基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示k-s檢驗(yàn)的光纖入侵檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖入侵系統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)的基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示柯爾莫 哥洛夫-斯摩洛夫（K-S)檢驗(yàn)的光纖入侵檢測(cè)方法。 技術(shù)背景
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油和天然氣已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要能源。長(zhǎng)輸管道 作為石油和天然氣最理想、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。油氣管道是能源運(yùn)輸?shù)?大動(dòng)脈，管道一旦泄漏極易發(fā)生燃燒爆炸，不僅影響管道的安全生產(chǎn)，還將給國(guó)家和人民群 眾的生命與財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。因此，對(duì)管道安全的預(yù)警系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
[0003] 由于油氣管道大都會(huì)采取同溝埋設(shè)的光纜進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信，這為光纖入侵檢測(cè) 技術(shù)的使用提供了便利條件。其可以通過(guò)直接測(cè)量光纜的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速、長(zhǎng)距離、大范圍 的油氣管道入侵檢測(cè)與預(yù)警。光纖入侵檢測(cè)的應(yīng)用背景復(fù)雜，其中包括難以避免的噪聲，并 且在特殊的場(chǎng)景下存在干擾入侵，例如：公路過(guò)車，工地施工等，該入侵一般對(duì)埋在地下的 管道不造成安全威脅，但其會(huì)使埋在附近的光纖產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致振動(dòng)檢測(cè)的入侵背景 呈現(xiàn)出非平穩(wěn)、大量并發(fā)的特點(diǎn)，從中檢測(cè)出有害入侵變得較為困難。
[0004] 目前光纖振動(dòng)信號(hào)處理還存在明顯不足，其設(shè)計(jì)思路一般是直接檢測(cè)的方法，將 檢測(cè)到的信號(hào)直接送到顯示器，將噪聲和干擾振動(dòng)的幅度變化同時(shí)顯示出來(lái)，對(duì)目標(biāo)信號(hào) 的檢測(cè)能力由操作員對(duì)顯示器的監(jiān)視決定的。但是，這種處理方法所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差 大、報(bào)警不準(zhǔn)確，使長(zhǎng)距離復(fù)雜振動(dòng)檢測(cè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，急需在此基礎(chǔ)上開展長(zhǎng)距離光纖振 動(dòng)檢測(cè)方法研究。
[0005] 經(jīng)過(guò)一系列研究發(fā)現(xiàn)，入侵特點(diǎn)是空、時(shí)二維非平穩(wěn)的。因此，需要從空、時(shí)二維分 別對(duì)入侵結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，剔除噪聲以及干擾噪聲部分，得到潛在有害入侵的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明涉及光纖入侵系統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)，其通過(guò)空域、時(shí)域二維檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行入 侵信息提取，有效排除噪聲以及干擾入侵的情況，從而得到潛在有害入侵的具體信息。
[0007] 本發(fā)明基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示柯爾莫哥洛夫-斯摩洛夫（K-S)檢驗(yàn)的光 纖入侵檢測(cè)方法用以解決對(duì)光纖入侵信號(hào)的檢測(cè)，提取有害入侵信號(hào)。
[0008] 基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示檢驗(yàn)的光纖入侵檢測(cè)方法，其特征在于包括：
[0009] 針對(duì)同一時(shí)間，不同位置的入侵信息采用恒虛警率檢測(cè)方法進(jìn)行空域檢測(cè)，去除 噪聲；
[0010] 運(yùn)用恒虛警率檢測(cè)方法的處理結(jié)果，對(duì)同一位置，不同時(shí)間的空域檢測(cè)過(guò)門限數(shù) 據(jù)按照時(shí)間順序進(jìn)行分組，對(duì)同一位置取每N個(gè)空域過(guò)門限數(shù)據(jù)為一組，稱為時(shí)域待測(cè)數(shù) 據(jù)集，每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集內(nèi)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔構(gòu)成時(shí)間間隔樣本集，每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集 內(nèi)數(shù)據(jù)的幅度構(gòu)成幅度樣本集；
[0011] 將以上述方法得到的時(shí)間間隔樣本集分布與先驗(yàn)的干擾入侵信號(hào)的時(shí)間間隔樣 本集進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，若兩分布相同則判斷該組為干擾入侵組，若分布不同則進(jìn)行下一步；
[0012] 將以上述方法得到的幅度樣本集分布與先驗(yàn)的干擾入侵信號(hào)的幅度樣本集進(jìn)行 K-S檢驗(yàn)，若兩分布相同則判斷該組為干擾入侵組，若分布不同則判斷為潛在有害入侵組。
[0013] 基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示K-S檢驗(yàn)的光纖入侵檢測(cè)方法，其包括：針對(duì)同 一時(shí)間，不同位置的入侵信息采用恒虛警率（CFAR)檢測(cè)方法進(jìn)行空域檢測(cè)，去除噪聲；將 同一位置不同時(shí)間點(diǎn)的空域CFAR過(guò)門限數(shù)據(jù)分組，即：對(duì)同一位置取每N個(gè)空域過(guò)門限數(shù) 據(jù)為一組，稱為時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集，用每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔構(gòu)成的 樣本集與先驗(yàn)的干擾入侵信號(hào)的時(shí)間間隔樣本集進(jìn)行K-S檢驗(yàn)比較，若為同一分布，則說(shuō) 明檢測(cè)組為干擾入侵信號(hào)，若兩分布不同，則進(jìn)行幅度K-S檢測(cè)，即用每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集 內(nèi)的數(shù)據(jù)的幅度構(gòu)成的樣本集與先驗(yàn)干擾入侵信號(hào)幅度樣本集進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，若兩分布為 同分布，則為干擾入侵集，若兩分布不同，則該組為潛在危害入侵集。其中，CFAR檢測(cè)部分 選擇在均勻背景下檢測(cè)性能良好的CA-CFAR(空域單元平均恒虛警率檢測(cè)），即單元平均恒 虛警率檢測(cè)，其主要思想為：利用前沿和后沿參考單元采樣的均值形成兩局部估計(jì)，然后分 別對(duì)局部估計(jì)進(jìn)行求和運(yùn)算以確定檢測(cè)單元的背景雜波平均功率水平估計(jì)：
[0015] 其中，Z為總的雜波功率水平估計(jì)，X為前沿采樣參考單元值，y為后沿參考采樣單 元采樣值，前后各取I：個(gè)參考單元，之后即可根據(jù)虛警概率與閾值因子之間的關(guān)系求出閾 值因子，而進(jìn)一步求出檢測(cè)閾值：
[0016] S = T · Z
[0017] 其中，T為標(biāo)稱化因子，通過(guò)上式可以根據(jù)檢測(cè)閾值對(duì)檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)。
[0018] 之后提取CFAR檢測(cè)提取的入侵信息進(jìn)行時(shí)域K-S檢驗(yàn)，主要思想為：
[0020] 其中，F(xiàn)1(B)為升序排列的樣本的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，F(xiàn)l^a)為參考樣本的經(jīng)驗(yàn)分布函 數(shù)，當(dāng)小時(shí)，H。假設(shè)趨向?yàn)檎?，即通過(guò)K-S檢驗(yàn)可以判斷兩組數(shù)據(jù)是否符合相同分布。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1空時(shí)二維檢測(cè)總體流程。
[0022] 圖2空時(shí)二維檢測(cè)示意圖。
[0023] 圖3 CA-CFAR工作具體流程。
[0024] 圖4時(shí)間間隔K-S檢驗(yàn)流程。
[0025] 圖5幅度K-S檢驗(yàn)流程。
[0026] 圖6 (a)~（c)不同檢測(cè)閾值的空域CA-CFAR檢測(cè)結(jié)果。
[0027] 圖7 (a)~（b)時(shí)域K-S檢測(cè)結(jié)果。 具體實(shí)施方案
[0028] 以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅 僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他實(shí)施例，都屬于 本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029] 請(qǐng)參見圖1所示，圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的空時(shí)二維檢測(cè)方法的總體流 程。如圖1所示，本實(shí)施例所揭示的空時(shí)二維檢測(cè)算法包括：
[0030] S101 :空域CFAR檢測(cè)，針對(duì)同一時(shí)間區(qū)間的檢測(cè)單元所鄰近的參考采樣做 CA-CFAR 檢測(cè)；
[0031] S102:提取時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集，每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔構(gòu)成 的時(shí)間間隔樣本集，每組時(shí)域待測(cè)數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)的幅度構(gòu)成的幅度樣本集；
[0032] S103 :對(duì)時(shí)間間隔樣本集分布與先驗(yàn)的干擾入侵信號(hào)的時(shí)間間隔樣本集進(jìn)行K-S 檢驗(yàn)，得到可能存在潛在有害入侵樣本集進(jìn)行S104,否則判斷其為干擾入侵樣本集；
[0033] S104 :對(duì)幅度樣本集分布與先驗(yàn)的干擾入侵信號(hào)的幅度樣本集進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，得 到潛在有害入侵樣本集，否則判斷其為干擾入侵樣本集。
[0034] 基于振動(dòng)信號(hào)空時(shí)二維稀疏表示柯爾莫哥洛夫-斯摩洛夫（K-S)檢驗(yàn)的光纖入侵 檢測(cè)方法的示意圖如圖2所示：
[0035] S201 :入侵采樣以矩陣形式排列，橫向代表不同位置，縱向代表不同時(shí)間，即對(duì)每 一采樣點(diǎn)進(jìn)行空域單元平均恒虛警率檢測(cè)（CA-CFAR)檢測(cè)，即橫向檢測(cè)；
[0036] S202 :將空域檢測(cè)報(bào)警點(diǎn)作為新的樣本集合進(jìn)行時(shí)域K-S檢驗(yàn)，即縱向檢測(cè)；
[0037] S203 :得到總體檢測(cè)結(jié)果，提取出潛在有害入侵。
[0038] 空域恒虛警率（CFAR)檢測(cè)方法對(duì)OOTDR體制下的單脈沖反射信號(hào)檢測(cè)，該方法 的具體流程如圖3所示，即對(duì)檢測(cè)單元的前沿和后沿參考單元求和，得到總的雜波功率水 平估計(jì)
(1) η
[0040] 其中，X、y分別為前后沿參考單元值，且前后各取y個(gè)參考單元；又由于服從高斯 分布的雜波回波經(jīng)平方律檢波后，每個(gè)參考單元采樣分布服從指數(shù)分布，而指數(shù)分布又是 τ分布在a = 1的特殊形式，τ分布的PDF表示為：
[0041] f (χ) = β ° χ° χ/Ρ / τ ( α ), χ ^： 〇, α Ο, β (2)
[0042] 其中，α和β是兩個(gè)參數(shù)，τ (α )是通常的τ函數(shù)，對(duì)于整數(shù)α，τ (α )= (α-1) !。式（2)對(duì)應(yīng)的累積分布函數(shù)用G(a，β)表示，對(duì)于服從τ分布的隨機(jī)變量X， 將它記為X~G ( α，β )。X的矩母函數(shù)為
[0043] Mx (u) = (1+ β u) (3)
[0044] Xl~G(l，μ)和yi~G(l，μ)，由于多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立隨機(jī)變量和的矩母函數(shù)等于 各個(gè)隨機(jī)變量矩母函數(shù)的積，因此由（3)式可知CA-CFAR檢測(cè)器中對(duì)雜波功率水平的估計(jì) Z~G(n，μ)，又虛警概率在均勻背景中為：
[0046] 其中T為標(biāo)稱化因子將（3)式代入（4)式中得到：
[0047] Pfa= (1+T) n (5)
[0048] 即標(biāo)稱化因子可由設(shè)定的虛警概率決定，之后求出檢測(cè)閾值：
[0049] S = Z · T (6)