳随机信号，所以对各类事件的识别需 要很好的提取信号的特征。同时，也对高准确率的识别算法提出要求。 技术内容
本发明的目的在于，提供一种光纤周界安全管理系统及其模 式识别方法，该系统及其方法可以应用于边境线安全、石油管线 安全及其它周界安全场合的应用。
本发明提供一种光纤周界安全管理系统，其特征在于，该系 统包含
一光源；
一复用系统，该复用系统的输入端采用光纤与光源连接，该
复用系统起到光纤通道复用的作用；
一光纤传感器阵列，该光纤传感器阵列的输入端采用光纤与 复用系统的输出端连接，敏感外界物理量的变化；
一解调系统，该解调系统的输入端与复用系统的输出端连
接，把光信号的转化成电信号，并恢复出光纤传感器阵列所敏感 的外界物理量的变化；
一信号处理与模式识别系统，该信号处理与模式识别系统的 输入端与解调系统的输出端连接，对解调系统输出的信号进行处 理并识别；
一报警管理系统，该报警管理系统的输入端与信号处理与模 式识别系统的输出端连接，根据信号处理与模式识别系统的输出 结果进行报警，管理和外界的通信。其中所述的光纤阵列包含多个串连连接的传感器，可以实 现远距离多点监测。
其中所述的多个传感器是震动传感器，敏感外界侵入事件所 引起的地震动信号。
其中所述的信号处理与模式识别系统包含
一光电转换模块，该模块输入端通过光纤与复用系统的输出 端连接，把光信号转化成电信号；
一数模转换模块，该模块输入端与光电转换模块输出端相连 接，把模拟电信号转化成数字电信号；
一多数字信号处理板模块，该模块输入端与数模转换模块输 出端连接，接收来自数模转换模块的信号并进行运算处理，恢复 出由多个光纤传感器所探测到的地震动信号，并对地震动信号进 行处理和识别。
其中所述的报警管理系统包含
一总线，负责多数字信号处理板与主机之间的通信； 一主机，作为光纤周界安全管理系统的运算核心； 一侵入日志数据库，通过用户界面接口与主机进行通信，记
录周界中侵入日志；
一特征数据库，通过用户界面接口与主机进行通信，记录周
界安全中各种入侵事件特征；
一通信模块，该模块通过主机进行管理，负责与外界的通信； 一用户界面，该用户界面是基于主机上的人机交互界面，系统管理人员可以通过该界面对光纤周界安全管理系统进行配置。
其中所述的侵入日志数据库包含侵入时间、侵入事件的类 型、侵入事件的和侵入事件发生的地点。
其中所述的特征数据库包含
侵入事件所引起的地震动原始信号；
经过特征提取后的不同侵入事件的特征量。
其中所述的通信模块包含如下特征
一个串口可以实现报警日志的传输，与其它安防方式，利用 视频、红外进行融合，进行通信和结果融合；
通过以太网口直接与局域网相连，具有远程登录和管理功
能；
以实现侵入事件地震动信号远程实时传输。
本发明提供一种光纤周界安全管理系统的模式识别方法，该 方法采用权利要求1所述的系统，其特征在于，该方法包括如下 步骤
步骤1 :信号输入步骤，该步骤是接收解调系统所恢复出的 侵入信号；
步骤2 :信号预处理步骤，该步骤对信号输入步骤的信号进 行去噪的预处理；
步骤3 :特征提取步骤，该步骤对通过对信号的变换和统计， 提取出不同侵入事件的本质属性，为进一步的识别做好准备；
步骤4 :分类器的设计步骤，该步骤构造对侵入信号分类所使用的分类器模型；
步骤5 :学习步骤，该学习步骤包含在特征提取步骤和分类 器设计步骤之间，对特征库中不同事件的特征参量，不断的输入 到已经设计好的分类器中，当分类性能达到最好时，学习步骤完
成，这时，保存已经学习好的分类器参数；
步骤6:输出结果，该步骤给出侵入事件所发上的类型。 其中所述信号预处理步骤包含以下步骤
信号的分帧、加窗步骤，该步骤负责对连续侵入信号分成若
干个数据帧，以满足进一步处理、识别的需要；
信号的去噪步骤，该步骤负责去除外界噪声的影响，改善侵 入信号的信噪比，提高系统的探测和识别准确率；
侵入信号的探测步骤，该步骤对去噪后的信号进行探测，以 确定该信号是否表示已经有侵入事件发生。
其中所述信号的去噪步骤包含
一个自适应噪声滤波器，该自适应噪声滤波器负责外界周期 性噪声或者干扰的去除，提高输入信号的信噪比。 其中所述自适应滤波器包含
一传输系统，该传输系统表示外界周期性噪声信号沿着地表
传输传输所引起的改变；
一自适应算法，该自适应算法步骤构成传输系统和信号输出 之间的反馈，根据输出的反馈信号，自适应算法实时的调节传输 系统的参数，使周期性噪声实时的被去除。其中所述侵入信号的探测步骤是一个自适应恒虚警率侵入 探测方法，该方法包含以下步骤
分帧信号输入步骤，该步骤接收的是侵入信号经过分帧、去 噪后的信号；
计算统计滑动平均能量步骤，该步骤计算一段时间内的平均
能量；
阈值更新步骤，该步骤按照统计滑动平均能量步骤所计算的
能量，按照下面的公式进行更新，得到自适应阈值；
计算窗口内大于自适应阈值的数据点个数；
判断步骤，该步骤判断步骤得出的窗口内大于自适应阈值的 数据点个数是否大于一个预先设定的值，如果是，那么外界信号 被探测到，如果否，那么将转回到分帧信号输入步骤继续进行；
输出结果步骤。
其中所述特征提取步骤包含以下步骤
信号接收步骤，该步骤接收的事经过信号预处理后的侵入信
号；
信号的功率谱变换步骤，该步骤计算出信号的功率谱估计， 为提取功率谱方面信号作准备；
信号的小波变换步骤，该步骤对小波变换，为提取小波方面 的特征作准备；
功率谱共振峰选择步骤，该步骤搜索出信号的功率谱中的共 振峰频率的位置，作为特征量；功率谱形状统计量计算步骤，该步骤计算从功率谱变换步骤 得到的功率谱的形状统计量，作为特征量；
小波能量计算步骤，该步骤根据信号的小波变换步骤得到的
小波系数计算出小波能量，作为特征量；
归一化联合特征，该步骤把功率谱共振峰选择功率谱共振峰 选择步骤得到的共振峰特征量、功率谱形状统计特征量、小波能 量特征量联合构成一组新的特征量，为了统一化单位，做归一化 处理。
其中所述分类器的设计步骤所用的分类器是一个支持向量 机的分类器，支持向量机是把原始的特征量映射到一个高维空间 中，在高维空间中求取最优分类面的步骤。
其中所述学习步骤包括
根据侵入事件特征提取方法构造特征样本集，分别建立训练
集和测试集；
通过一个径向基核函数，把特征量从地位空间映射到高维空 间，在高维空间中求取最优分类面；
一个可用于多分类的支持向量机，把多分类问题先转化成两 两分类问题。


为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附
图详细说明如后，其中图1是本发明的光纤周界安全管理系统框图2是表示自适应滤波器子系统；
图3是表示环境自适应恒虚警率算法流程图4是表示特征提取流程图5是表示模式识别流程图6是表示事件探测范围示意图7是表示人员侵入所引起地震动信号；
图8是表示车辆侵入所引起地震动信号；
图9是表示光纤周界安全管理系统功能结构图。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明一种光纤周界安全管理系统，该系 统包含
一光源10 1;
一复用系统1 0 2 ，该复用系统1 0 2的输入端采用光纤与 光源l0l连接，该复用系统起到光纤通道复用的作用；
一光纤传感器阵列1 0 3 ，该光纤传感器阵列1 0 3的输入 端采用光纤与复用系统的输出端1 0 2连接，敏感外界物理量的 变化；该光纤阵列1 0 3包含多个串连连接的传感器10 3 1， 可以实现远距离多点监测；该多个传感器l 0 3 l是震动传感 器，敏感外界侵入事件所引起的地震动信号；
一解调系统1 0 4 ，该解调系统1 Q 4的输入端与复用系统1 0 2的输出端连接，把光信号的转化成电信号，并恢复出光纤 传感器阵列l 0 3所敏感的外界物理量的变化；
一信号处理与模式识别系统1 0 5，该信号处理与模式识别 系统1 0 5的输入端与解调系统1 0 4的输出端连接，对解调系
统l 0 4输出的信号进行处理并识别；该信号处理与模式识别系 统1 0 5包含
一光电转换模块10 51 (结合参阅图9 )，该模块输入端 通过光纤与复用系统l 0 2的输出端连接，把光信号转化成电信 号；
一数模转换模块l 0 5 2 ，该模块输入端与光电转换模块1
0 5 l输出端相连接，把模拟电信号转化成数字电信号；
一多数字信号处理板模块l 0 5 3，该模块输入端与数模转 换模块l 0 5 2输出端连接，接收来自数模转换模块的信号并进 行运算处理，恢复出由多个光纤传感器1 0 3 l所探测到的地震 动信号，并对地震动信号进行处理和识别。
一报警管理系统1 0 6 ，该报警管理系统1 0 6的输入端与 信号处理与模式识别系统l 0 5的输出端连接，根据信号处理与 模式识别系统l 0 5的输出结果进行报警，管理和外界的通信；
所述的报警管理系统l Q 6包含
一总线1Q61 (结合参阅图9 )，负责多数字信号处理板
1 0 5 3与主机1 0 6 2之间的通信；
一主机1 0 6 2，作为光纤周界安全管理系统的运算核心；一侵入日志数据库1 0 6 3 ，通过用户界面接口 1 0 6 6与 主机进行通信，记录周界中侵入日志；所述的侵入日志数据库1 0 6 3包含侵入时间、侵入事件的类型、侵入事件的和侵入事 件发生的地点；
一特征数据库1 0 6 4 ，通过用户界面接口 1 0 6 6与主机 进行通信，记录周界安全中各种入侵事件特征；该特征数据库包 含侵入事件所引起的地震动原始信号；经过特征提取后的不同 侵入事件的特征量；
一通信模块1 0 6 5，该模块通过主机1 0 6 2进行管理， 负责与外界的通信；该通信模块10 6 5包含如下特征 一个串 口可以实现报警日志的传输，与其它安防方式，利用视频、红外 进行融合，进行通信和结果融合；通过以太网口直接与局域网相 连，具有远程登录和管理功能；以实现侵入事件地震动信号远程 实时传输；
一用户界面l 0 6 6 ，该用户界面是基于主机上的人机交互 界面，系统管理人员可以通过该界面对光纤周界安全管理系统进 行配置。
请参阅图5所示，本发明提供一种光纤周界安全管理系统的 模式识别方法，该方法采用如前所述的系统，其特征在于，该方 法包括如下步骤
步骤1 :信号输入步骤5 0 1，该步骤是接收解调系统1 0 4所恢复出的侵入信号；步骤2 :信号预处理步骤5 0 2，该步骤对信号输入步骤5
0 1的信号进行去噪的预处理；其中所述信号预处理步骤5 0 2
包含以下步骤信号的分帧、加窗步骤，该步骤负责对连续侵入
信号分成若干个数据帧，以满足进一步处理、识别的需要；信号 的去噪步骤，该步骤负责去除外界噪声的影响，改善侵入信号的 信噪比，提高系统的探测和识别准确率；侵入信号的探测步骤， 该步骤对去噪后的信号进行探测，以确定该信号是否表示己经有 侵入事件发生；
所述侵入信号的探测步骤是一个自适应恒虚警率侵入探测 方法，该方法包含以下步骤分帧信号输入步骤3 0 1 (结合参 阅图3)，该步骤接收的是侵入信号经过分帧、去噪后的信号； 计算统计滑动平均能量步骤3 0 2 ，该步骤计算一段时间内的平 均能量；阈值更新步骤3 0 3，该步骤按照统计滑动平均能量步 骤3 0 2所计算的能量，按照下面的公式进行更新，得到自适应 阈值；计算窗口内大于自适应阈值的数据点个数3 0 4;判断步 骤3 0 5 ，该步骤判断步骤得出的窗口内大于自适应阈值的数据 点个数是否大于一个预先设定的值，如果是，那么外界信号被探 测至U，如果否，那么将转回到分帧信号输入步骤3 0 l继续进行；
输出结果步骤；
所述信号的去噪步骤包含 一个自适应噪声滤波器，该自适 应噪声滤波器负责外界周期性噪声或者干扰的去除，提高输入信 号的信噪比；所述自适应滤波器包含
一传输系统2 0 1(结合参阅图2)，该传输系统表示外界
周期性噪声信号沿着地表传输传输所引起的改变；
一自适应算法2 0 2 ，该自适应算法步骤构成传输系统2 0
1和信号输出之间的反馈，根据输出的反馈信号，自适应算法实
时的调节传输系统2 0 l的参数，使周期性噪声实时的被去除； 步骤3 :特征提取步骤5 0 3 ，该步骤对通过对信号的变换
和统计，提取出不同侵入事件的本质属性，为进一步的识别做好
准备；
所述特征提取步骤5 0 3包含以下步骤信号接收步骤，该 步骤接收的事经过信号预处理5 0 2后的侵入信号；信号的功率 谱变换步骤5 0 3 1 (结合参阅图4 )，该步骤计算出信号的功 率谱估计，为提取功率谱方面信号作准备；信号的小波变换步骤
5 0 3 2，该步骤对小波变换，为提取小波方面的特征作准备； 功率谱共振峰选择步骤5 0 3 3 ，该步骤搜索出信号的功率谱中 的共振峰频率的位置，作为特征量；功率谱形状统计量计算步骤
5 0 3 4 ，该步骤计算从功率谱变换步骤5 0 3 1得到的功率谱 的形状统计量，作为特征量；小波能量计算步骤5 0 3 5 ，该步 骤根据步骤5 0 3 2得到的小波系数计算出小波能量，作为特征 量；归一化联合特征5 0 3 6，该步骤把功率谱共振峰选择步骤
5 0 3 3得到的共振峰特征量、功率谱形状统计特征量、小波能 量特征量联合构成一组新的特征量，为了统一化单位，做归一化处理；
步骤4 :分类器的设计步骤5 0 4，该步骤构造对侵入信号
分类所使用的分类器模型；
所述分类器的设计步骤5 0 4所用的分类器是一个支持向
量机的分类器，支持向量机是把原始的特征量映射到一个高维空 间中，在高维空间中求取最优分类面的步骤；
步骤5 :学习步骤5 0 5 ，该学习步骤包含在特征提取步骤 5 0 3和分类器设计步骤5 0 4之间，对特征库中不同事件的特 征参量，不断的输入到己经设计好的分类器中，当分类性能达到 最好时，学习步骤完成，这时，保存已经学习好的分类器参数；
所述学习步骤5 0 5包括
根据侵入事件特征提取方法构造特征样本集，分别建立训练 集和测试集；通过一个径向基核函数，把特征量从地位空间映射 到高维空间，在高维空间中求取最优分类面； 一个可用于多分类 的支持向量机，把多分类问题先转化成两两分类问题；
步骤6 :输出结果5 0 6 ，该步骤给出侵入事件所发上的类型。
请再参阅图l，图1说明了光纤周界安全系统的基本组成， 主要包含光源1 0 1 、复用系统1 0 2 、光纤传感器阵列10 3、 解调系统l Q 4 、信号处理与模式识别系统1 0 5和报警管理系 统1 Q 6组成。
其中光源l 0 1是一个宽带光源，例如可以是一个波长范围从1 5 3 0 nm至'J 1 5 6 0 nm的ASE光源，或者是一个超辐射发 光二极管(SLD)。光源发出的光耦合到光纤中，经过复用系统1 0 2 ，到达光纤传感器阵列。许多光纤通信中的复用技术如波分 复用(WDM)、时分复用(TDM)和空分复用(SDM)技术，都已经 应用到了光纤传感系统中来。不失一般性的，在本实施中，以波 分复用技术来说明。光纤传感器阵列1 0 3由多个传感器节点串 联而成，下面以基于光纤光栅(FBG)为例来说明，在阵列中每 一个光纤光栅对应于一个特定的中心波长，即布拉格(Bragg) 波长。当光源发出的光到达每一个光纤光栅，那么将在中心波长 反射。当有外界侵入事件发生时，事件所引起的土壤的振动(加 速度信号)，会引起光栅的拉伸，这个拉伸引起中心波长的漂移，
如下所示<formula>formula see original document page 23</formula>
上式中，^是光栅的布拉格波长，《是一个系数，s是光栅 应变量。这样，地面振动信号的加速度的变化就转化为波长的中
心波长的变化。复用系统1 0 2负责传感器阵列中，不同的光纤 光栅分解到对应的工作波长，可以用一个解波分复用器来实现。 解调系统l 0 4把波长的变化转化成可供处理的数字电信号。解 调的方案有多种，相位产生载波(PGC)方法是较为常用的方法， 其计算方法的具体细节可以参阅相关参考文献。
光纤传感器阵列l 0 3按照周界规划进行布设，两个传感器 之间的距离决定着整个系统探测的精度。根据灵敏度的测算，单个传感器可以探测到6 0 m以外的人员走动，对车辆的探测范围 可以达到l 2 Om以上。为了不至于有盲区存在，两个传感器之 间的距离设为5 0 m，对一个2 km的周界，所需传感器的个数为 4 0个。信号解调系统1 0 4恢复出所有通道的地震动信号，然 后进入信号处理和识别流程。
如图1所示信号处理与模式识别系统，主要包括信号的预处 理和模式识别的流程。如图5所示，信号的预处理5 0 1主要作 用是信号的去噪，使有用信号得到增强。常用的信号去噪的方法 有传统的滤波方法，自适应滤波器等方法。因为侵入事件引起的 地震动信号主要以低频成分为主，所以采用一个带宽1 Hz 2 0 OHz的带通滤波器，将外界可能的高频噪声滤除。但同时，若 在应用环境中存在一个周期性噪声，且幅度较大，那么就可以利 用一个自适应滤波器将其去除，自适应滤波器的结构如图2所
不o
如图2所示，一个自适应滤波器由一个传输系统2 0 l和一 个自适应算法模块2 0 2组成和一个运算单元2 0 3组成。自适 应滤波器的一个通道是期望信号d和加性噪声n的输入，另外一 个则是噪声信号n'的，他们来自同一个噪声源，但是被外界的 环境改变了，通过自适应的步骤，实时的跟踪外界噪声的变化， 经过运算器2 0 3以后，噪声被实时的抵消掉。在本发明中，使 用相邻地震动传感器所得到的信号作为两个通道的输入，那么外 界的周期性噪声，就会被实时的抵消掉，有用信号得到增强。自适应滤波器的实现采用最小均方(LMS)算法，自适应滤波器的
更新算法如下所示
(" +1) = w 0) + 2 / e(")x(n _A; = 0,1,…，W -1
信号经过预处理步骤后，有用信号得到增强，进入恒虚警率 目标探测算法单元，如图3所示。恒虚警率算法由信号分帧3 0 1 、滑动统计平均单元3 0 2 、阈值更新单元3 0 3 、窗口内阈 值个数单元3 0 4和判定单元3 0 5组成。如前所述，分帧信号 通过加窗处理后进入滑动平均单元3 0 2，该单元计算出在时间 长度L内的统计平均平方跟能量，如下所示
丄 Z
阈值更新单元3 0 3负责根据上面的计算结果算出自适应
阈值，如下所示
/ [m] = o; *丄A/ea"五[w — 1]
上式中a表示可以调节的参数，得到探测率与虚警率之间的 折中。最后由判定单元统计数据序列中绝对值大于自适应阈值的 点数，如果大于一个阈值，就判定为侵入事件发生，否则继续更 新阈值。
当一个侵入事件发生被探测到，进入模式识别步骤。模式识 别包括特征提取，分类器的设计步骤5 0 4和学习步骤5 0 5组
成。特征提取步骤如图4所示，包括功率谱估计5 0 3 1和小波 变换步骤5 0 3 2 ，而后从功率谱估计结果中计算共振峰5 0 3 3和形状统计量5 0 3 4 ，通过小波系数计算小波能量5 0 35 ，最终得到归一化的联合特征5 0 3 6 。为了更好的说明该方
法，给出实际外场实际信号结果，分别给出了人员走动和轮式车 辆经过单个传感器器时的信号。
功率谱估计包括经典方法和现代谱估计方法。为了更好的描
述，采用该进的周期图方法对信号的功率谱进行估计。图9示出
了人员信号和轮式车量的地震动信号的功率谱估计。
基于SVM的分类方法是在高维空间中求取最优分类面的步 骤，通过一个"核函数"，将原始特征向量映射到一个高维空间。 在测试步骤中采用libSVM软件包进行测试，其基本的决策函数
如下所示
/(x) = sgn(力a》,〖(x, x) + 6*) ,'=i
在上式中，",'是与支持向量对应的最优解，^代表每一个支 持向量，^是分类的阈值，可以由任意一对的支持向量而得到。
训练集是通过上面的特征提取步骤而得到，作为支持向量机 的输入，在训练步骤中采用交叉验证的方法寻找支持向量机的最 优参数。训练完成后，训练好的模型作为识别模式而保持起来， 以备实际环境下应用。
光纤传感器网络的解调系统1 0 4和信号处理1 0 5步骤 都是在数字信号处理(DSP)板上来完成的。如9所示，光信号 经过光电转换模块1 0 5 1后，进入数模转换1 Q 5 2步骤，进 入DSP模块。多块DSP板通过总线1 0 5 3与主机1 0 6 2相连。 主机1 0 6 2可以实现对DSP模块初始化、参数配置等操作。多块DSP处理板构成并行结构，每块可以完成1 6路光纤传感器实
时解调与模式识别处理，把识别结果实时的传送给主机1 0 6 2
进行处理。
主机模块l 0 6 2是光纤周界安全管理系统的核心模块，他 具体实现智能化的管理系统。它包含有一个中央处理器CPU、只 读存储器ROM和随机存储器RAM,通过总线将它们联系在一起。 在操作系统平台上，包含一个智能化管理软件系统。
管理软件系统可以通过总线1 0 6 1获取经过DSP板的原 始信号、特征数据和识别结果等。软件包含一个用户界面1 0 6 6 ，显示原始数据的信号，特征量及其侵入的日志(时间、地点、 事件类型等)；通过用户界面，用户可以管理侵入事件特征库， 对不同的侵入事件进行信号分析，对新的侵入事件进行数据库的 更新。与外界的通信接口 1 0 6 5负责数据的实时传输，远程的 登录和管理的功能。通信接口包含一个串行口 、一个网络接口(局 域网LAN或广域网WLAN)，不仅实现了远程通信的功能，而且与 其它的安防方式如图像、红外等协同工作。
作为一个实施例，在周界应用中，光纤地震动传感器测得人 员走动和车辆经过传感器时引起的地震动信号如图7所示是入 侵人员走动信号；图8示出了侵入车辆引起的地震动信号。图6 示出了事件探测范围。人员走动信号是有规律性的地面冲击信 号，而车辆信号则是一个随着距离的变化信号不断增强又逐渐衰 减的步骤。预先采集一些不同类型的侵入事件，建立特征样本集，对支持向量机模型进行训练，存储已经建好的模型；当实际应用 时，把训练好的模型读入，然后实时信号经过预处理和特征提取
环节，作为分类器的输入，输出即为得到的结
本发明一种光纤周界安全管理系统的特点
1、多传感器节点，远距离实时监测能力
2、地震动时间的高探测率、低虚警率的
3、多种事件的高准确率识别、分类能力
4、多事件的精确定位及其跟踪能力；
5、应用环境的自适应能力
6、强大的系统报警管理、通信能力。
上述的本发明名称与内容仅是为方便描述本发明的技术内 容所定，而非用以限制本发明的权利范围。且，凡是依据本发明 的发明精神所作的等效应用或元件转换、替代，均应涵盖在本发 明的权利要求保护范围内。
权利要求
1、一种光纤周界安全管理系统，其特征在于，该系统包含一光源；一复用系统，该复用系统的输入端采用光纤与光源连接，该复用系统起到光纤通道复用的作用；一光纤传感器阵列，该光纤传感器阵列的输入端采用光纤与复用系统的输出端连接，敏感外界物理量的变化；一解调系统，该解调系统的输入端与复用系统的输出端连接，把光信号的转化成电信号，并恢复出光纤传感器阵列所敏感的外界物理量的变化；一信号处理与模式识别系统，该信号处理与模式识别系统的输入端与解调系统的输出端连接，对解调系统输出的信号进行处理并识别；一报警管理系统，该报警管理系统的输入端与信号处理与模式识别系统的输出端连接，根据信号处理与模式识别系统的输出结果进行报警，管理和外界的通信。
2 、如权利要求1所述的光纤周界安全管理系统，其特征在 于，其中所述的光纤阵列包含多个串连连接的传感器，可以实 现远距离多点监测。
3 、如权利要求2所述的光纤周界安全管理系统，其特征在于，其中所述的多个传感器是震动传感器，敏感外界侵入事件所 引起的地震动信号。
4 、如权利要求1所述的光纤周界安全管理系统，其特征在 于，其中所述的信号处理与模式识别系统包含一光电转换模块，该模块输入端通过光纤与复用系统的输出 端连接，把光信号转化成电信号；一数模转换模块，该模块输入端与光电转换模块输出端相连接，把模拟电信号转化成数字电信号；一多数字信号处理板模块，该模块输入端与数模转换模块输 出端连接，接收来自数模转换模块的信号并进行运算处理，恢复 出由多个光纤传感器所探测到的地震动信号，并对地震动信号进 行处理和识别。
5 、如权利要求1所述的光纤周界安全管理系统，其特征在 于，其中所述的报警管理系统包含一总线，负责多数字信号处理板与主机之间的通信； 一主机，作为光纤周界安全管理系统的运算核心； 一侵入日志数据库，通过用户界面接口与主机进行通信，记录周界中侵入日志；一特征数据库，通过用户界面接口与主机进行通信，记录周界安全中各种入侵事件特征；一通信模块，该模块通过主机进行管理，负责与外界的通信； 一用户界面，该用户界面是基于主机上的人机交互界面，系统管理人员可以通过该界面对光纤周界安全管理系统进行配置。
6 、如权利要求5所述的光纤周界安全管理系统，其特征在 于，其中所述的侵入日志数据库包含侵入时间、侵入事件的类 型、侵入事件的和侵入事件发生的地点。
7 、如权利要求5所述的光纤周界安全管理系统，其特征在 于，其中所述的特征数据库包含侵入事件所引起的地震动原始信号；经过特征提取后的不同侵入事件的特征量。
8 、如权利要求5所述的光纤周界安全管理系统，其特征在于，其中所述的通信模块包含如下特征一个串口可以实现报警日志的传输，与其它安防方式，利用视频、红外进行融合，进行通信和结果融合；通过以太网口直接与局域网相连，具有远程登录和管理功能；以实现侵入事件地震动信号远程实时传输。
9 、 一种光纤周界安全管理系统的模式识别方法，该方法采 用权利要求l所述的系统，其特征在于，该方法包括如下步骤步骤1 :信号输入步骤，该步骤是接收解调系统所恢复出的 侵入信号；步骤2 :信号预处理步骤，该步骤对信号输入步骤的信号进 行去噪的预处理；步骤3 :特征提取步骤，该步骤对通过对信号的变换和统计，提取出不同侵入事件的本质属性，为进一步的识别做好准备；步骤4:分类器的设计步骤，该步骤构造对侵入信号分类所使用的分类器模型；步骤5 :学习步骤，该学习步骤包含在特征提取步骤和分类器设计步骤之间，对特征库中不同事件的特征参量，不断的输入到己经设计好的分类器中，当分类性能达到最好时，学习步骤完成，这时，保存已经学习好的分类器参数；步骤6:输出结果，该步骤给出侵入事件所发上的类型。
10、如权利要求9所述的光纤周界安全管理系统的模式识别方法，其特征在于，其中所述信号预处理步骤包含以下步骤信号的分帧、加窗步骤，该步骤负责对连续侵入信号分成若干个数据帧，以满足进一步处理、识别的需要；信号的去噪步骤，该步骤负责去除外界噪声的影响，改善侵 入信号的信噪比，提高系统的探测和识别准确率；侵入信号的探测步骤，该步骤对去噪后的信号进行探测，以 确定该信号是否表示已经有侵入事件发生。
11、如权利要求1 0所述的光纤周界安全管理系统的模式 识别方法，其特征在于，其中所述信号的去噪步骤包含一个自适应噪声滤波器，该自适应噪声滤波器负责外界周期 性噪声或者干扰的去除，提高输入信号的信噪比。
12、如权利要求1 1所述的光纤周界安全管理系统的模式 识别方法，其特征在于，其中所述自适应滤波器包含一传输系统，该传输系统表示外界周期性噪声信号沿着地表传输传输所引起的改变；一自适应算法，该自适应算法步骤构成传输系统和信号输出 之间的反馈，根据输出的反馈信号，自适应算法实时的调节传输 系统的参数，使周期性噪声实时的被去除。
13、如权利要求1 0所述的光纤周界安全管理系统的模式 识别方法，其特征在于，其中所述侵入信号的探测步骤是一个自适应恒虚警率侵入探测方法，该方法包含以下步骤分帧信号输入步骤，该步骤接收的是侵入信号经过分帧、去噪后的信号；计算统计滑动平均能量步骤，该步骤计算一段时间内的平均 能量；阈值更新步骤，该步骤按照统计滑动平均能量步骤所计算的 能量，按照下面的公式进行更新，得到自适应阈值；计算窗口内大于自适应阈值的数据点个数；判断步骤，该步骤判断步骤得出的窗口内大于自适应阈值的 数据点个数是否大于一个预先设定的值，如果是，那么外界信号 被探测到，如果否，那么将转回到分帧信号输入步骤继续进行；输出结果步骤。
14 、如权利要求9所述的光纤周界安全管理系统的模式识 别方法，其特征在于，其中所述特征提取步骤包含以下步骤信号接收步骤，该步骤接收的事经过信号预处理后的侵入信号；信号的功率谱变换步骤，该步骤计算出信号的功率谱估计，为提取功率谱方面信号作准备；信号的小波变换步骤，该步骤对小波变换，为提取小波方面 的特征作准备；功率谱共振峰选择步骤，该步骤搜索出信号的功率谱中的共 振峰频率的位置，作为特征量；功率谱形状统计量计算步骤，该步骤计算从功率谱变换步骤 得到的功率谱的形状统计量，作为特征量；小波能量计算步骤，该步骤根据信号的小波变换步骤得到的 小波系数计算出小波能量，作为特征量；归一化联合特征，该步骤把功率谱共振峰选择功率谱共振峰 选择步骤得到的共振峰特征量、功率谱形状统计特征量、小波能 量特征量联合构成一组新的特征量，为了统一化单位，做归一化 处理。
15 、如权利要求9所述的光纤周界安全管理系统的模式识 别方法，其特征在于，其中所述分类器的设计步骤所用的分类器 是一个支持向量机的分类器，支持向量机是把原始的特征量映射 到一个高维空间中，在高维空间中求取最优分类面的步骤。
16、如权利要求9所述的光纤周界安全管理系统的模式识 别方法，其特征在于，其中所述学习步骤包括根据侵入事件特征提取方法构造特征样本集，分别建立训练集和测试集；通过一个径向基核函数，把特征量从地位空间映射到高维空 间，在高维空间中求取最优分类面；一个可用于多分类的支持向量机，把多分类问题先转化成两 两分类问题。
全文摘要
一种光纤周界安全管理系统，包含一光源；一复用系统的输入端采用光纤与光源连接，该复用系统起到光纤通道复用的作用；一光纤传感器阵列的输入端采用光纤与复用系统的输出端连接，敏感外界物理量的变化；一解调系统的输入端与复用系统的输出端连接，把光信号的转化成电信号，并恢复出光纤传感器阵列所敏感的外界物理量的变化；一信号处理与模式识别系统的输入端与解调系统的输出端连接，对解调系统输出的信号进行处理并识别；一报警管理系统的输入端与信号处理与模式识别系统的输出端连接，根据信号处理与模式识别系统的输出结果进行报警，管理和外界的通信。
文档编号G08B25/00GK101556724SQ20081010365
公开日2009年10月14日 申请日期2008年4月9日 优先权日2008年4月9日
发明者刘育梁, 芳 李, 邢怀飞 申请人:中国科学院半导体研究所