[發明專利]一種光纖預警系統及模式識別方法

有效

• 申請號: 201410494088.7
• 申請日: 2014-09-24
• 公開（公告）號: CN104269006A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 封皓;施羿;孫茜;曾周末;靳世久
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G08B13/186
• 分類號: G08B13/186;G06K9/62
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及管道監測領域，尤其涉及一種光纖預警系統及模式識別方法。

背景技術

基于相干瑞麗散射(Φ-OTDR)技術的分布式光纖預警系統是通過檢測從光纖各部分散射回來的后向散射光的光強，檢測外界振動信號并對其定位。Φ-OTDR以普通單模光纖作為光傳輸和傳感載體，可實現長距離的實時監測和精確定位，便于鋪設，抗電磁干擾能力強，易于工程化，常用于工程結構的安全檢測、光纖周界防護和油氣管道安全預警等領域。

在光纖預警系統中，振動信號的分類識別至關重要，若產生誤報，不但可能會造成人力物力上的浪費，嚴重的可能會延誤處理時間危及生命財產安全。因此如何準確識別入侵事件種類，及時報警，減少誤報，避免不必要的資源浪費一直以來是光纖預警系統研究的關鍵性問題。同時，由于光纖非線性效應以及光纖瑞利散射系數小，相干瑞利散射型OTDR的傳感距離一直不長，使其應用受到限制。

在定位識別方面，現有的方法首先定位事件信號在空域上的所在位置，然后提取該位置的時域信號，對一維時域信號進行特征提取，然后進行分類識別。

發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術中至少存在以下缺點和不足：

這種方法由于需要先進行定位，因此大大增加了識別的時間，如多點定位，運算量極大。除此之外，對于定位的精確性要求非常高，一旦定位錯誤，則不能正確識別出事件種類，容易產生誤報，不能夠滿足需求。因此急需一種高效，準確的模式識別方法應用于光纖預警系統。

發明內容

本發明提供了一種光纖預警系統及模式識別方法，本發明能夠高效精確的識別事件類型，避免不必要的浪費，以及危險事故的發生，詳見下文描述：

一種光纖預警系統，包括：激光光源和拉曼光源，所述激光光源所產生連續光，經由聲光/電光調制器進行調制轉換為光脈沖，其中所述聲光/電光調制器及其驅動器由信號采集及上位機模塊中的上位機模塊寫入FGPA的程序控制通斷，使連續光形成脈沖光；

所述脈沖光經光放大器放大后，由第一光纖環形器、第二光纖環形器注入傳感光纖中，所述脈沖光在傳播過程中所產生的背向傳播散射光和反射光會沿與光脈沖傳播方向相反的方向在所述傳感光纖中傳播，經由第二光纖環形器進入光電探測器形成電信號；

所述電信號經過所述信號采集及上位機模塊進行放大、濾波、模數轉換為數字信號后，完成數字信號的處理與分析；

同時，所述拉曼光源中產生連續光，經過2X2分路器，分為2束光，分別進第一波分復用器、第二波分復用器，從正向和反向方向分別注入所述傳感光纖中，通過拉曼散射效應，對由所述激光光源產生的光脈沖進行分布式放大，保證在所述傳感光纖沿線的信號強度；

最后，在所述信號采集及上位機模塊中，對多次脈沖過程中得到的信號進行重排，得到關于空間和時間的二維信號，供后續使用。

所述模式識別方法包括以下步驟：

采用計算散布矩陣的方法對圖像的10個描述特征進行選擇，將選取的特征作為分類器的輸入，進行分類識別；

通過高斯核函數、以及一對一的多分類決策，對所有訓練樣本進行測試，獲取最終的分類結果；

將多個分類器作為一個整體并選擇5-折交叉驗證的方法對準確率進行評價；得出平均準確率和識別效率；

將設計好的分類器應用于所述光纖預警系統現場對入侵事件進行實時監測識別。

所述10個描述特征具體為：

區域凸殼像素數、區域內的像素數、與區域有著相同二階矩的橢圓的偏心率、與區域有著相同二階矩的橢圓的長軸、與區域有著相同二階矩的橢圓的短軸、與區域有著相同面積的圓的直徑、區域中對象的數量減去這些對象中孔洞的數量、以及質心最小距離、形狀特征和形裝系數組成10個特征。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本方法通過對系統采集信號所形成的二維數字圖像進行識別分類處理，能夠有效識別出人行走、人工挖掘和過車事件，并進行事件定位，有效降低了預警系統的誤報率。另一方面，普通的相干瑞利散射系統傳感距離僅有20公里，本方案通過拉曼泵浦光對探測光進行持續放大，將傳感距離增加到50公里以上。

附圖說明

圖1為光纖預警系統的光路示意圖；

圖2為三種事件二維信號時空圖；

其中，(a)為人走；(b)為人工挖掘；(c)為大車路過。

圖3為三種事件標記后圖像；

其中，(a)為人走；(b)為人工挖掘；(c)為大車路過。

圖4為區域質心間的距離示意圖；

圖5為區域形狀示意圖；