基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法及分類器的製造方法
2023-10-07 03:43:54
基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法及分類器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法及分類器，所述方法包括：對當前輸入的採樣值兩兩相加獲取長度為N的數據向量；用長度為N的卷積窗與數據向量的對應元素相乘，獲取中間向量；通過Q個子通道濾波器係數向量並行對中間向量做乘累加，輸出Q個濾波結果；將功率特徵向量輸入到神經網絡進行訓練及測試，最終判定侵犯動作的類別。分類器包括：待濾波的信號經過端點檢測，判斷出事件發生的起點，從起點開始，將後面一段時間的信號送入模數轉化器採樣得到樣本序列，以並行數據輸入的形式進入DSP器件，經過DSP器件內部算法處理，最終輸出侵犯動作的類別。本發明具有高效、快速、準確度高的特點，避免了虛警現象的發生。
【專利說明】基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法及分類器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數位訊號處理【技術領域】，尤其涉及一種基於濾波器組的光纖傳感系統 侵犯識別分類方法及分類器。
【背景技術】
[0002] 隨著光導纖維和光纖通信技術[1]的不斷成熟，光纖傳感器[2]得到了快速發展。基 於光纖傳感技術的周界安防系統 [3]也在安防領域逐漸被人們重視。與傳統的紅外線[4]、 電子圍欄[5]和雷射 [6]等安防系統相比，光纖傳感系統對壓力和振動非常敏感，且兼備傳感 和信號傳輸的功能，能夠對直接觸及或間接傳遞給光纖的各種擾動進行實時監控，將傳感 光纖上的微小振動轉化為電信號傳遞給信號處理終端進行分析處理和智能識別，對監控區 域內的入侵行為實現分類。作為一種相位調製的光纖傳感器 m，雙Mach-Zehnder幹涉儀 (dual Mach-Zehnder interferometer, DMZI)結構在檢測擾動事件方面具有高靈敏度和快 速反應的特點，而且還可以實時定位。這些優點使得DMZI分布式光纖傳感器具有廣泛應 用。
[0003] 在布設有DMZI周邊防範光纖傳感系統的區域，當發生外界入侵事件時，光纖振動 傳感器就會採集到事件侵犯擾動的信號。不同侵犯動作（如攀爬圍欄、敲擊光纜、盜剪圍欄 等）所對應的振動信號的頻帶分布有所不同，其中攀爬動作包含更多的低頻成分，而敲擊 光纜所對應的振動信號主要分布在高頻部分。然後對擾動信號進行特徵提取與智能計算， 可以完成擾動事件的分類識別 [8]。目前，最常用的動作識別方法是基於小波分解[9]的模式 識別方法，然而，這種方法的耗時以及運算量會隨著分解層數增加而成指數增長，而且識別 錯誤率比較高，不容易做到靈活配置，故難以滿足安防系統的要求。
[0004] 另外，DMZI周邊防範光纖傳感系統在現場總是存在一些周邊環境的自然擾動（如 下雨、颳風、非侵犯性振動等）。當這些非侵犯性擾動發生時，系統不希望對此響應而報警。 所以侵犯識別系統應當具備排除這類虛警現象的功能。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法及分類器，本 發明，詳見下文描述：
[0006] -種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法，所述方法包括以下步驟：
[0007] (1)對當前輸入的（2N-1)個採樣值兩兩相加獲取長度為N的數據向量；用長度為 N的卷積窗與數據向量的對應元素相乘，獲取中間向量；通過Q個子通道濾波器係數向量並 行對中間向量做乘累加，輸出Q個濾波結果；
[0008] (2)假定預設時間內參與濾波的樣本數為L，並行算出Q個通道輸出信號的功率 值，進而構造功率特徵向量；
[0009] (3)將功率特徵向量輸入到神經網絡進行訓練及測試，最終判定侵犯動作的類別。
[0010] 在步驟（1)之前，所述方法還包括：
[0011] 對輸入信號進行端點檢測，檢測到振動的起始點，從起始點開始選取預設時間內 的振動樣本輸入到濾波器組中。
[0012] 一種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類器，所述分類器包括：DSP器件，
[0013] 待濾波的信號經過端點檢測，判斷出事件發生的起點，從起點開始，將後面一段時 間的信號送入模數轉化器採樣得到樣本序列，以並行數據輸入的形式進入DSP器件，經過 DSP器件的內部算法處理，最終輸出侵犯動作的類別。
[0014] 本發明提供的技術方案的有益效果是：
[0015] 第一、在DMZI光纖傳感系統中實現模式識別分類，而且具有很高的準確度。本發 明提出的模式識別分類器具有高效、快速並且準確度高的特點，相比基於小波分解的模式 識別方法具有更高的優越性。
[0016] 第二、實現對濾波器的各子帶起始位置、子帶寬度以及濾波器係數、頻率響應函數 快速配置。全濾波器組的頻響特性可以由濾波器階數N、濾波器帶寬m、濾波器通帶起始位 置P快速得出，這樣就可以省去對H進行IDFT來求h，減少了運算的複雜度。當濾波器階數 很大以及系統對時效性較高時，這種方法就顯得尤為重要。本發明保證了各子帶的頻響曲 線通帶波紋小、阻帶衰減大，能夠準確提取特徵向量。
[0017] 第三、可避免因周邊環境自然擾動（下雨、颳風、非侵犯性振動）引起的虛警。這 是因為，周邊環境自然擾動的功率主要分布在低頻區域（低於585. 9375Hz)，而本發明在配 置濾波器組的多路頻率向量時，已經把低於585. 9375Hz的頻率向量元素設置為零，故周邊 環境自然擾動對最終功率特徵向量沒有貢獻，從而避免了虛警現象的發生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為DMZI分布式光纖傳感系統的原理圖；
[0019] 圖2為DMZI分布式光纖傳感系統的侵犯動作識別器設計流程圖；
[0020] 圖3為傳統頻率採樣法得到的幅頻曲線IH1(Jco) I與|H2 (j?) I的示意圖；
[0021] 圖4為改進後的幅頻曲線Ih1Ugj) I與|h2(j?) I的示意圖；
[0022] 圖5為濾波器組的結構示意圖；
[0023] 圖6為RBF神經網絡結構圖；
[0024] 圖7(a)為改進後的幅頻曲線示意圖；7(b)為經典頻率採樣法獲得的幅頻曲線示 意圖；
[0025] 圖8為攀爬事件的端點檢測以及特徵向量示意圖；
[0026] 圖9為敲擊事件的端點檢測以及特徵向量示意圖；
[0027] 圖10為本發明的硬體實施圖；
[0028] 圖11為DSP的內部程序流圖。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0030] 本發明以雙Mach-Zehnder分布式光纖傳感系統[1°][11][12]為背景，提出一種效率更 高的侵犯動作識別器。該識別器首先對輸入信號進行端點檢測 [13]，判斷出擾動的起始點； 然後將由起始端點觸發後的信號並行饋入所提出的濾波器組各個通道，將各通道輸出的功 率值構造出特徵向量；最後將功率向量饋入徑向基（Radial Basis Function, RBF)神經網 絡[14]進行模式識別，實現對侵犯動作快速分類，詳見下文描述：
[0031] 先對雙Mach-Zehnder分布式光纖傳感系統的結構進行描述，如圖1所示，由激 光器發出的光經過耦合器Cl後被分成1:1的兩束光線，這兩束光射入由C4、C5組成的雙 Mach-Zehnder幹涉儀中，之後兩束光分別以順時針和逆時針方向在傳感環路中傳播，並 且在對端的耦合器（C5或者C4)上發生幹涉並輸出到探測器PDl和PD2上。探測器把光 信號轉化成電信號，經隔直後由高速採集卡（Data Acquisition, DAQ)採集到工業計算機 (Industrial PC，IPC)中進行下一步信號處理（包括端點檢測、侵犯動作特徵提取與分類 等）。
[0032] 圖2的侵犯動作識別流程包括以下步驟：
[0033] 101 :對輸入信號進行端點檢測，檢測到振動的起始點，從起始點開始選取（預設 時間）內的振動樣本輸入到濾波器組中；
[0034] 該時間段的選擇根據實際應用中的需要進行設定，本發明實施例以IOOms為例進 行說明。
[0035] 102 :在濾波器組中做如下處理：
[0036] 將當前輸入的（2N-1)個採樣值兩兩相加（中心樣點x(n)除外），得到一個長度 為N的數據向量x=[x(n)，x(n+l)+x(n-l)，…，x(n+N-l)+x(n-N+l)] ;然後用一個長度為 N的卷積窗[We(O)^(I), -,w。(N-I)]與當前時刻的數據向量X對應元素相乘，得到中間 向量{vm(n), m = 0,. . .，N-1};最後用Q個子通道濾波器係數向量hq = [hq(0), hq(l),… ，hq(N-l) ] (q = 0,…，Q-1)並行對|vm(n)，m = 0, . . .，N-1}做乘累加，同時獲得Q個濾波輸 出結果 yq(n) (q = 0,…，Q-1)。
[0037] 其中，X (n)、X (n+1)、X (n-1)…X (n+N-1)、X (n-N+1)分別代表當前輸入的採樣值； Wc(O)^(I),…，We(N-I)分別表示卷積窗的係數；hJOhhJl)，"^h q(N-I)分別表示各個子 通道濾波器係數。卷積窗[w。(0)，《。(1)，…，We(N-I)]與當前時刻的數據向量X對應元素相 乘即為：即 X(n) Ic(O)Jx(n+1)+X(n_l)] Ic(I)Jx(n+N-1)+X(n-N+1)] Ic(N-I)等。
[0038] 103 :假定預設時間內參與濾波的樣本數為L，並行算出Q個通道輸出信號yq(n) (q =〇,…，Q-1)的功率值弋=|乞.1'>)，進而構造功率特徵向量P = [Pc^-'Ph]。
[0039] 104 :把功率特徵向量P送入徑向基（RBF)神經網絡進行訓練及測試，最終判定侵 犯動作的類別。
[0040] 以上步驟中，102中的濾波器組結構與參數配置是整個光纖侵犯動作識別器的核 心，因而下面詳細介紹其原理。
[0041] 一、濾波器組的結構
[0042] 1、濾波器組的頻率響應函數設置
[0043] 由於端點檢測後的信號在頻帶上具有不同的功率分布，因此本發明設計的濾波器 組應該既可以分離不同的頻率成分，又可以準確地計算功率值。為了達到能夠適應不同環 境的目的，在濾波器組的設計中，需要考慮到能否通過設定一些參數，可以靈活的更改通 帶。
[0044] 顯然，基於頻率採樣的經典濾波器設計方法符合這一要求，因為其幅頻特性能夠 通過設置一組長度為N的頻率採樣向量H= [H(O)，H(I)，...，H(N-I)]很容易地改變。為 了獲得實濾波器係數，H應該滿足：
[0045] H(k) = H(N-k) (I)
[0046] 頻率響應函數H(jw)是頻率採樣向量H的第K個元素和長度為N的矩形窗的傅 裡葉變換R N(j ?)的離散卷積：
[0047]
【權利要求】
1. 一種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法，其特徵在於，所述方法包括 以下步驟： (1) 對當前輸入的（2N-1)個採樣值兩兩相加獲取長度為N的數據向量；用長度為N的 卷積窗與數據向量的對應元素相乘，獲取中間向量；通過Q個子通道濾波器係數向量並行 對中間向量做乘累加，輸出Q個濾波結果； (2) 假定預設時間內參與濾波的樣本數為L，並行算出Q個通道輸出信號的功率值，進 而構造功率特徵向量； (3) 將功率特徵向量輸入到神經網絡進行訓練及測試，最終判定侵犯動作的類別。
2. 根據權利要求1所述的一種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類方法，其特 徵在於，在步驟（1)之前，所述方法還包括： 對輸入信號進行端點檢測，檢測到振動的起始點，從起始點開始選取預設時間內的振 動樣本輸入到濾波器組中。
3. -種基於濾波器組的光纖傳感系統侵犯識別分類器，所述分類器包括：DSP器件，其 特徵在於， 待濾波的信號經過端點檢測，判斷出事件發生的起點，從起點開始，將後面一段時間的 信號送入模數轉化器採樣得到樣本序列，以並行數據輸入的形式進入DSP器件，經過DSP器 件的內部算法處理，最終輸出侵犯動作的類別。
【文檔編號】G06K9/00GK104376306SQ201410668586
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】黃翔東, 王越冬, 劉鐵根, 劉琨, 餘佳, 陳沁楠 申請人:天津大學