光纤链路监测信号的规整化有效特征段选取方法
【专利摘要】一种光纤链路监测信号的规整化有效特征段选取方法，从被噪声污染的光纤链路监测混合信号中提取出只含有外界特定扰动信息的有效信号特征段。本发明首先结合经典阈值法和扰动持续时间确定扰动信号的起止位置，检测出所有有效信号段，并标记每一段，存储每一段有效信号的位置信息，再根据结合最大能量与最高信噪比方法挑选出最能代表当前扰动的信号段，储存特征段的位置信息。最后对得到的信号做进一步规整化处理，在时域上消除会对后续特征提取产生影响的差异。
【专利说明】光纤链路监测信号的规整化有效特征段选取方法
【技术领域】
[0001]周界安防等宽域全光纤安全防卫系统主要应用于机场，油库，长距离输送管道等占地面积广且安全级别需求高的区域的实时监控，节省人力且提高设施区域的安全系数。本发明是专门应用于光纤链路检测信号模式识别的规整化有效信号段的选取方法，属于宽域全光纤扰动传感与定位系统的应用领域。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展和社会水平的提高，社会上不稳定因素也日益增多。为了保证重大设施区域的安全，如石油和天然气业，航空航天基地，民用基础建设，交通运输等。目前国内外安全监控系统主要有红外对射式、微波对射式、振动电缆式、泄露电缆式、电子脉冲围栏式等周界安防系统，以上属于传统型安防监控系统，都有各自无法克服的缺点。基于相位OTDR光链监控系统是符合当前形势需要的新型分布式安全警戒系统。
[0003]20世纪70年代，随着光纤通讯及光纤传感技术的发展产生了光纤传感器，能传感温度、压力、电流、磁、声、光、弯曲、移动等物理量的变化。分布式光纤传感技术使用长达几公里的光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一个单元同时作为信号的传感和传输单元，获取外界被测物理量沿光纤在时间和空间上的不间断变化。从根本上突破了传统单点检测的限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。由于光纤具有传输损耗少、传输带宽大、抗高压、耐腐蚀、不受电磁场干扰、轻质、对外界扰动敏感，使得此技术具有很高的灵敏性和实时性，非常适用于实际应用项目中户外长距离、大范围内安全监控和防护，尤其适合高温、核辐射等恶劣环境中使用。
[0004]模式识别模块在安防前端系统检测出当前外界发生扰动时，立刻判别扰动信号的类别并告知工作人员，自动将具有威胁性质的扰动和安全扰动区分开，工作人员只需在有危险入侵时前往现场进行处理。可以极大节约人力巡防检修，且能定点实时找到侵扰点并且判断侵扰类型来源，大大提升安防效率。
[0005]本发明是应用于光纤链路监测信号模式识别的有效信号特征段选取方法，从被噪声污染的光纤链路监测混合信号中提取出只含有外界特定扰动信息的有效信号段。当多次扰动集中发生在非常短时间内时，根据固定周期采集到的混合信号中往往包含不止一段特定扰动的有效信号。而对于一段极短的时间，多次信号分析会造成资源的浪费，降低分析准确度，且会带给工作人员许多不必要的麻烦。因此，本发明首先结合经典阈值法和扰动持续时间确定扰动信号的起止位置，检测出所有有效信号段，再根据结合最大能量与最高信噪比方法挑选出最能代表当前扰动的信号段。最后对得到的信号做进一步规整化处理，在时域上消除会对后续特征提取产生影响的差异。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的在于为光纤链路监测信号模式识别系统提供一种规整化的有效特征段选取方法。对去噪后的光纤链路监测信号进行处理，解决了现有方法对处在信号尾端的有效信号段的漏检，从多段有效信号段中选取出最能代表当前扰动的信号段并做规整，提高了模式识别的准确度，达到更好的监测目的。
[0007]技术方案:本发明针对由宽域全光纤传感监控预警安防系统采集到的经去噪处理的光纤链路监测信号，提出了监测信号有效特征段的选取方法。本发明的实现过程包含三方面的内容:
[0008]1.结合经典阈值法和扰动持续时间确定有效信号段的起止位置检测出所有有效信号段，记录有效信号段的起止位置；
[0009]2.结合最大能量和最高信噪比方法挑选出最能代表当前扰动的信号段，得到有效特征段；
[0010]3.对有效特征段做规整化处理，在时域上消除会对后续特征提取产生影响的差
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[0011]使用经典阈值法和扰动持续时间相结合的方法确定有效信号段的方法较一般能量法简单，计算量小，且通过计算扰动持续时间增加了信号的长度信息，从两方面约束检测，使得有效信号段的起止位置更准确。本发明使用的光纤链路监测信号时长2S，在时域上离散为20480个信号点，因此，计算扰动持续时间可以通过统计有效的信号点数来实现。
[0012]本发明的具体实现过程如图1所示:
[0013]读取一段经过去噪处理的光纤链路监测信号，计算长度N，初始化各参数，约定状态O表示当前点为无效信号状态、状态I表示当前点为判断状态、状态2表示当前点为有效信号状态，进入循环开始逐点计算。
[0014]其中，有效信号点的阈值thresh，无效信号点数上限lenc2和有效信号点数下限dvalue的值需要预先估计。取thresh为每一段光纤链路监测信号中的最大值均值的1/2，Ienc取经验值200, devalue取经验值700。
[0015]读取第一点，若第一点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤1，若第一点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤2 ；
[0016]步骤1:判定当前点为无效信号点，有效计数器Cl清零，进入状态O;读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤1，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh,转步骤2 ；
[0017]步骤2:判定当前点为有效信号点，有效计数器Cl加1，无效计数器C2清零，当前点为有用信号的起始点，记录起始位置start，进入状态I ;读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤3，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤4 ；
[0018]步骤3:判定当前点为有效信号点，有效计数器Cl加1，无效计数器C2清零，检查循环是否结束，即当前点是否为光纤链路监测信号的最后一个点，也即第N点，是则转步骤5，否则进入状态I，读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤3，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh,转步骤4 ；
[0019]步骤4:暂定当前点为无效信号点，判断无效计数器C2是否小于允许值lenc2，如果小于lenc2，则表明当前信号点可能位于两个相隔不远的有效信号点之间，仍判断当前点为有效信号点，有效计数器Cl加1，检查循环是否结束，即当前点是否为光纤链路监测信号的最后一个点，也即第N点，是则转步骤5，否则转步骤6 ;如果无效计数器C2大于lenc2，表明无效信号点数已经足够多，也即有效信号点已经持续长达lenc2的长度没有出现，可认为有效信号已经结束，判断当前点确实为无效信号点，无效计数器C2加1，转步骤6 ;
[0020]步骤5:记录当前点为有效信号段结束的位置end，将有效信号段起始位置start和有效信号段结束位置end保存进位置缓存器中，位于start和end之间的信号段被确定为有效信号段，有效信号段数segment加I，有效计数器Cl和无效计数器C2均清零，若全部N个点已经循环完毕，则结束，否则，重新回归状态0，开始查找下一个有效信号段，读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤1，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh,转步骤2 ；
[0021 ] 步骤6:判断有效计数器Cl和无效计数器C2差值是否小于预定值dvalue，是则表明先前记到的有效信号段过短，视为噪声干扰段，有效计数器Cl、无效计数器C2、起始位置start均清零，重新回归状态0，开始查找下一个有效信号段，读取下一个点，若当前点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤1，若当前点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤2 ;如果有效计数器Cl和无效计数器C2差值大于预定值dvalue，进入状态2，说明找到了有效信号段的结束位置，转步骤5。
[0022]状态O、状态1、状态2的有效信号段选取循环流程图如图2所示。
[0023]在一整段信号中，有可能不包含有效信号段，也有可能包含一个有效信号段或者两个有效信号段甚至三个，当检测到的有效信号段大于一个时，后续利用小波包分解计算得到的特征是所有有效信号段特征之和，无法代表作为当前干扰信息的特征参加分类鉴另|J，再则在ls-2s这样短时间内多次报警没有实际必要，会造成计算资源的浪费，给处理报警现场的工作人员带去麻烦。因此本发明规定，一整段信号只保留其中最具特性的一段有效信号以便模式识别的逐一比较，利用最大能量结合最高信噪比的方法挑选出特征信号段。
[0024]根据保存的各段起止位置，已经将有效信号段确定，分别计算各段有效信号的能量和信噪比，将能量最大、信噪比最高的两段信号作为初始特征段标记出来。若
【权利要求】
1.一种光纤链路监测信号的规整化有效特征段选取方法，其特征在于结合经典阈值法和扰动持续时间确定有效信号段的起止位置，将扰动持续时间转为用信号点数表征，检测出所有有效信号段，存储每一段有效信号的位置信息；结合最大能量和最高信噪比方法挑选出最能代表当前扰动的有效特征段，存储所述有效特征段的位置信息；对有效特征段做规整化处理，在时域上消除会对后续特征提取产生影响的差异。
2.根据权利要求1所述的光纤链路监测信号的规整化有效信号段选取方法，其特征是:结合经典阈值法和扰动持续时间确定有效信号段起止位置的方法如下:先取一段经过去噪处理的光纤链路监测信号，计算长度N，长度N的单位为点，初始化阈值，进人循环开始逐点计算，读取第一点，若第一点幅值的绝对值小于阈值thr e sh,转步骤I,若第一点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤2 ； 步骤1:判定当前点为无效信号点，有效计数器Cl清零，进入状态O ;读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，重复步骤I，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh,转步骤2 ； 步骤2:判定当前点为有效信号点，有效计数器Cl加I，无效计数器C2清零，当前点为有用信号的起始点，记录起始位置start，进入状态I ;读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh，转步骤3，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤4 ；步骤3:判定当前点为有效信号点，有效计数器Cl加1，无效计数器C2清零，如果当前点为光纤链路监测信号的第N点，则转步骤5 ;否则进入状态1，读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh，重复步骤3，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤4 ; 步骤4:暂定当前点为无效信号点，判断无效计数器C2是否小于允许值lenc2， 如果无效计数器C2小于lenc2，则表明当前信号点可能位于两个相隔不远的有效信号点之间，仍判断当前点为有效信号点，有效计数器Cl加1，如果当前点为光纤链路监测信号的第N点，则转步骤5，否则转步骤6 ； 如果无效计数器C2大于lenc2，表明有效信号点已经持续长达lenc2的长度没有出现，则认为有效信号已经结束，判断当前点确实为无效信号点，无效计数器C2加1，转步骤6 ; 步骤5:记录当前点为有效信号段结束的位置end，将有效信号段起始位置start和有效信号段结束位置end保存进位置缓存器中，位于start和end之间的信号段被确定为有效信号段，有效信号段数segment加I，有效计数器Cl和无效计数器C2均清零，若全部N个点已经循环完毕，则结束；否则，重新回归状态O，开始查找下一个有效信号段，读取下一个点，若新读取点幅值的绝对值小于阈值thresh，转步骤1，若新读取点幅值的绝对值大于阈值thresh,转步骤2 ； 步骤6:判断有效计数器Cl和无效计数器C2差值是否小于预定值dvalue， 如果有效计数器Cl和无效计数器C2差值小于预定值dvalue，则表明先前记到的有效信号段过短，视为噪声干扰段，有效计数器Cl、无效计数器C2、起始位置start均清零，重新回归状态O，并开始查找下一个有效信号段，读取下一个点，若当前点幅值的绝对值小于阈值thresh,转步骤I,若当前点幅值的绝对值大于阈值thresh,转步骤2 ； 如果有效计数器Cl和无效计数 器C2差值大于预定值dvalue，进入状态2，说明找到了有效信号段的结束位置，转步骤5。
3.根据权利要求2所述的光纤链路监测信号的规整化有效信号段选取方法，其特征是:取每一段光纤链路监测信号中的最大值均值的1/2作为判断当前信号点是否为有效信号点的阈值thresh，根据经验取lenc2的值为200，根据经验取dvalue的值为700。
4.根据权利要求2所述的光纤链路监测信号的规整化有效信号段选取方法，其特征是:状态O表示当前点为无效信号状态、状态I表示当前点为判断状态、状态2表示当前点为有效信号状态。
5.根据权利要求1所述的光纤链路监测信号的规整化有效信号段选取方法，其特征是:计算各个有效信号段的能量和信噪比，每个有效信号段的能量为所述每个有效信号段中各点幅值的平方和，每个有效信号的信噪比通过随机信号信噪比的估计方法求得，再分别选取出能量最大段和信噪比最高段，若
6.根据权利要求1所述的光纤链路监测信号的规整化有效信号段选取方法，其特征是:所述规整化处理是将选取到的每一有效特征段在时间轴上平移至初始位置。
【文档编号】H04B10/07GK103903270SQ201410143519
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】李凯彦, 万遂人, 赵兴群, 孙小菡, 潘超 申请人:东南大学