采用时域和复域小波变换的光纤周界振动信号识别.pdf

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1、1300化工自动化及仪表第42卷采用时域和复域小波变换的光纤周界振动信号识别倪郁东8陈天富6左冬森“张玉洁8(合肥工业大学a．数学学院；b．电气与自动化工程学院，合肥230009)摘要针对光纤周界安防系统存在报警率低和误报率高的问题，提出一种时域和复域小波变换相结合的光纤周界振动信号识别方法，以降低误报率、提高报警率并确定振动时间。该方法首先用光纤信号的时域小波特征来抑制干扰信号，排除静默信号并判断是否有振动发生；其次用信号复域小波特征中的能量分布和相位特征构造出光纤信号的识别特征；最后用支持向量机作为分类器训练光纤振动信号并识别出振动类型。关键

2、词光纤周界振动信号时域小波特征复域小波特征SVM中图分类号TH74文献标识码A文章编号1000．3932(2015)12一1300-05光纤周界安防系统是周界安防系统应用的研究热点，它具有抗电磁干扰、传感器无源、电绝缘性好、灵敏度高及适应大范围复杂环境监测等优点¨’“。然而光纤周界振动信号特征的提取、识别和降低误报率一直是研究的难点"’41。光纤周界安防系统的传输光波在多类随机振动信号作用下发生光隙效应、应变效应和泊松效应，这导致光波输出信号的幅值、相位和频率具有很强的非线性、非平稳性、时变性和间歇性，使得光纤周界振动信号的识别具有较大的不确定性

3、。国内外学者提出的主要识别方法有：文献[4，5]提出用信号的短时能量、短时过零率及峰值等时域统计特征识别振动信号，但不同振动信号的时域统计特征可能相似，这种方法误判率比较高；文献[6]用一种时域自适应LC(AdaptiveLevelCrossing)算法提取光纤信号特征，用神经网络进行分类识别，但仍末解决不同信号自适应阈值的确定问题；文献[7，8]采用小波变换和短时傅里叶变换(STFT)方法在不同尺度上展开光纤信号，并在不同频段上提取信号特征，但小波变换不具有平移不变性，缺乏相位信息，且STFT固定的时频分解形式在随机非平稳信号处理中，并不是特征

4、提取的最佳选择。笔者在分析光纤振动信号的数学模型和相位频谱特性的基础上，用双树复小波变换方法得到了信号的相位幅值信息，提出了一种时域和复域小波变换相结合的光纤振动信号特征的提取和识别方法。1光纤中传输光波的频谱特性1．1光纤振动弹光效应相位变化模型当光纤不受外力作用时入射光波以特定的路径传输，此时出射光波，。。。为：，。=，。。exp[i(2xrnL／c)](1)式中c——光速；L-一入射光波；￡——光纤长度；17,——光纤的折射率。当光纤受到机械应力的作用时，光纤的长度、心径、纤芯折射率都会发生变化，导致光纤中光波相位发生变化，光波相位变化△9

5、的表达式为∽o：△妒：肚竽+￡罢如+￡竺妇(2)式中ot——光纤的半径；口——光波的传播常数。式(2)中等号右边的3项分别是由长度变化引起的相位延迟(应变效应)、折射率变化引起的相位延迟(光隙效应)和光纤半径变化引起的相位延迟(泊松效应)。由于光纤半径变化极小，可忽略，则式(2)简化为：△妒。肛竽+L罢△n(3)用四阶应力一光学张量对弹光效应引起的折牧稿日期：2015-03-01(修改稿)第12期倪郁东等．采用时域和复域小波变换的光纤周界振动信号识别射率进行分析，可得折射率的变化为：挚n=一手(P．+_)△工(4)其中，P；、P，是由光纤决定的常

6、量，则式(3)变为：一3△妒2卢[1一L刍(P。+2只)]aL=B'A￡(5)其中口’为常数。由于外界振动包含大量的随机噪声，故采集到的光纤周界信号是包含大量随机噪声的随机非平稳信号，即有：△妒=A妒。+△擎o(6)其中△妒。和△妒。分别是由目标振动和随机噪声引起的相位改变量。1．2光纤振动应力应变效应的相位频率变化模型采用超长距离分布式光纤振动传感系统，用激振器作为振动源模拟不同强度的振动。图1为传感系统振动原理示意图，两臂中实线是传感光纤的平衡位置，虚线代表传感光纤受到振动后光纤距平衡位置的距离Y(t)-，A是光纤最大位移，￡是光纤长度，￡．

7、是光纤受振动后的长度，C是光电耦合器。∥＼屹纤￡一图1传感系统振动原理示意图激振器使光纤传感臂做近似简谐振动，振动使传感臂变长，用M—z型光纤干涉仪感应振动信号。由于干涉仪中光纤采用特殊的排布结构，可以认为M—z干涉仪一条干涉臂发生振动而另一条相对不动。这样干涉仪输出的干涉信号的相位包含了振动信息。因为光纤纤芯起着高效的空间滤波器的作用，所以M—z光纤干涉仪输出的干涉图形或光信号仅由一个条纹组成。干涉仪输出的光信号强度随着相位的变化而变化，通过测量光信号强度的变化能得到振动信号的信息¨⋯。光信号由光电转换电路转换为光电信号。基于干涉理论，M．z干

8、涉仪输出的干涉光的强度为：，(t)=，。+I：+2√7i了-cos(△妒(t))(7)式中“，2——两个干涉臂的相干光强；△妒(t)——