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1、(10)申请公布号 CN 102968868 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102968868 A *CN102968868A* (21)申请号 201210431154.7 (22)申请日 2012.10.31 G08B 13/12(2006.01) (71)申请人 武汉理工光科股份有限公司 地址 430223 湖北省武汉市东湖高新区大学 园路 23 号 (72)发明人 刘军荣 闫奇众 董雷 印新达 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 唐万荣 (54) 发明名称 基于时域包络分析光纤光栅周界入侵行为识 别方法及系统 (57) 摘要 。
2、本发明公开了一种基于时域包络分析光纤光 栅周界入侵行为识别方法及系统， 其中方法包括 以下步骤 ： 接收经光纤光栅解调仪解调的外界振 动信号 ； 当振动信号的波动与预设平均值相差特 定值时， 截取固定时间长度的信号。对所截取的 信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； 对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时 域包络信号 ； 对时域包络信号进行分帧， 并对每 帧的时域包络信号进行特征参量提取 ； 根据特征 参量的值以及预先设定的特征参数阈值进行振动 行为的模式识别 ； 若特征参量的值满足预先设置 的报警条件， 生成报警信息并发送给联动设备。 本 发明识别周界入侵行为的灵敏度。
3、高， 抗环境能力 强， 系统报警性能好， 误报率低。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别方法， 其特征在于， 包括以下 步骤 ： 接收经光纤光栅解调仪解调的外界振动信号 ； 当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 截取固定时间长度的信号 ； 对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； 对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时域包络信号 ； 对时域包。
4、络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号进行特征参量提取 ； 根据特征参量的值以及预先设定的特征参数阈值进行振动行为的模式识别 ； 若特征参量的值满足预先设置的报警条件， 生成报警信息并发送给联动设备。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述对时域包络信号进行分帧具体为采 用滑动时间窗技术进行分帧。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述特征参量包括能量因子、 能量变化 率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和峭度系数。 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述联动设备包括声光报警器和视频监 控系统。 5. 根据权利要求 1 所述的方法，。
5、 其特征在于， 生成报警信息后存储该报警信息。 6. 一种基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别系统， 其特征在于， 包括 ： 接收模块， 用于接收经光纤光栅解调仪解调的外界振动信号 ； 信号截取模块， 用于当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 截取固定时间长 度的信号 ； 预处理模块， 用于对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； Hilbert 变换模块， 用于对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时域包络信号 ； 特征参量提取模块， 用于对时域包络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号进行特 征参量提取 ； 模式识别模块， 用于根据特征参量的值以及。
6、预先设定的特征参数阈值进行振动行为的 模式识别 ； 报警生成和发送模块， 用于在特征参量的值满足预先设置的报警条件时， 生成报警信 息并发送给联动设备。 7. 根据权利要求 6 所述的识别系统， 其特征在于， 所述信号截取模块具体用于采用滑 动时间窗技术进行分帧。 8. 根据权利要求 6 所述的识别系统， 其特征在于， 所述特征参量包括能量因子、 能量变 化率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和峭度系数。 权 利 要 求 书 CN 102968868 A 2 1/6 页 3 基于时域包络分析光纤光栅周界入侵行为识别方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及周界安防领域， 具体是指一种基于。
7、时域包络分析光纤光栅周界入侵行 为识别方法及系统。 背景技术 0002 周界安防是指在重要区域， 如国防边境、 军事基地、 政府要害部门、 油库煤田、 核能 电站、 太阳能电站、 电厂变电站、 银行、 监狱、 博物馆、 机场、 港口、 别墅小区、 数据中心、 水处 理厂、 化工厂、 学校以及其他重大基础设施等， 为阻止非法的入侵破坏活动， 沿场所周界形 成安全防范 ； 确保防区内人员、 财产等处于保护和控制之中， 对于进出防区的行为进行限 制， 一旦目标由被禁止通过的区段进出防区时， 能够被及时发现、 并准确提示事件发生的具 体区位 ； 必要时可对目标实施有限度的警示或打击。 0003 现有的。
8、光纤光栅周界入侵报警系统 （CN101840615） 主要是通过振动幅度的大小来 判断是否报警， 无法辨别入侵行为和根据入侵行为进行相应等级的报警。同时光纤周界入 侵系统 （CN101556724A） 存在定位不准， 误报率较高等缺陷。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷， 提供一种灵敏度高， 系统 报警性能好， 并且误报率较低的基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别方法及系 统。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 0006 提供一种基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别方法， 包括以下步骤 ： 0007 接收经光纤光栅解调仪解调的外。
9、界振动信号 ； 0008 当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 截取固定时间长度的信号。 0009 对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； 0010 对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时域包络信号 ； 0011 对时域包络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号进行特征参量提取 ； 0012 根据特征参量的值以及预先设定的特征参数阈值进行振动行为的模式识别 ； 0013 若特征参量的值满足预先设置的报警条件， 生成报警信息并发送给联动设备。 0014 本发明所述的方法中， 所述对时域包络信号进行分帧具体为采用滑动时间窗技术 进行分帧。 0015 本发明所。
10、述的方法中， 所述特征参量包括能量因子、 能量变化率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和峭度系数。 0016 本发明所述的方法中， 所述联动设备包括声光报警器和视频监控系统。 0017 本发明所述的方法中， 生成报警信息后存储该报警信息。 0018 本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是 ： 0019 提供一种基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别系统， 包括 ： 说 明 书 CN 102968868 A 3 2/6 页 4 0020 接收模块， 用于接收经光纤光栅解调仪解调的外界振动信号 ； 0021 信号截取模块， 用于当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 截取固定时 。
11、间长度的信号。 0022 预处理模块， 用于对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； 0023 Hilbert 变换模块， 用于对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时域包络 信号 ； 0024 特征参量提取模块， 用于对时域包络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号进 行特征参量提取 ； 0025 模式识别模块， 用于根据特征参量的值以及预先设定的特征参数阈值进行振动行 为的模式识别 ； 0026 报警生成和发送模块， 用于在特征参量的值满足预先设置的报警条件时， 生成报 警信息并发送给联动设备。 0027 本发明所述的识别系统中， 所述信号截取模块具体用于采用。
12、滑动时间窗技术进行 分帧。 0028 本发明所述的识别系统中， 所述特征参量包括能量因子、 能量变化率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和峭度系数。 0029 本发明产生的有益效果是 ： 本发明通过对接收到的经解调后的周界入侵信号进行 时域包络分析处理， 包括信号截取、 信号预处理、 信号包络求取以及包络特征参量提取、 模 式辨别和生成报警信息并发送给联动设备， 根据该方法形成识别系统， 包括该识别系统的 光纤光栅周界入侵报警系统灵敏度高， 抗环境能力强， 系统报警性能好， 误报率低。 附图说明 0030 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 附图中 ： 0031 图 1 是本发。
13、明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别方法的流 程图 ； 0032 图 2A 是本发明实施例某次实测的人为入侵引起的振动信号的时域波形图 ； 0033 图 2B 是本发明实施例某次实测的风雨环境引起的振动信号的时域波形图 ； 0034 图 2C 是本发明实施例某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的时域波 形图 ； 0035 图 3A 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动信号的时域包络波 形图 ； 0036 图 3B 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动信号的能量因子的 时域波形图 ； 0037 图 3C 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动。
14、信号的能量变化率 的时域波形图 ； 0038 图 3D 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动信号的裕度系数时 域波形图 ； 0039 图 3E 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动信号的 Lipschitz 常数时域波形图 ； 说 明 书 CN 102968868 A 4 3/6 页 5 0040 图 3F 是本发明实施例提取的某次实测的人为入侵引起的振动信号的峭度系数时 域波形图 ； 0041 图 4A 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的时域包络信 号图 ； 0042 图 4B 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的能量因子的 时域。
15、波形图 ； 0043 图 4C 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的能量变化率 的时域波形图 ； 0044 图 4D 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的裕度系数时 域波形图 ； 0045 图 4E 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的 Lipschitz 常数时域波形图 ； 0046 图 4F 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境引起的振动信号的峭度系数时 域波形图 ； 0047 图 5A 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的 时域包络信号图 ； 0048 图 5B 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人。
16、为入侵引起的振动信号的 能量因子的时域波形图 ； 0049 图 5C 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的 能量变化率的时域波形图 ； 0050 图 5D 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的 裕度系数时域波形图 ； 0051 图 5E 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的 Lipschitz 常数时域波形图 ； 0052 图 5F 是本发明实施例提取的某次实测的风雨环境下人为入侵引起的振动信号的 峭度系数时域波形图 ； 0053 图 6 是本发明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别系统的结 构示意。
17、图 ； 0054 图 7 是本发明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵报警系统结构示意 图。 具体实施方式 0055 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明， 并不 用于限定本发明。 0056 如图 1 所示， 本发明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别方 法， 主要由光纤光栅周界入侵行为识别系统来完成， 包括以下步骤 ： 0057 S101、 识别系统接收经光纤光栅解调仪解调的外界振动信号， 在本发明的一个实 施例中， 识别系统所接收的振动信号为实测的人为入。
18、侵行为光纤光栅振动信号、 风雨环境 说 明 书 CN 102968868 A 5 4/6 页 6 的振动信号和风雨环境下入侵行为所引起的振动信号， 其时域波形分别如图2A、 2B和2C所 示。 0058 S102、 当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 识别系统截取固定时间长 度的信号。 0059 S103、 识别系统对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影响 ； 主要 为根据截取的数据， 去除信号平均量， 降低系统噪声对系统信噪比的影响。 减少系统处理数 据的时间， 提高系统运算效率。 去除信号的直流量， 因振动信号的非线性， 非平稳， 预处理的 目的尽可能地滤除噪声排除干。
19、扰， 例如环境温度的变化引起的干扰。 0060 S104、 对经过预处理后的信号利用 Hilbert（希尔伯特） 变换求取时域包络信号， 还可作特征图。如图 3A、 4A 和 5A 所示， 分别为提取的人为入侵行为、 风雨环境以及风雨环 境下的入侵行为所引起的振动信号的包络信号。 0061 S105、 对时域包络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号进行特征参量提取 ； 0062 在本发明的一个实施例中， 对时域包络信号进行分帧具体为采用滑动时间窗技术 进行分帧。根据提取的人为入侵行为、 风雨环境以及风雨环境下的入侵行为引起的振动信 号包络信号， 获得在不同入侵行为下的特征参量， 如图 3B-。
20、3F、 图 4B-4F 和图 5B-5F 所示。 0063 其中特征参量包括能量因子、 能量变化率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和峭度系数 等特征参量。这些时域上的参量从不同层面反映了包络的性质和特征， 从一定程度上反映 了不同行为引起振动模式的区别。特征参量定义如下 ： 0064 （1） 能量因子 ： 定义为能量和能量平均值的比值， 反应能量的变化。 0065 （2） 能量变化率 : 单位时间内的能量。其反应了能量变化的程度。 0066 （3） 峭度 （Kurtosis） K 是反映振动信号分布特性的数值统计量， 是归一化的 4 阶 中心矩。式中 ： xi为信号值，为信号均值 ； 。
21、N 为采样长度 ； t为标准差。 0067 （4） 裕度系数 : 其物理意义反应系统稳定性的程度。xp为峰值， xr为方 根均值。 0068 （5） Lipschitz 常数 ： 对函数 y f(x) 定义域为 D， 如果存在 L R， 对任意 x1， x2 D， 有 ： |f(x1)-f(x2)| L|x1-x2|， 称 L 为 f(x) 在 D 上的 Lipschitz 常数。如果 y f(x) 在定义域 D 上可导， L 就可以取 f (x) 的一个上界 ： 0069 S106、 根据特征参量的值以及预先设定的特征参数阈值进行振动行为的模式识 别 ； 0070 包络信号在能量因子、 能量。
22、变化率、 裕度系数、 Lipschitz 常数、 峭度系数等特征参 数上存在明显的差异， 通过设定特征参数阈值的方式可以进行模式识别。利用人为入侵的 实验数据， 提取特征参数如下表 1 所示 ： 0071 表 1 特征参数 0072 0073 利用表 1 包络的特征参数设定阈值进行人为入侵和风雨模式识别， 大于阈值则为 人为入侵行为， 小于阈值则为风雨环境因素。具体实验结果如下表 2 所示。 说 明 书 CN 102968868 A 6 5/6 页 7 0074 表 2 模式识别结果 0075 0076 如表 2 所示， 上述方法可以对人为入侵行为和风雨环境进行模式识别。并且根据 分析结果可以。
23、有效防止在风雨环境下的入侵行为的误识别。 0077 如图 5A-5F 所示， 对风雨环境下入侵行为引起的振动信号的处理所得到的信号特 征参数均满足系统阈值可以进行行为的模式识别。 0078 S107、 若特征参量的值满足预先设置的报警条件， 生成报警信息并发送给联动设 备。联动设备包括声光报警器和视频监控系统。 0079 在本发明的一个实施例中， 在生成报警信息后存储该报警信息， 以便于进行历史 查询。 0080 如图 6 所示， 本发明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵行为识别系 统， 可实现上文实施例的识别方法， 具体包括 ： 0081 接收模块 61， 用于接收经光纤光栅解调仪解调。
24、的外界振动信号 ； 0082 信号截取模块 62， 用于当振动信号的波动与预设平均值相差特定值时， 截取固定 时间长度的信号。 0083 预处理模块 63， 用于对所截取的信号进行预处理， 以降低系统噪声对系统的影 响 ； 0084 Hilbert 变换模块 64， 用于对经过预处理后的信号利用 Hilbert 变换求取时域包 络信号 ； 0085 特征参量提取模块 65， 用于对时域包络信号进行分帧， 并对每帧的时域包络信号 进行特征参量提取 ； 特征参量可包括能量因子、 能量变化率、 Lipschitz 常数、 裕度系数和 峭度系数等。 0086 模式识别模块 66， 用于根据特征参量的值。
25、以及预先设定的特征参数阈值进行振动 行为的模式识别 ； 0087 报警生成和发送模块 67， 用于在特征参量的值满足预先设置的报警条件时， 生成 报警信息并发送给联动设备。联动设备包括声光报警器和视频监控系统。 0088 进一步地， 在本发明实施例中， 信号截取模块 62 具体用于采用滑动时间窗技术进 行分帧。 0089 如图 7 所示， 本发明实施例基于时域包络分析的光纤光栅周界入侵报警系统， 包 括光纤光栅振动探测光缆 10、 传导设备 20、 解调设备 30、 信号分析处理系统 40 和联动设备 50， 其中信号分析处理系统 40 为上文实施例的识别系统， 在此不一一赘述。 0090 光。
26、纤光栅振动探测光缆10具体是由N个光纤光栅振动探测器通过串联所组成， 其 中 N 为自然数。 0091 传导设备 20 包括光信号传输光缆和振动传导设备。传输光缆主要是传输光波 信号， 振动传导设备是为了传导振动， 即使外界振动不是作用在光纤光栅振动探测光缆 10 说 明 书 CN 102968868 A 7 6/6 页 8 上， 也可以通过振动传导设备传递振动至光纤光栅振动探测光缆 10。 0092 解调设备30主要是光纤光栅解调仪， 其最多可负载32个通道， 其解调出光纤光栅 信号后通过网络传输至信号分析处理系统 40。 0093 其中， 联动设备 50 包括声光报警器和视频监控系统。 0。
27、094 应当理解的是， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 说 明 书 CN 102968868 A 8 1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102968868 A 9 2/5 页 10 图 2A 图 2B 图 2C 图 3A 图 3B 图 3C 说 明 书 附 图 CN 102968868 A 10 3/5 页 11 图 3D 图 3E 图 3F 图 4A 图 4B 图 4C 图 4D 图 4E 说 明 书 附 图 CN 102968868 A 11 4/5 页 12 图 4F 图 5A 图 5B 图 5C 图 5D 图 5E 图 5F 说 明 书 附 图 CN 102968868 A 12 5/5 页 13 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102968868 A 13 。