论文研究-分布式光纤传感系统数据处理算法的研究与实现 .pdf

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分布式光纤传感系统数据处理算法的研究与实现,苏旭峰,,基于马赫-泽德干涉仪结构的分布式光纤传感系统通过检测传感光纤上光信号相位的变化来实现传感光纤所覆盖区域内的安防保护。本文��
取国科技论在线 时将采集到的有效数据进行缓存,并锁定该有效数据。 数据处理模块 调用相应算法,对采集卡采集到的有效数据进行处理,得到报警与否的信息反传给用户 界面,同时将事件特征值表传递给数据库系统。 数据库系统模块: 根据用户的配置要求,完成对时间特征值表的相应操作,包括修改、导入导出、保存 删除等。 数据处理算法的研究与实现 信号处理概述 分布式光纤传感器的信号处理框图所示。 实时製有效教封 亚警算法 与厍尸流户F 模过行相以匹E 用户界面 型警与吞信后 数据库 征直 误报 图信号处理框图 其中,报警算法模块将采集卡采集到的有效数据根据不同的算汯倣相应的处,得到各 算法所对应的特征值,形成事件特征值表,然后将该事件特征值表与用户选定的个模板 包括报警模板和误报模板)进行相似性兀配,从而得到报警与否的信息反传给用户界面, 用户界面根据报警信息对事件特征值表做不同的标记,并将其写入数据库 报警算法的设计及软件实现 当采集卡采集到有效数据后,将采集到的有效数据进行缓存,并将该数据锁定,同吋向 用户界面发送 消息。用户界面接收到消息后,调用数据处理模块中的相应算法, 对采集卡采集到的有效数据进行处理,得到报警与否的信息反传给用户界面,同时将事件特 征值表传递给数据库系统进行保存处理。 报警算法简介 报警算法模块主要包括四炎算法,即时域统计算法、频域统计算法、峰偵统计算法和峰 值信息熵统计算法。主要针对三类实际信号的特征进行分析:入侵信号,弱扰动信号和噪声 信号。从时域上看,当一个标准的入侵事件产生的时候,信号的幅度会发生较大的跳变,在 事件发生的开始将处于一种较高的强度,同时事件会持续相对较长的时间;噪声信号指小了 系统在未发生扰动时的状态,即信号处」一种长时间的低电平状态;弱扰动信号介于噪声与 取国科技论在线 入侵信号之间,具有信号度跳变,但强度和持续时冋都较弱。这种信号根据不同的需求既 可以归入入侵,也可以归入噪声 ()时域统计算法 时域统计算法采用通过分析信号的能量米得到时间的特征值。 短时平均能量 短时平均能量的表达式为: 该式的意义可以理解为,首先求取原始序列各个样值的平方,再用一个移动窗 选取出短时平方序列,并将每一段的短时屮方序列求和得到短时平均能量值。 峰均比 有的时候,坏境中可能会有这样的信号,它们长时问地以较弱较平均的作用力作用于传 感光纤,特点是囁度分布比较平均,但是幅度值更晑。因此,这类信号包含比噪声更大的能 量,但又不属于入侵扰动。当扰动事件持续时间与帧长相比较小的时候,区分这种信号与入 侵信号的一个有效手段是使用峰均比参数 设为输入短时序列,令 为该序列的峰值,峰均比衣示为: 该参数描述了输入序列中是否具有含有较高脉冲扰动的特点。 ()频域统计算法 ●频域平均能量 能量在频域上则体现为功率谱密度,所以使用功率谱估计的方法来分析信号的能量分 布。可以用参数化方法估计信号功率谱密度,用过程为信号建模,通过计算系数来 估计功率谱密度 通过对实际采集的数据进行分析可知:入侵信号事件帧的能量分布较噪声信号有更为丰 富的高频分量;噪声信号的能量仅分布在非常低的频率上。 谱宽度 可以选择功率谱密度下降的宽度作为信号的频域特征。该参数对区分入侵信号和 非入侵信号非常有效,在某些情况,弱扰动信号能量很低,其功率谱密度与噪声之间的区别 并不明显,该参数在区分这两种信号时会有困难。 ()峰值统计算法 对于有效的入侵信号而言,其信号的幅度会发生较大的跳变,在事件发生的开始将处于 种较高的强度,且这种较高的嘔度会持续相对较长的时间。而对噪声信号来说,当其度 的持续时间较长肘,其幅度大小较入侵信号而言比较小;当其幅度大小相对入侵信号较大时, 其持续时间较λ侵信号较短。峰值统计算汯即根据上述差别来区别入侵信号与噪声笮号。其 基本思想是根据预先给定的凸峰上、下阈值,统计整个信号始于凸峰上阈值终于凸峰下阈值 间凸峰的数目及其宽度。入侵信号的事件帧包含较多的凸峰数目和较小的凸峰间距,弱扰动 信号则包含较少的凸峰数目且凸峰间隔较大,噪声信号基本不包含凸峰。 取国科技论在线 )峰值信息熵统计算法 可以用随机变量的熵来描述个有限离散概率场的不确定性。熵的定义式是 其中 概率等人时,熵取最人值,其物理意义是的概率分布越难以判断,熵值越人,所 包含的信息量越多。 对」输入信号而言,可以借鉴熵的思想来描述信号包含信息量的多少,统计样值分布在 各个幅度区间的概焠,计算熵值。入侵信号的事件帧包含最扃的信息量,弱扰动信弓次之, 噪声信号包含最少的信息量。 信号算法处理流程图 每种算法与其他算法之间的结果可以是与或或的关系该关系由用户界面进行选择 以下假设有种算法和种识别模板,如下图所示 入侵告警 导入算法 的模版 模版、防区 数输入算法中 非入侵信号入侵告警 入侵信号 入侵告警=0E/AND 图信号算法处埋流程图 如上图可知,当采集卡采集到有效的入侵数据信号时,根据用户指定的算法对有效数据 进行计算处理,得到入侵信号的特征值表,并与用户指定的模板(包括报警模板和误报模板) 进行相似性匹配处理,从而得到报警与否的信息,并记录该事件特征值表。 信号算法的试验验证 取国科技论在线 ●输入模版: 第·次选择正常入侵产生的事件特征值作为输入报詟模版(可同吋选择多个),同吋选 择平常噪声产生的事件特征值作为输入误报模版(可同时选择多个);第二次选择止常入侵 产生的事件特征值作为输入误报模版(可同时选择多个),同时选择平常噪声产生的事件特 征值作为输入报警模版(可同时选择多个)。 ●测试波形 俣事件信号被 燥声事什信号被开 图入侵事件与噪声事件波形 对光缆监控的区域施加正常入侵扰动,而对光缆监控的的区域不施加任何扰动。 测试结果: 对于第一次选择的模版,光缆监控的区域发生入侵报警,光缆监控的区域未发生报 警入侵;对于第二次选择的模版,光缆监控的区域未发生入侵报警,光缆监控的区域发 生报警入侵 ●结果分析 在用户指定的模版相似度阈值范围内,对于第一次选择的模版,正常入侵产生的事件特 征值与报警模版匹配成功,发生入侵报警,噪声产生的事件特征值与误淏报模版匹配成功,未 发生报警入侵;而对于第二次选择的模版,止常入侵产生的事件特征值与误报模版匹配成功 未发生入侵报警,噪声亠生的事件特征值与误报模版匹配成功,发生报警入侵 结论 本文首先介绍了基于马赫洋德干涉型光纤传感系统的原理以及系统结构及各功能模 块,着重讨论了分布式光纤传感系统数据处理算法的研究与实现,并详细介绍了四类主要的 报警算法 当采集卡采集到有效的数据信号吋,通过比对该有效数据产生的事件特征值与数据库模 板(包括报警模板和误报模板)间的相似程度,系统能够准确给岀报警与昋的信息。模板数 据库的引入,在提高系统报警的准确性同时,为用户根据自身需求区分报警与误报事件提供 了方便 参考文献 廖延彪,黎敏,张敏,匡武.光纤传感器技术与应用.北京:清华大学出版社年 李亦农,李梅.信息论基础教程.北京:北京邮电人学出版社 取国科技论在线

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