基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法与流程

本发明属于周界安防，更具体地，涉及一种基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法。

背景技术：

1、当前的周界安防技术领域里，主要的技术解决方案有红外对射、脉冲电子围栏、激光雷达、视频监控以及振动光纤等。其中红外对射和激光雷达是通过光学对特定区域进行扫描，以判断防护区域情况。脉冲高压电网则是利用高压电网对围栏区域进行防护，视频监控是利用摄像头对防护区域中出现情况进行人为或者自动识别来监测。

2、分布式光纤振动传感器是近年来发展的一种用于实时测量空间振动分布的光纤传感系统振动光纤的工作原理是激光器发出直流单色光波，光信号通过光缆经过光学模块使光信号产生两道干涉信号，信号利用光纤作为振动传感载体，实现防护预警探测。基于振动光纤的安防系统具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等特性，适用于环境恶劣和地形复杂环境。且光纤传感能源依赖性低，可以大大节省供电设备与线路的成本，适合长距离下使用。

3、当前针对振动光纤的监测方法主要集中在对单点信号的模式识别上，主要包括传统的特征提取与机器学习相结合的方法和基于图像或序列的深度学习方法。当只使用单点信号识别来作为监测方法时，使用传统的机器学习方法性能消耗较少实时性高，但准确率偏低。而使用基于图像或序列的深度学习方法时，虽然可以提高准确率，但极大的考验了系统所需性能。当周界环境恶劣，干扰事件较多且需要防护区域范围大时，只基于单点识别的方法就不再有效。

技术实现思路

1、针对现有的分布式光纤周界入侵检测方法在只依靠单点检测的情况下，不能有效的平衡性能消耗和识别准确率的问题，本发明提出一种基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法来解决这些问题。

2、本发明所采用的技术方案是，所述基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法，包括：

3、1)将光纤振动传感单元分为挂网部分和埋地部分两部分，皆沿着安防区域的周界铺设；光纤振动传感单元的两部分皆均匀设置k个采样点，采样点采集得到原始数据，提取原始数据的短时能量特征，作为二维振动信号；

4、2)设置报警阈值，比较埋地部分最近一秒的二维振动信号与报警阈值，得到埋地部分的报警位置序列，缓存最近一定时间段内埋地部分的报警位置序列；同时，设置预警线，比较挂网部分的二维振动信号与预警线，得到可疑位置序列；

5、3)构建并训练lstm分类模型，提取可疑位置序列的对应的二维振动信号，输入lstm分类模型分类，得到挂网部分的报警位置序列。

6、4)对两个部分的报警位置序列，按照复合策略进行复合，得到最终的检测结果和入侵报警位置。

7、进一步的，在步骤1)中，所述挂网部分直接盘曲固定在已有的周界围栏上，埋地部分埋在围栏外侧的地下，埋地深度为10cm-20cm。

8、进一步的，在步骤1)中，所述提取原始数据的短时能量特征，作为二维振动信号，具体为：

9、每秒每个采样点进行sr次采样，得到原始数据dsr×k＝(drj)sr×k，其中sr为光纤振动传感单元的采样率，drj表示第j个采集点在第r次采样时获得的原始数据；每采样n次，根据原始数据求取一次短时能量特征值，求取得到的短时能量特征值随采样时间的变化即为二维振动信号；短时能量特征值的求取方法具体为：

10、

11、其中eij为当前一秒内第j个采样点第i次求取得到的短时能量特征值，为一秒内求取得到的短时能量特征值的数量。

12、进一步的，所述设置报警阈值的具体实现方式为：

13、多次在光纤振动传感单元的埋地部分所在位置模拟入侵事件，得到的埋地部分的二维振动信号即为扰动信号；保持埋地部分所在位置无入侵事件发生，得到的埋地部分的二维振动信号即为环境噪声；将扰动信号和环境噪声相比，选取高于环境噪声但低于扰动信号的值作为报警阈值e0。

14、进一步的，比较埋地部分最近一秒的二维振动信号与报警阈值，得到一个埋地部分的报警位置序列，具体为：

15、对于埋地部分最近一秒的二维振动信号，求取光纤振动传感单元的每个采样点每秒二维振动信号的峰值其中，j表示第j个采样点，即二维振动信号对应的地理位置，ei,j为一秒内第j个采样点第i次求取得到的短时能量特征值，为一秒内短时能量特征值的数量；

16、若epeek,j＞e0，则判断该秒内地理位置j为埋地部分的报警光纤位置，根据报警光纤位置推断得到对应的实际地理位置di；筛选一秒内得到的所有报警光纤位置对应的实际地理位置di，即组成该秒内的报警序列：(d1,d2,...,dn)。

17、进一步的，所述设置预警线的具体实现方式为：

18、预先设置一个固定阈值efix；计算最近一秒内连续m个采样点的二维振动信号的平均值，将该值作为当前采样点附近的背景噪声enoise，计算公式为：

19、

20、其中，eij为一秒内第i次采样时第j个采样点的短时能量特征值，为一秒内短时能量特征值的数量，m的取值使该m个采样点占据的距离为20m；取固定阈值efix和背景噪声enoise中的较大值作为预警线的值；预警线用于初步排除环境噪声对挂网部分的干扰，优选的固定阈值efix取15000。

21、进一步的，所述比较挂网部分的二维振动信号与预警线，得到可疑位置序列，具体为：

22、预设预警点数k，统计一秒内每个采样点位置上超过预警线的短时能量特征值的数量，如果统计所得数量超过预警点数k，则将该采样点的位置判断为可疑入侵位置，一秒内全线产生的可疑入侵位置构成该秒内的可疑位置序列；预警线用于进一步排除环境噪声信号对挂网部分的干扰，优选的预警点数k＝7。

23、进一步的，所述提取可疑位置序列的对应的一系列二维振动信号，输入lstm分类模型分类，得到挂网部分的报警位置序列，具体为：

24、缓存最近三秒内的挂网部分全线的二维振动信号，从缓存的二维振动信号中提取出可疑位置序列对应位置的所有二维振动信号，以缓存的每个位置三秒内的二维振动信号为输入向量，输入到预先训练好的lstm分类模型中，根据输出的分类结果判断输入向量是否为入侵事件信号，若分类结果为入侵事件信号则将输入的二维振动信号的对应位置点作为挂网部分的报警位置点；所述分类结果包括入侵事件信号、环境噪声信号和其他干扰事件信号；根据挂网部分的报警位置点推断得到对应的实际地理位置，所有挂网部分的报警位置点对应的实际地理位置即组成挂网部分的报警位置序列。

25、更进一步的，所述推断得到对应的实际地理位置采用地理映射表实现，所述地理映射表的具体实现方式为：

26、在挂网部分的光纤和埋地部分的光纤的某个采样点位置ni处模拟入侵事件，从光纤振动传感单元的输出端获得单位时间内挂网部分和埋地部分能量波动最大的光纤长度分别为gi和di，由此得到一组映射(ni,di)和(ni,gi)；对光纤振动传感单元的每个采样点位置都进行以上处理，得到的所有映射(ni,di)和(ni,gi)即分别组成挂网部分和埋地部分的地理映射表。

27、进一步的，所述步骤4)中，所述复合策略的具体实现方式为：

28、对于在当前时刻输出的挂网部分的报警位置序列中的位置点，查询其附近l米的范围内的采样点是否存在于步骤2)中缓存的埋地部分的报警位置序列内，l取值小于6米；若存在，则视为有人为入侵活动发生，具体的入侵位置为当前时刻的埋地部分和挂网部分的报警位置序列中的位置点的平均值；若不存在，则视为没有入侵活动发生。

29、总而言之，通过本发明构思的技术方案与现有技术相比，具有下列优点：

30、(1)本发明提出的基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法充分考虑大风等恶劣天气条件对检测的干扰，可以适用于多种复杂的环境。

31、(2)本发明提出的基于分布式光纤挂网埋地复合策略的周界入侵检测方法充分融合了光纤所能接收到的两部分的信息，先筛选再分类。在面对大量输入数据时仍然可以保持很高的实时性和准确性。