基于光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的入侵事件識(shí)別方法

1 概述

2 光纖振動(dòng)傳感器工作原理

3 信號(hào)分析及識(shí)別

3.1 光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

系統(tǒng)實(shí)際電壓范圍在05 V，輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)，范圍為01 024，因此實(shí)際電壓為：

調(diào)節(jié)電位器波形放大倍數(shù)R 1 ，使不同強(qiáng)度振動(dòng)信號(hào)得以完全顯示,并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信號(hào)的振動(dòng)幅值,進(jìn)一步求得每組信號(hào)的振動(dòng)平均幅值。振動(dòng)幅值及振動(dòng)平均幅值計(jì)算式為:

3.2 信號(hào)分析方法

①小波包分析

③ BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

①振動(dòng)信號(hào)波形

本文進(jìn)行了100組人工敲擊實(shí)驗(yàn)和80組電鎬打擊實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)采樣次數(shù)均為700次；50組打夯實(shí)驗(yàn)，每組采樣次數(shù)為600次；50組挖掘?qū)嶒?yàn)，每組采樣次數(shù)為400次。共得到280組樣本，監(jiān)測(cè)到的4種入侵事件的其中1組振動(dòng)信號(hào)波形見(jiàn)圖3。

圖3 4種入侵事件的其中1組振動(dòng)信號(hào)波形

圖4 外界干擾因素的振動(dòng)信號(hào)波形

②信號(hào)的振動(dòng)平均幅值和峭度

由式（3）、（4）計(jì)算4種入侵事件信號(hào)的振動(dòng)平均幅值、峭度，分別見(jiàn)圖5、6。

圖5 4種入侵事件的振動(dòng)平均幅值

圖6 4種入侵事件信號(hào)的峭度

表1 8個(gè)頻帶序列號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)間

圖7 4種入侵事件的1組信號(hào)不同頻帶能量占比

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的分類(lèi)結(jié)果

在距離管道2 m的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集了10組人工敲擊數(shù)據(jù)、16組電鎬打擊數(shù)據(jù)、15組打夯數(shù)據(jù)和10組挖掘數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)未參與模型訓(xùn)練，直接應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別結(jié)果：人工敲擊識(shí)別率100.00%，電鎬打擊識(shí)別率87.50%，打夯識(shí)別率93.33%，挖掘識(shí)別率80.00%。整體識(shí)別率達(dá)90.20%，能夠有效識(shí)別。

5 結(jié)論及建議

①根據(jù)不同入侵事件振動(dòng)信號(hào)波形的特點(diǎn)，可基本區(qū)分4種入侵事件。連續(xù)波形長(zhǎng)度由長(zhǎng)到短為打夯、電鎬打擊、挖掘、人工敲擊。外界干擾因素產(chǎn)生的振動(dòng)幅值很小，對(duì)入侵事件識(shí)別影響較小。

②研究的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效地對(duì)人工敲擊、電鎬打擊、打夯、挖掘4種入侵事件進(jìn)行識(shí)別，整體識(shí)別率為96.43%。在距離管道2 m的位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集，并采用上述方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，整體識(shí)別率達(dá)90.20%。

③本研究由于實(shí)驗(yàn)光纜長(zhǎng)度有限，著重對(duì)第三方入侵?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析識(shí)別，后續(xù)可提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)定位算法進(jìn)行深入研究，并且對(duì)預(yù)警系統(tǒng)入侵定位的影響因素進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。