CN106504451B - 一种基于矩阵论的光纤周界安全信号的解调算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于矩阵论的光纤周界安全信号解调算法，通过对重点区域环绕铺设传感光纤、感知各处应力变化、采集入侵信号、利用入侵事件预报函数解调信号并准确提供入侵事件地点和种类。该算法建立入侵事件类型的数据库，通过该入侵事件对应的通用信号的强度、频率、相位信息，与获得的实测信息进行匹配，同时得到入侵事件位置、入侵事件类型二维信息。提高了周界安全警戒的可行性和准确度，降低了误报率，并在阈值矩阵设定层面提供了警戒等级的可操作性，能够较好地推动周界安全警戒***的发展。

Description

一种基于矩阵论的光纤周界安全信号的解调算法
技术领域
本发明属于光学传感领域和数学领域的交叉学科，提出了一种基于技术的周界安防识别***信号的解调算法
技术背景
目前，光学振动传感技术已经颇为成熟，应用广泛。特别是在安防***方面，发挥了巨大的作用。OTDR是一种光学检测技术，其核心是通过终端的信号解调技术，获得光纤覆盖范围内的入侵事件信息，并与周界布防警报***相结合，实现军事安放警戒的功能。
现有的周界安全***专利，主要针对于各个领域展开。例如，运用传感光纤判定入侵事件的发明专利于2013年授权,其核心是利用报警主机、多个FPGA单片机和多组传感光路之间的联通关系，对布防区进行整体地实时监控；通过光纤干涉仪检测信号频率能量分布进而推断入侵事件的发明专利于2014年授权；利用窄带光源模块分析探测振动信号精细结构，提升光纤干涉灵敏度的一项发明专利于2011年授权；利用***，构建涵盖连续后向瑞利散射信号的干涉***，并将信号转化为矩阵，通过傅里叶变换兼顾振动位置和频率信息频谱图的一项发明专利于2014年授权等；
1、防区型光纤周界安防***，申请号/专利号：201320866706，发明设计人：宋旻；李陆梅；
2、防区型光纤扰动周界安防***及入侵扰动快速判定方法，申请号/专利号：201410241579，发明设计人：刘铁根；孟卓；
3、一种新型全光纤周界安防***，申请号/专利号：201110459259，发明设计人：郭兆坤；
4、相位OTDR***中振动信号位置和频率的同时提取方法，申请号/专利号：201410383027，发明设计人：岳慧敏；张博；吴玉祥；赵必玉；刘永。
传统的基于视频监测的安防***，为哨兵提供了巨大的监控负担，无论对人力还是对硬件都提出了较高的要求，且容易受到外界的干扰。红外探测技术不能有效地识别出防红外伪装者的入侵信号，提升了周界突破的潜在危险性。此外，现有的周界安防警戒***无法同事兼顾红外探测、电子摄像、哨兵巡防等多个检测元素，智能化程度有限，对大范围全面分析判断能力较低，具有较高的误报率。
现有的周界安防警戒***能够从硬件层面上获得准确的光学相位信息，然而，获得的相位信号需要进行解调以获得较为全面，准确的入侵信息。更重要的是，需要对外界入侵信息进行识别，在较低误报率的情况下全面同时掌握整个周界***的安全状况。据此，本发明专利提出一种基于矩阵论的周界安全信号解调算法，该算法可以整体解调信号，并在人工智能训练的基础上同时兼顾入侵地点和入侵事件内容。
发明内容
本发明针对军事领域中的周界安防警戒***，提供了一种通过对重点区域环绕铺设传感光纤、感知各处应力变化、采集入侵信号、利用入侵事件预报函数解调信号并准确提供入侵事件地点和种类的方法。该方法融合了技术、激光器技术、光纤传感技术、机械振动技术、软件等众多领域的研究成果，是一种将光纤振动传感***推广应用的新思路。
本发明硬件部分主要包括如下内容：铺设环形分布的传感光纤，搭建传感***，综合利用在外界应力变化情况下光脉冲信号的相位变化，同时解调入侵事件引起的振动强度、振动频率、相位等信息。当光纤收到外界扰动时，光程的改变会引起散射光的相位变化，携带扰动频率和强度信息。在多点式实时测量的相干检测技术下，定位入侵信号位置，对强度和频率进行定标，判定入侵事件并提供位置信息。
其中，利用相关函数进行匹配识别的算法，是本发明的核心。其主要的思路是建立入侵事件类型的数据库，通过该入侵事件对应的通用信号的强度、频率、相位信息，与获得的实测信息进行匹配，同时得到入侵事件位置、入侵事件类型二维信息。其中，入侵信号具体的强度、频率、相位信息可以通过多次测量取平均的方法进行定义，毋须人工总结归纳。利用数据库内多种预定义入侵事件和实际信号的同步比较，通过相关函数计算其相似度，再设定对应不同警戒等级的阈值，在实际中提供全方位的周界安全警戒功能。
其具体过程可描述为
1、根据入侵事件的常见类型，定义不同入侵事件种类，并对其进行编号k，k的最大值为k0；
2、对环绕警戒区域的光纤进行分段，进行编号，其总长为总长为L，间距为l，
3、改变脉冲的时域特性，使其周期大于脉冲光在光纤内的渡越时间。将探测到的信号按照每段光纤渡越时间进行采样，并将其划分为n个通道。
在数据库建立过程中，定义j为入侵事件发生地。由于光纤的连续特性，j处发生的入侵事件会对每一段光纤产生不同的响应，此时，i对应相应光纤的信号响应，亦即通道i的响应。定义tijk，表征j处发生了k事件，第i个信道的响应。对不同典型入侵事件进行反复试验，并获得预估解调幅函数预估解调频函数和预估解调相函数每一个函数对应为一个n-n-k0的张量。
在使能周界安全警戒***后，探测到Ti，将其分别解调为其中表示信号Ti的解调幅函数，表示信号Ti的解调相函数，表示信号Ti的解调频函数。
信号在i通道的相关函数定义为
需要注意的是，信号在i+1、i-1通道的响应会随着距离的增大出现衰减，因此引入退相关系数α，采用将退相关参量e-αl引入到相邻信号的计算中，则最近邻信道的响应为
对于i+2、i-2时，退相关参量变为e-2αl，同理可推广至所有通道。
当i＞n或i＜0时，此时Cijk＝0
遍历预设光纤位置j，则获得总的相关函数Cjk＝Σ(Cijk+Ci+1,jk+Ci-1,jk......)
此时相关函数形成了一个n×k0矩阵。在实际应用中，可定义n×k0预估阈值矩阵T，当相关函数矩阵中的元素大于预估阈值矩阵中的对应元素时，记录此时的j和k，并形成报告，此时，j位置发生了k事件。
通过上述解调算法，采用矩阵论的方法，分别以入侵事件类型和入侵地点为两个维度，进行相关函数的测量，并利用预设阈值矩阵判断入侵事件的种类。
与其他发明相比，该算法简单易行，首先兼顾了入侵事件和入侵地点两个方面的因素，其次能够同时对多个地点多个入侵事件进行并行运算和并行处理，提供较为全面的入侵信息，最后，该算法使能了技术的优点，提高了周界安全警戒的可行性和准确度，降低了误报率，并在阈值矩阵设定层面提供了警戒等级的可操作性，能够较好地推动周界安全警戒***的发展。
具体实施方式
一种基于矩阵论的光纤周界安全信号解调算法，通过对重点区域环绕铺设传感光纤、感知各处应力变化、采集入侵信号、利用入侵事件预报函数解调信号并准确提供入侵事件地点和种类。铺设环形分布的传感光纤，搭建传感***，综合利用在外界应力变化情况下光脉冲信号的相位变化，同时解调入侵事件引起的振动强度、振动频率、相位等信息。当光纤收到外界扰动时，光程的改变会引起散射光的相位变化，携带扰动频率和强度信息。在多点式实时测量的相干检测技术下，定位入侵信号位置，对强度和频率进行定标，判定入侵事件并提供位置信息。利用相关函数进行匹配识别的算法，是本发明的核心，该算法建立入侵事件类型的数据库，通过该入侵事件对应的通用信号的强度、频率、相位信息，与获得的实测信息进行匹配，同时得到入侵事件位置、入侵事件类型二维信息。
该算法可以利用标准编程语言进行编译，或利用矩阵实验室软件进行编译。
在预估数据库的建立过程中，可以通过多次测量并归一化取平均的方式，存储各种入侵事件在各位置发生的对应预估解调函数。
通过现有的解调算法，可分离出实际测量的解调函数利用时域分割特性进行通道的定序，并调用预估解调函数，利用循环计算获得相关函数矩阵。同时，利用多次实验获得的经验阈值矩阵，通过矩阵减法得到判定结果，并根据实际需求，以图像、语音等方式，提供周界有警的通报服务，实现周界安全警戒功能。

Claims (2)

1.一种基于矩阵论的光纤周界安全信号解调算法，通过对重点区域环绕铺设传感光纤、感知各处应力变化、采集入侵信号、利用入侵事件预报函数解调信号并准确提供入侵事件地点和种类，其特征在于，采用相关函数进行匹配识别的方法，内容为：建立入侵事件类型的数据库，通过该入侵事件对应的通用信号的强度、频率、相位信息，与获得的实测信息进行匹配，同时得到入侵事件位置、入侵事件类型二维信息，
具体步骤如下：
步骤1、根据入侵事件的常见类型，定义不同入侵事件类型，并对其进行编号k，k的最大值为k0；
步骤2、对环绕警戒区域的光纤进行分段，进行编号，其总长为总长为L，间距为l，
步骤3、改变脉冲的时域特性，使其周期大于脉冲光在光纤内的渡越时间，将探测到的信号按照每段光纤渡越时间进行采样，并将其划分为n个通道；
步骤4、分别以入侵事件类型和入侵地点为两个维度，进行相关函数的测量，并利用预设阈值矩阵判断入侵事件的类型。
2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵论的光纤周界安全信号解调算法，其特征在于，所述信号解调算法在数据库建立过程中，定义j为入侵事件发生地，由于光纤的连续特性，j处发生的入侵事件会对每一段光纤产生不同的响应，此时，i对应相应光纤的信号响应，亦即通道i的响应，定义tijk，表征j处发生了k事件，第i个信道的响应，对不同典型入侵事件进行反复试验，并获得预估解调幅函数预估解调频函数和预估解调相函数每一个函数对应为一个n-n-k0的张量，
在使能周界安全警戒***后，探测到Ti，将其分别解调为其中表示信号Ti的解调幅函数，表示信号Ti的解调相函数，表示信号Ti的解调频函数，
信号在i通道的相关函数定义为
需要注意的是，信号在i+1、i-1通道的响应会随着距离的增大出现衰减，因此引入退相关系数α，采用将退相关参量e-αl引入到相邻信号的计算中，则最近邻信道的响应为
对于i+2、i-2时，退相关参量变为e-2αl，同理可推广至所有通道，
当i＞n或i＜0时，此时Cijk＝0
遍历预设光纤位置j，则获得总的相关函数Cjk＝Σ(Cijk+Ci+1,jk+Ci-1,jk......)，
此时相关函数形成了一个n×k0矩阵，在实际应用中，可定义n×k0预估阈值矩阵T，当相关函数矩阵中的元素大于预估阈值矩阵中的对应元素时，记录此时的j和k，并形成报告，此时，j位置发生了k事件。
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