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基于光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾算法研究

文檔作者：李國相茍武侯文檔來源：中國航天空氣動力技術(shù)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年08月29日
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第３0 卷 第1 期
2018 年2 月
浙江水利水電學(xué)院學(xué)報
J.Zhｅjiaｎｇ Ｕｎiｖ ｏf Ｗat.Ｒｅｓ ＆ Eｌｅｃtｒiｃ Ｐｏｗ. VｏＦｌ.ｅ３ｂ0. 20N18ｏ.1 ＤＯＩ： 10.３９６９／j.iｓｓｎ.20９５-70９2.2018.01.01４
基于光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾算法研究
李國相，茍武侯
（中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 10007４）
摘 要：光纖傳感預(yù)警系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，自然界中干擾振源的檢測、識別及濾除是降低系統(tǒng)誤報率、增強系統(tǒng)實
用性的關(guān)鍵因素之一.通過分析光纖預(yù)警系統(tǒng)中強風(fēng)干擾振源和人員攀爬振源的特點，結(jié)合光纖振動檢測系統(tǒng)的
信號傳輸特性，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提出了基于短時過零率的振源識別新方法，給出了識別的具體實現(xiàn)流程，實
現(xiàn)了光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)中無害強風(fēng)干擾的準確檢測與識別.結(jié)果表明，該算法能有效的識別大風(fēng)干擾信號和
人員攀爬入侵信號，解決現(xiàn)場檢測中出現(xiàn)的誤報情況.
關(guān)鍵詞：光纖傳感；數(shù)學(xué)模型；干擾振源；過零率
中圖分類號：ＴN９11.7 文獻標志碼：A 文章編號：1008 -５３６X（2018）01-00６３-0５
Method of MechanicaI Vibration Source Identification Based
on Fiber Optic Vibration Safety Warning System
LＩ Ｇｕｏ-xiaｎｇ， ＧＯＵ Ｗｕ-hｏｕ
（Ｃhiｎa Aｃaｄｅｍｙ ｏf Aｅｒｏｓpaｃｅ Aｅｒｏｄｙｎaｍiｃｓ ， Ｂｅijiｎｇ 10007４， Ｃhiｎa）
Abstract：Ｏptiｃaｌ fiｂｅｒ ｓｅｎｓiｎｇ ｅaｒｌｙ ｗaｒｎiｎｇ ｓｙｓtｅｍ aｄｏptｓ thｅ ｏptiｃaｌ fiｂｅｒ ｃaｂｌｅ tｏ ｄｅtｅｃt aｎｄ iｄｅｎtifｙ ｖiｂｒatiｏｎ ｓiｇｎaｌｓ ，
ｗhiｃh iｓ ｗiｄｅｌｙ ｕｓｅｄ iｎ thｅ pipｅｌiｎｅ tｒaｎｓpｏｒtatiｏｎ ， ｎatiｏｎaｌ ｄｅfｅｎｓｅ ｃaｂｌｅ， ｍiｌitaｒｙ ｂaｓｅ pｅｒiｍｅtｅｒ ｗaｒｎiｎｇ aｎｄ ｓｏ ｏｎ.Ｔhｅ
ｄｅtｅｃtiｏｎ， iｄｅｎtifiｃatiｏｎ aｎｄ fiｌtｒatiｏｎ ｏf thｅ ｄiｓtｕｒｂaｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅ aｒｅ ｏｎｅ ｏf thｅ ｋｅｙ faｃtｏｒｓ tｏ ｒｅｄｕｃｅ thｅ faｌｓｅ pｏｓitiｖｅ ｒatｅ
aｎｄ ｅｎhaｎｃｅ thｅ pｒaｃtiｃaｂiｌitｙ ｏf thｅ ｓｙｓtｅｍ iｎ appｌiｃatiｏｎ .Ｔhiｓ papｅｒ aｎaｌｙｚｅｓ thｅ ｖiｂｒatiｏｎ ｓiｇｎaｌ ｃhaｒaｃtｅｒiｓtiｃｓ ｏf thｅ
ｇaｌｅ ｄiｓtｕｒｂaｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅ aｎｄ thｅ pｅｒｓｏｎｎｅｌ ｓｃｒaｍｂｌｅ iｎｖaｓiｏｎ ｖiｂｒatiｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ， aｓ ｗｅｌｌ aｓ thｅ ｓiｇｎaｌ tｒaｎｓｍiｓｓiｏｎ ｃhaｒaｃtｅｒiｓ -
tiｃｓ ｏf thｅ fiｂｅｒ ｏptiｃ ｖiｂｒatiｏｎ ｓｙｓtｅｍ， ｓｅtｓ ｕp thｅ ｃｏｒｒｅｓpｏｎｄiｎｇ ｍathｅｍatiｃaｌ ｍｏｄｅｌ ， aｎｄ ｒaiｓｅｓ thｅ ｍｅthｏｄ ｏf ｖiｂｒatiｏｎ
ｓｏｕｒｃｅ ｓｅｌf-ｄｅtｅｃtiｏｎ aｎｄ ｒｅｃｏｇｎitiｏｎ ｂaｓｅｄ ｏｎ thｅ ｚｅｒｏ-ｃｒｏｓｓiｎｇ ｒatｅ.Expｅｒiｍｅｎtaｌ aｎｄ fiｅｌｄ tｅｓt ｒｅｓｕｌtｓ ｓhｏｗ that thiｓ
ｍｅthｏｄ ｃaｎ ｅffｅｃtiｖｅｌｙ iｄｅｎtifｙ ｖaｒiｏｕｓ tｅｓtiｎｇ ｇaｌｅ ｄiｓtｕｒｂaｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ， aｎｄ haｓ hiｇh ｄｅtｅｃtiｏｎ aｎｄ ｒｅｃｏｇｎitiｏｎ pｒｏｂaｂiｌitｙ ，
ｌｏｗ faｌｓｅ aｌaｒｍ aｎｄ faｌｓｅ iｄｅｎtifiｃatiｏｎ pｒｏｂaｂiｌitｙ.
Key words：ｏptiｃaｌ fiｂｅｒ ｓｅｎｓiｎｇ； ｍathｅｍatiｃaｌ ｍｏｄｅｌ； ｄiｓtｕｒｂaｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅ； ｚｅｒｏ-ｃｒｏｓｓiｎｇ ｒatｅ
收稿日期：2017-0５-1５
作者簡介：李國相（1９8９ -），男，山東菏澤人，博士，工程師，研
究方向為光纖傳感.
隨著科學(xué)的發(fā)展以及技術(shù)的進步，越來越多的
領(lǐng)域需要利用安全預(yù)警系統(tǒng)來進行防范、確保安
全，而光纖振動安全報警系統(tǒng)解決了有些領(lǐng)域長距
離、野外作業(yè)、無源探測等方面的要求.光纖振動安
全預(yù)警系統(tǒng)以傳感光纜作為分布式傳感器，以光信
號為載體，不需要供電，使用安全，便于野外作業(yè)；
光纖的線狀結(jié)構(gòu)易于架設(shè)，便于大范圍長距離的檢
測；其鋪設(shè)方便靈活，可以做到高隱蔽性，易與周圍
環(huán)境融于一體；光纖既作為傳感單元，又作為傳輸
介質(zhì)，增加了光纖材料的復(fù)用性；此外光纖傳感器
體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、耐腐蝕、
無輻射，這種光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)的誤報和漏報
明顯優(yōu)于常規(guī)的安防系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)
域進行周界安防.
光纖振動安全報警系統(tǒng)作為一種新型的安防
系統(tǒng)，利用光纖作為感應(yīng)體，探測外界擾動并判別
萬方數(shù)據(jù) 是否屬入侵行為，并自動識別入侵類型，實現(xiàn)對有
害行為的及時報警，達到周界預(yù)警的目的.然而，自
然界中，不可避免的存在著多種干擾信號，對振動
事件的檢測率、識別率及報警準確率產(chǎn)生一定干
擾.當(dāng)無害的干擾信號較大的情況，如布置在圍欄
上的傳感光纖容易受到大風(fēng)天氣影響，由于強風(fēng)干
擾信號能量較大，容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤報，造成系統(tǒng)的
誤警率或漏警率一定程度的上升.如何有效識別出
強風(fēng)干擾信號、避免其對系統(tǒng)正常預(yù)警的影響，是
光纖安全預(yù)警系統(tǒng)面臨的主要問題之一.
目前針對天氣干擾因素的處理方法包括：（1）
結(jié)合當(dāng)前天氣情況對系統(tǒng)軟件進行抑制處理，如通
過風(fēng)速計、天氣預(yù)報等了解光纖安防周界區(qū)域的天
氣情況；（2）設(shè)定動態(tài)閾值方法，將采樣信號幅值歸
一化，進行多組測試得到每一組的有效過閾值數(shù)
量，從而確定動態(tài)閾值；（３）采用線性分類器、神經(jīng)
網(wǎng)絡(luò)方法、方差分析、混沌分析、支持向量機［8］ 等，
對振動信號進行識別［1 -8］ .然而，方法一僅能降低特
定天氣條件下的系統(tǒng)誤報率，對于在該天氣下系統(tǒng)
可能存在的攀爬等有害入侵信號具有一定的漏報
風(fēng)險；方法二對于信噪比較好的情況檢測效果較
好，對于信噪比較差的場景難以推廣；方法三均需
要對大量樣本進行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，計算量大，且存在
訓(xùn)練收斂性等問題.
本文提出建立無害的強風(fēng)干擾源數(shù)學(xué)模型，結(jié)
合有害的人員攀爬入侵信號特征，提取采集到的振
動信號的短時過零率，實現(xiàn)對無害強風(fēng)干擾的振源
準確識別，有效降低惡劣天氣情況下光纖預(yù)警系統(tǒng)
的誤報率和漏報率，由于不需要進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，降
低了運算量，對系統(tǒng)的實用性有很大的改進，具有
重要實際意義.
1 光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)簡介
振動信號采集原理（見圖1），主要包括３ 個部
分：分布式光纖傳感器、光源及數(shù)據(jù)采集模塊和上
位機服務(wù)器.其中，分布式光纖傳感器主要布置在
具有安防需求的周界圍欄或圍墻上，并經(jīng)過報警主
機上的光源及數(shù)據(jù)采集模塊采集安防區(qū)域周邊的
振動信號，經(jīng)過電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等變換傳輸?shù)接?
算機中，對該振動信號處理和分析，實現(xiàn)對光纖覆
蓋區(qū)域的實時監(jiān)控.
圖1 振動信號采集原理圖
安防區(qū)域的周界圍欄或圍墻上的分布式光纖
振動傳感器，可以接受到運動、壓力、和振動行為對
其中光信號的影響，從而實現(xiàn)對諸如攀爬、剪切、行
走等行為進行監(jiān)測，通過光電探測模塊，系統(tǒng)報警
主機可以采集到運動、振動或壓力造成的微弱信
號，然后經(jīng)過放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器將振動信號傳
輸至上位機服務(wù)器進行進一步信號檢測、識別等相
關(guān)處理.系統(tǒng)采樣頻率為10 ｋＨｚ，振動數(shù)據(jù)為３2 位
浮點數(shù)的電壓數(shù)據(jù)，為了方便數(shù)據(jù)處理，設(shè)定每
1 02４個數(shù)據(jù)為一幀.
本文研究針對布防在海邊某地的安防地界，分
布式傳感光纖鋪設(shè)在周界圍欄上，主要用于監(jiān)測防
止人員攀爬、越過圍欄，對有害入侵行為進行預(yù)警.
由于環(huán)境因素，海邊風(fēng)速較大，在大風(fēng)情況下，系統(tǒng)
容易產(chǎn)生誤報.據(jù)此，本文開展強風(fēng)干擾情況下，光
纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)的振源識別算法，對強風(fēng)干擾
振源進行檢測、識別并屏蔽無害干擾信號，降低系
統(tǒng)誤報率，同時，保證有害攀爬振源準確報警，防止
系統(tǒng)漏報.
2 振動信號處理
經(jīng)典的振動信號分析主要包括時域和頻域分
析，在系統(tǒng)實際運行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)強風(fēng)干擾
振源，特別是布防在海邊、風(fēng)口的預(yù)警區(qū)域，因此，
區(qū)分強風(fēng)干擾振源和人員入侵振源對提高系統(tǒng)識
別率、報警率具有重要意義.本文分別提取強風(fēng)振
動信號和攀爬振動信號，對于采集到的信號，進行
時域和頻域分析，觀察其時域波形，圖2 所示為強
風(fēng)信號和攀爬信號的時域波形對比.
６４ 浙江水利水電學(xué)院學(xué)報 第３0 卷
萬方數(shù)據(jù)
圖2 強風(fēng)與攀爬振動信號時域波形對比
分析兩者時域波形，發(fā)現(xiàn)兩振動信號的幅度基
本相近，均在1.３ V 左右，僅在時域特征上難以區(qū)分
機械振源和火車振源.
圖３ 所示為強風(fēng)干擾信號與人員攀爬信號的
頻譜分析結(jié)果，分析兩者的頻譜特征可以發(fā)現(xiàn)，兩
者幅度譜幅度略有差別，然而，很難直接從頻譜上
將兩者區(qū)分開來，如何量化的提取兩者頻譜差異，
是區(qū)別強風(fēng)干擾振源和人員攀爬入侵振源的關(guān)鍵，
本文以此為根據(jù)，建立基于短時過零率的強風(fēng)干擾
振源識別算法.
圖３ 強風(fēng)與攀爬振動信號頻譜波形對比
3 基于短時過零率的干擾振源識別
方法
3.1 振源信號的預(yù)處理
為了衡量振動信號大小，引入信號的短時平均
能量，短時平均能量是研究信號能量的量，振動信
號序列｛x（k），k =1，2，?，n｝ 的n 時刻振動信號的
短時平均能量P（n） 為：
P（n） = Σn
m =n -N +1
x（m）2wN （n -m） （1）
其中，wN 為長度為N 的窗函數(shù)，窗函數(shù)選取
wN （n） =
1N
， 0 ≤ n ≤ N
0， 其他
（2）
由于振幅較小， 采用線性計算將影響數(shù)據(jù)精
度，為了方便數(shù)據(jù)處理，提高系統(tǒng)檢測能力，顯示能
量動態(tài)變化范圍，采取能量的分貝形式：
PdB （n） =10· ｌｇ 1N
Σn
m =n -N +1
x（m）2 （３）
圖４ 所示為強風(fēng)干擾信號與人員攀爬入侵信號
的短時平均能量對比結(jié)果.由圖可知，兩者短時平
均能量相近，均可達到-４ ｄＢ 左右，單憑設(shè)定能量
閾值難以將兩者區(qū)分開來，閾值設(shè)定偏高，會導(dǎo)致
系統(tǒng)漏報，造成人員攀爬入侵系統(tǒng)未報警；閾值設(shè)
置偏低，會導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁誤報，增加安保人員排查
成本，不利于系統(tǒng)運行.
第1 期 李國相，等：基于光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾算法研究 ６５
萬方數(shù)據(jù)
圖４ 強風(fēng)與攀爬振動信號短時平均能量對比
因此，檢測并識別出振源信號類型，對于無害
的強風(fēng)干擾振源進行識別并屏蔽報警，對于有害的
人員攀爬入侵振源進行識別并及時報警，具有重要
應(yīng)用價值.據(jù)此，本文設(shè)定較低的系統(tǒng)檢測閾值，并
對檢測到的振動信號進行進一步的識別，提出短時
過零率方法識別強風(fēng)干擾振源和人員攀爬振源.
3.2 短時過零率法
短時過零率（ｚｅｒｏ-ｃｒｏｓｓiｎｇ ｒatｅ， ZＣＲ） 可以看
作信號頻率的簡單度量，是指信號通過零值的次
數(shù).短時過零率可以表示為：
ZCR（n） =12
Σ∞
i =-∞ |sign（xi ） -sign（xi -1） |w（n -i）
（４）
其中，sign（x） 為符號函數(shù)
sign（x） =
1， x >0
0， x =0
-1， x <0
（５）
w（n） 為矩形窗函數(shù)，窗長度為N，公式可表示為：
w（n） = 1， 0 ≤ n ≤ N
0， others （６）
為了避免受到噪聲干擾，采用幅值濾波法濾除
干擾信號，設(shè)置降噪閾值為Tα，避免小幅振動干擾
對過零檢測的影響，增強抗干擾能力，改進后的短
時過零率計算方法為：
ZCR（n） =
12
Σ∞
i =-∞｛［|sign（xi -Tα） -sign（xi -1 -Tα） |+
|sign（xi +Tα） -sign（xi -1 +Tα） |］w（n -i）｝
（7）
為了方便設(shè)置過零率閾值，統(tǒng)一單位，采用單
位時間短時過零率，在采樣頻率為Fs =10 ｋＨｚ情況
下，單位時間短時過零率可表示為
R（n） =ZCR（n） N
Fs
（8）
單位時間短時過零率描述，在單位時間內(nèi)振幅
信號的過零次數(shù).
3.3 振源識別算法
本研究通過大量數(shù)據(jù)分析，建立了基于模型和
知識的模式識別方法，通過對振動信號進行預(yù)處
理，計算其單位時間短時過零率作為識別參數(shù)，實
現(xiàn)強風(fēng)干擾振源和人員攀爬入侵振源的自動檢測
與識別的目的.其中振源模型的建立是系統(tǒng)的關(guān)
鍵，根據(jù)不同振源模型，提取出相應(yīng)振源的相應(yīng)特
征，進而達到識別分類目的.
對于采集到的振動信號，具體的振源識別流程
（見圖５）.算法步驟為：
（1） 根據(jù)式（３） 計算振動信號的短時平均能
量，進行信號預(yù)處理；
（2） 根據(jù)設(shè)定的短時平均能量閾值P（n0 ），進
行信號檢測，得到振動信號數(shù)據(jù)；
（３） 設(shè)置合適的單位時間短時過零率降噪閾值
Tα，根據(jù)先驗知識，可以設(shè)置降噪閾值為Tα =μ+
2.５σ~μ+３σ，其中，μ為振動信號均值，σ為振動
信號標準差；
（４） 根據(jù)式（8） 計算單位時間短時過零率R（n）；
（５） 將計算得到的單位時間短時過零率與經(jīng)驗
閾值門限R0 進行對比，若R >R0 ，則認為是強風(fēng)干
擾振源，否則，是攀爬入侵振源，算法結(jié)束.
６６ 浙江水利水電學(xué)院學(xué)報 第３0 卷
萬方數(shù)據(jù)
圖５ 振源識別系統(tǒng)流程
4 振源識別結(jié)果分析
分別將光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)采集到的強風(fēng)
干擾信號和人員攀爬測試信號通過識別系統(tǒng)，并對
抗干擾算法進行驗證，對大風(fēng)和攀爬數(shù)據(jù)進行過零
率檢測，幅值濾波閾值設(shè)置為2.５ 倍的振幅標準
差，結(jié)果（見圖６）.
圖６ 單位時間短時過零率分類結(jié)果
分類結(jié)果表明，所有強風(fēng)干擾振動信號均具有
較低的單位時間短時過零率，而人員攀爬入侵振源
的單位時間短時過零率較高，且在選擇合適的降噪
閾值情況下，可以準確的區(qū)分出強風(fēng)干擾振源和人
員攀爬入侵振源.識別結(jié)果表明，基于本文提出的
抗干擾算法具有較好的識別效果，實際應(yīng)用表明，
該算法可以有效的降低系統(tǒng)誤報率，同時保證系統(tǒng)
較低的漏報率，增強了系統(tǒng)的應(yīng)用價值.
5 結(jié) 論
本文研究了光纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)中較難的
大能量強風(fēng)干擾振源識別問題，分析比對了強風(fēng)干
擾振源和人員攀爬入侵振源的振動信號模型，發(fā)現(xiàn)
了強風(fēng)干擾振動信號和人員攀爬入侵振動信號在
頻率域上的區(qū)別，提出了基于短時過零率的振源識
別新方法，給出了識別的具體實現(xiàn)流程，實現(xiàn)了光
纖振動安全預(yù)警系統(tǒng)中無害強風(fēng)干擾的準確檢測
與識別，經(jīng)實際驗證，識別正確率高、誤判率低，能
很好的運用到實際系統(tǒng)中，降低了系統(tǒng)的誤報率和
漏報率，具有較高的實際應(yīng)用價值.
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