基于eemd的m-z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機場周界系統(tǒng)預警模式識別技術(shù)，特別是一種基于EEMD的M-Z干涉儀 型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖周界系統(tǒng)作為第三代安防中的佼佼者，以其監(jiān)測距離長、抗電磁和射頻干擾、 無輻射、耐腐蝕以及適應于多種環(huán)境等特性，普遍應用于政府要地、電力設施、倉庫和機場 等重要安防領域。目前，有多種技術(shù)可以應用于光纖周界系統(tǒng)，主要可以分為四種：一是利 用后向散射光的光時域反射定位技術(shù)（〇TDR:optical time domain reflectometry);二是 利用前向傳輸光在單模光纖的兩個正交偏振模受到擾動時模式間產(chǎn)生耦合；三是利用逆向 傳輸?shù)谋闷止夂吞綔y光之間的非線性效應；四是利用Sagnac, Mickelson, M-Z等干涉儀對 擾動定位。
[0003] 其中，M-Z干涉儀是采用兩段長度基本相同的單模光纖和兩個耦合器構(gòu)成M-Z干 涉儀。由一端發(fā)出的光，經(jīng)第一耦合器后進入兩單模光纖。兩光纖輸出的光在第二個耦合 器處發(fā)生干涉。由于光路的對稱性，由二端發(fā)出的光，也可以在第一耦合器處發(fā)生干涉。在 傳感光纖無擾動時，由一端發(fā)出的光將在二端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。同時，由二端發(fā)出的光 也將在一端產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋。在采用窄帶激光作為光源時，將分別在一端和二端接收 到穩(wěn)定的光功率。Mach-Zehnder (M-Z)干涉儀系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高以及無需相位解 調(diào)等優(yōu)勢。
[0004] 由于作用于傳感光纖上的行為改變光信號的相位，使得不同行為產(chǎn)生各種振 動信號，且輸出信號具有非平穩(wěn)特性，目前已有時域、頻域和時頻域的識別方法如專利 CN102045120A、CN202871003U等提出了時域或小波的識別方法。但時域方法不全面而小波 方法又有一定的局限性。
[0005] 本發(fā)明首次引用了一種具有自適應性的EEMD算法，彌補了上述方法的不足，并提 出了 EEMD能量熵排除非人為入侵的干擾，設計了雙重支持向量機作為分類器，提高報警 率，降低誤報率，具有實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供一種基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周 界預警系統(tǒng)模式識別方法，引入一種具有自適應性的總體平均經(jīng)驗模態(tài)分解（EEMD)算法， 并提出了 EEMD能量熵排除非人為入侵的干擾，設計雙重支持向量機作為分類器，提高報警 率，降低誤報率，具有實用價值。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] -種基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，其特征在于：該 方法的步驟如下：
[0009] ⑴信號采集：M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)采集光信號并將其轉(zhuǎn)化為原始電信 號 S (η);
[0010] ⑵預處理：對原始電信號S(n)進行濾波、放大等處理得到電信號S' (η);
[0011] ⑶EEMD分解：對預處理后的電信號V (η)進行總體平均經(jīng)驗模態(tài)分解，EEMD分 解成j個本征模態(tài)函數(shù)頂F，即電信號V (η)被分解為j個MF分量和一個余項，即V (η) =Σ jCj (n)+r (η)；
[0012] ⑷EEMD能量熵：對j個MF求其能量，并計算電信號V (η)的EEMD能量j：商，其數(shù) 學表達式為
^式中：Pj= E /E表示第j個MF的能量比，
[0013] (5)事件檢測：如有信號的EEMD能量熵大于等于預先設定的熵值則認為有入侵事 件發(fā)生，進入下一步驟；否則認為沒有入侵事件發(fā)生，回到步驟⑴。
[0014] 還包括如下步驟：
[0015] (6)特征提?。禾崛“肭中袨樾盘柕那投忍卣?，即EEMD分解后得到每層MF的 峭度
其中j表示第j個頂F分量，u表示離散點個數(shù)，并歸一化處理；
[0016] (7)入侵分類：建立支持向量機SVMl和SVM2組成雙重支持向量機，將步驟(6)提取的 特征輸入SVMl中，若判斷為攀爬，則對外報警；否則進入SVM2中，若判斷為敲擊，則對外報 警；否則判斷為非人為入侵，不進行報警。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：
[0018] 1.本發(fā)明的基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，首次將 EEMD算法方法引用到M-Z干涉型機場周界預警系統(tǒng)的識別中，克服了現(xiàn)有小波和其他時頻 方法的局限性。
[0019] 2、本發(fā)明的基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，根據(jù)不同 振動信號能量各異的特點，提出EEMD能量熵的方法去除非人為入侵的干擾。
[0020] 3、本發(fā)明的基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，為提高報 警率，采用雙重支持向量機的方法，先后識別入侵信號，對人為信號進行報警。
[0021] 4、本發(fā)明相對現(xiàn)有的時域、小波、短時頻率-時間等方法的局限性，采用具有自適 應性的EEMD算法，依據(jù)入侵信號能量不同性質(zhì)，提出EEMD能量熵的方法消除非人為入侵， 并建立雙重支持向量機區(qū)分入侵類型，提高識別率，降低誤報率，為M-Z干涉儀型機場周界 預警系統(tǒng)的模式識別提供新方法。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的步驟流程圖；
[0023] 圖2為攀爬電信號波形圖；
[0024] 圖3為敲擊電信號波形圖；
[0025] 圖4為大風電信號波形圖；
[0026] 圖5為攀爬信號峭度特征示意圖；
[0027] 圖6為敲擊信號峭度特征示意圖；
[0028] 圖7為風的振動信號峭度特征示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0030] 一種基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，該方法的步驟如 下：
[0031] ⑴信號采集：M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)采集光信號并將其轉(zhuǎn)化為原始電信 號S(n);機場周界系統(tǒng)以光纖作為傳感器，其不受外界氣候和電磁等的干擾，能夠?qū)崟r采 集微小的振動信號。光信號在傳輸時，振動信號（如攀爬、汽車振動等）改變光信號的相位， 從而影響光強的大小，由探測器將振動的光強轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br>[0032] ⑵預處理：對原始電信號S(n)進行濾波、放大等處理得到電信號S' (η);如圖2、 3、4所示為攀爬、敲擊和大風的電信號波形圖。
[0033] ⑶EEMD分解：對預處理后的電信號Y (η)進行總體平均經(jīng)驗模態(tài)分解（EEMD)， 經(jīng)EEMD分解成j個本征模態(tài)函數(shù)MF，即電信號V (η)被分解為j個MF分量和一個余 項，即
[0034] (4) EEMD能量熵：對j個IMF求其能量，并計算電信號f (η)的EEMD能量j：商，其 數(shù)學表達式戈
式中：Pj=E/E表示第j個MF的能量比，
Ej表示第j個MF的能量；EEMD分解是依據(jù)信號本身產(chǎn)生不同MF，所以每個MF都含有真 實的物理意義，其能量之和即為整個信號能量，通過EEMD能量熵的運算可得到不同入侵行 為的熵值范圍。
[0035] 如下表所示為不同擾動的EEMD能量商值：
[0037] (5)事件檢測：如有信號的EEMD能量熵大于等于預先設定的熵值則認為有入侵事 件發(fā)生，進入下一步驟；否則認為沒有入侵事件發(fā)生，回到步驟⑴。一般非人為入侵的熵值 要小于人為入侵的值，因此通過EEMD能量熵值排除非人為的干擾。
[0038] (6)特征提?。禾崛“肭中袨樾盘柕那投忍卣?，即EEMD分解后得到每層MF的
峭度 其中j表示第j個頂F分量，u表示離散點個數(shù)，并歸一化處理；如圖5 \ 所示攀爬信號的峭度特征主要集中在2、3尺度，如圖6所示敲擊信號峭度特征主要集中在 3、4尺度，如圖7所示風的振動信號特征集中在6、7尺度。
[0039] (7)入侵分類：建立支持向量機SVMl和SVM2組成雙重支持向量機，將步驟(6)提取的 特征輸入SVMl中，若判斷為攀爬，則對外報警；否則進入SVM2中，若判斷為敲擊，則對外報 警；否則判斷為非人為入侵，不進行報警。
[0040] 盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領域的技術(shù)人員可以理 解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的， 因此，本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1. 一種基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，其特征在于：該方 法的步驟如下： ⑴信號采集：用M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)采集光信號并將其轉(zhuǎn)化為原始電信號S(n)； (2) 預處理：對原始電信號S(n)進行濾波、放大等處理得到電信號S' (n); (3) EEMD分解：對預處理后的電信號S' (n)進行總體平均經(jīng)驗模態(tài)分解，EEMD分解成 j個本征模態(tài)函數(shù)頂F，即電信號S' (n)被分解為j個MF分量和一個余項，即S' (n) 2jCj(n)+r(n)； (4)EEMD能量熵：對j個IMF求其能量，并計算電信號S' (n)的EEMD能量j：商，其數(shù)學 表達式為，式中：Pj=E/E表示第j個MF的能量比，(5) 事件檢測：如有擾動的EEMD能量熵大于等于預先設定的熵值則認為有入侵事件發(fā) 生，進入下一步驟；否則認為沒有入侵事件發(fā)生，回到步驟⑴。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界系統(tǒng)模式識別方法，其特 征在于：還包括如下步驟： (6) 特征提取：提取包含入侵行為信號的峭度特征，即EEMD分解后得到每層IMF的峭度其中j表示第j個IMF分量，u表示離散點個數(shù)，并歸一化處理； (7) 入侵分類：建立支持向量機SVM1和SVM2組成雙重支持向量機，將步驟(6)提取的特 征輸入SVM1中，若判斷為攀爬，則對外報警；否則進入SVM2中，若判斷為敲擊，則對外報警； 否則判斷為非人為入侵，不進行報警。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于EEMD的M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)模式識別方法，該方法的步驟如下：信號采集：M-Z干涉儀型機場周界預警系統(tǒng)采集光信號并將其轉(zhuǎn)化為原始電信號s(n)；預處理：對原始電信號s(n)進行濾波、放大等處理得到電信號s′(n)；EEMD分解；EEMD能量熵；事件檢測；特征提?。蝗肭址诸?。本發(fā)明相對現(xiàn)有的時域、小波、短時頻率-時間等方法的局限性，采用具有自適應性的EEMD算法，依據(jù)入侵信號能量不同的性質(zhì)，提出EEMD能量熵的方法消除非人為入侵，并建立雙重支持向量機區(qū)分入侵類型，提高識別率，降低誤報率，為M-Z干涉儀型機場周界系統(tǒng)的模式識別提供新的方法。
【IPC分類】G08B13/22
【公開號】CN104916059
【申請?zhí)枴緾N201510252488
【發(fā)明人】蔣立輝, 蓋井艷, 王維波, 熊興隆, 莊子波
【申請人】中國民航大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月18日