一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法

本发明属于分布式光纤振动周界入侵检测安防，更具体地，涉及一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法。

背景技术：

1、分布式光纤传感是基于光纤的一维空间特性，其传感原理是把需要测量的物理参量当作光纤位置长度的函数，通过对光纤沿线周围的外界参数不断地进行实时测量，从而可以获得被测物理量在空间上的状态分布以及其随时间的推移而发生的改变。整个系统基于一根传感型光纤，光纤中的每一段都可以视为一个感应器件，同时又是其他感应器件传输感应信息的通道，由于整个系统是基于一根光纤建立的，故而其成本大大降低。基于分布式光纤的监测系统具有灵敏度高、覆盖范围广、定位准确等优点，被越来越多的监测系统所采用。

2、分布式光纤入侵检测方法是分布式入侵检测技术应用发展的一个重要因素。当前的分布式入侵检测方法大多是基于单个检测点，根据单点探测到的扰动信号来判断入侵性质。对探测信号的模式识别一直是分布式光纤检测领域的重点和难点，目前主流的识别方法都是将入侵信号类比音频，利用音频特征来分类和识别。当前大部分周界入侵检测设施旁都分布有公路，沿路段行驶的汽车很容易对入侵系统造成干扰，并形成和入侵信号相似音频特征的信号，由于单点干扰信号与待检测类型的音频特征高度一致，这从根本上来说对主流的检测方法造成困扰。因此如何在应用分布式光纤入侵检测方法快速准确地识别出车辆行驶，以排除干扰显得尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有的分布式光纤入侵检测方法忽视特定类别时空特征，当车辆行驶引起的单点原始信号和其他入侵检测类别的过于一致时就会检测低效的问题，本发明提出了一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法。

2、本发明所采用的技术方案是，所述基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，包括：

3、1)沿汽车行驶方向铺设光纤振动传感单元；光纤振动传感单元上沿铺设方向均匀设定k个采集点，采集点实时采集得到原始数据，设定短时周期，每个短时周期根据原始数据计算每个采集点的短时能量并进行缓存；k为大于1的自然数；

4、2)根据待检测点的位置，调取缓存的短时能量中对应待检测点附近的部分；

5、3)设定能量阈值，将调取的短时能量同能量阈值进行比较，筛选出超过能量阈值的短时能量，根据筛选出的短时能量对应的采集点位置和采集时间绘制时空散点图；

6、4)利用时空散点图的点位拟合直线，对拟合出的直线计算其倾角，根据倾角的大小判断待检测点是否有汽车经过。

7、进一步的，所述步骤1)中，光纤振动传感单元上相邻采集点的距离x小于30m。

8、进一步的，所述步骤1)中，所述采集点实时采集得到原始数据具体为：各采集点每秒进行sr次采样，一个短时周期内第j个采集点在第r次采样时采样得到的原始数据为drj；

9、所述短时周期设定为1秒；所述每个短时周期根据原始数据计算每个采集点的短时能量，具体为：

10、

11、其中，ej表示一个短时周期内第j个采集点的短时能量。

12、进一步的，所述步骤1)中，所述缓存具体为：建立缓存区，每秒将最近一秒的全线短时能量数据存入缓存区，若缓存区未饱和则不丢弃数据，若缓存区饱和，则丢弃缓存区内最早一秒的全线短时能量数据。

13、更进一步的，所述步骤2)中，所述缓存区为：

14、ekt＝(eij)k×t(i＝1,2,...,t；j＝1,2,,...,k)

15、其中，eij表示缓存区内的数据点，即第i短时周期第j个采集点的短时能量，t为缓存区缓存的时间段长度，k为全线采集点数量。

16、进一步的，所述步骤2)中，；

17、所述的待检测点附近，即所调取数据对应的位置范围为其中j表示待检测点的位置，d＝vmax·t表示范围大小，vmax表示该路段汽车的最高限速，t表示步骤1)中所缓存数据对应的时间段长度。

18、进一步的，所述步骤3)中，所述能量阈值为无汽车经过且无入侵事件发生时在一个短时周期内全部采集点的短时能量的平均值，用于筛去正常背景噪声数据。

19、进一步的，所述步骤3)中，所述根据筛选出的短时能量对应的采集点位置和采集时间绘制时空散点图具体方法为：根据筛选出的超过能量阈值的短时能量eij，其中i表示对应的采集点的相对位置，j表示对应的采集时间，以i为横轴、j为纵轴绘制时空散点图；

20、若时空散点图中存在同一个横坐标的多个点位，则保留其中短时能量的值最大的点位，删去其他点位。

21、进一步的，所述步骤4)中，所述拟合的方法为最小二乘法，拟合得到直线方程为：y＝ax+b，则所述倾角的大小为θ＝arctan a；

22、所述根据倾角的大小判断待检测点是否有汽车经过，具体为：若倾角的大小小于设定角度，则判断待检测点有汽车经过，否则判断待检测点无汽车经过；所述的设定角度为其中vmin为汽车产生的振动信息能被光纤振动传感单元检测到的情况下汽车的最低行驶速度，x0表示光纤振动传感单元上相邻采集点的距离。

23、本发明进一步提出了一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测系统，用于实现上述的方法，所述系统包括：

24、采集计算模块，用于实时采集得到原始数据，并根据原始数据计算短时能量；

25、缓存调取模块，用于缓存最近一定时间段内所有帧的全线短时能量数据，并根据待检测点的地理信息调取短线短时能量数据；

26、绘图模块，用于根据能量阈值筛选数据点，并绘制时空散点图；

27、拟合检测模块，用于根据时空散点图拟合直线，根据拟合出的直线的倾角判断待检测点是否有汽车经过。

28、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：

29、(1)本发明考虑到汽车行驶的物理特征，充分利用了分布式光纤信号的时空信息，可以排除其他单点事件对汽车行驶判断的干扰。

30、(2)本发明以每秒短时能量的形式存储，最大程度的提取了信号特征，大大节约了空间占用大小。而且判断汽车使用的方法简单有效，相比于传统的机器学习或者深度学习方法，性能上更优越。

31、(3)本发明使用光纤传感系统作为检测元件，相比摄像头侦测手段造价更低，能耗更小，更适用于大范围监测，在恶劣环境下也更容易维护，同时在承担更复杂的检测任务时也易于和基于其他检测设备如雷达、摄像头等方法融合。

32、(4)本发明虽然只针对汽车行驶检测的特定类别，但可以很好的和其它基于光纤传感系统的检测方法融合，如基于机器学习或者深度学习的入侵事件检测方法。

技术特征：

1.一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，光纤振动传感单元上相邻采集点的距离x小于30m。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述采集点实时采集得到原始数据具体为：各采集点每秒进行sr次采样，一个短时周期内第j个采集点在第r次采样时采样得到的原始数据为drj；

4.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述缓存具体为：建立缓存区，每秒将最近一秒的全线短时能量数据存入缓存区，若缓存区未饱和则不丢弃数据，若缓存区饱和，则丢弃缓存区内最早一秒的全线短时能量数据。

5.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述缓存区为：

6.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤2)中；

7.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述能量阈值为无汽车经过且无入侵事件发生时在一个短时周期内全部采集点的短时能量的平均值，用于筛去正常背景噪声数据。

8.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述根据筛选出的短时能量对应的采集点位置和采集时间绘制时空散点图具体方法为：根据筛选出的超过能量阈值的短时能量eij，其中i表示对应的采集点的相对位置，j表示对应的采集时间，以i为横轴、j为纵轴绘制时空散点图；

9.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述拟合的方法为最小二乘法，拟合得到直线方程为：y＝ax+b，则所述倾角的大小为θ＝arctan a；

10.一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测系统，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统包括：

技术总结本发明提出了一种基于分布式光纤短线时空信息的行驶汽车检测方法。首先，沿汽车行驶方向铺设光纤振动传感单元，形成分布式光纤传感系统。计算分布式光纤上每个采集点的一秒短时能量，保存地理信息并缓存一段时间。输入待检测点，根据其地理信息，统计待检测点周围一段距离内缓存的采集点短时能量数据。设定一个能量阈值，使用超出阈值的数据点时空信息制作散点图。基于最小二乘法拟合直线，当直线倾角处在某个范围内时即判断有汽车经过。本发明利用汽车行驶的物理特征，充分结合了分布式光纤的时空信息，仅使用原始数据的短时能量特征即可判断，提高了判断的实时性和检测效率，同时可以结合其他基于单点的检测策略使用且适用范围大。技术研发人员：陈帅,王晶,厉小润,李东明,宛立君,彭银受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29