听觉机制的光纤安防系统信号识别
摘 要光纤自从问世以来，就以自己独特的优点得到广泛的重视和应用，光纤传感器融合光纤自身的优点和各类传感器相结合，在信息的探测和传输方面有着巨大的优势。周界光纤安防系统正是利用光纤作为传感器来实现对外界干扰信号的采集和识别，与传统的周界安防系统相比有着探测敏锐度高，反应时间短，制作成本低等特点。本文正是在研究光纤传感器的基础上实现对外界振动干扰信号的特征提取和识别。主要研究内容有：首先对光纤传感器的工作机制进行了描述，从采集到的原始光纤振动信号出发，对各类不同的干扰信号分别进行基于听觉机制的信号提取梅尔频率倒谱系数与线性预测系数两种特征提取法，并比较两种方法的不同。其次运用粗糙集理论对提取到的各类特征矢量进行优化约简，以减少数据冗余，最后采用BP人工神经网络识别法对各类不同的信号进行识别。经过实验结果的验证，利用梅尔频率倒谱系数特征提取法与基于BP人工神经网络的信号识别法相结合的识别效果更好。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 周界安防系统 1
1.2 光纤传感器 1
1.2.1 分布式光纤传感器 2
1.2.2 光纤传感器的分类 5
1.3 光纤传感器在国内外的发展现状 7
1.4 主要研究内容及安排 9
第2章 基于听觉机制的光纤安防系统信号特征提取 10
2.1 语音识别简介 10
2.2 信号特征提取的概念及原理 11
2.3 信号特征提取的种类及过程 12
2.3.1频率倒谱系数 12
2.3.2 线性预测系数 13
2.3.3 线性预测倒谱系数 13
2.3.4 感知线性预测系数 14
2.4 和提取参数具体实现 14
2.4.1 提取信号特征方法的具体实现 14
2.4.2 特征提取的具体实现 17
2.5 本章小结 19
第3章 粗糙集理论 20
3.1粗糙集理论简介 20
3.2 weka软件介绍 22
3.
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3 约简过程具体实现 22
3.4 本章小结 25
第4章 基于听觉机制的信号模式识别 26
4.1模式识别 26
4.2 信号模式识别常用方法 26
4.3 基于BP人工神经网络法 27
4.4 信号识别结果及比较 29
4.5 本章小结 30
第5章 全文总结与展望 31
参考文献 33
致 谢 37
附 录 38
第1章 绪论
1.1 周界安防系统
随着改革开放以来我国社会和经济的飞速发展，人民的生活水平正在节节升高，伴随着生活水平不断提高的同时，一些不利于社会和谐的因素正在悄悄滋生。管道泄漏和损坏，水库坍塌，通信光缆电缆频频被盗等等影响着社会的安定和团结，造成了巨大的经济损失。究其原因，是因为监测不及时不准确，不能在事件发生的第一时间赶到现场，降低损失。所有这些事件的发生都在促使人们不断研究新的监测和管理技术，能适应恶劣的环境、能进行较长距离的监控和定位，抵抗干扰的能力比较强，在应对来自外面的各种入侵时，可以高质量地进行分辨。由此可见传统的电子传感安防系统已经不能满足社会发展的需要，提高人们的生活质量。小区是人们活动的主要场所,小区的光纤安防系统更与人们的生活紧密相连。本课题正是着眼于类似小区的周界安防系统，在此基础上研究信号的模式识别。
光纤周界安防系统的结构框图如图所示，它的工作机制是当有来自外界的振动信号时，利用各种传感器对它们进行采集，通过传输单元送入处理单元处理后进行识别。所以周界安防系统的主要组成单元分别为信号采集、信号传输以及信号处理。
图1.1 周界安防系统的工作原理
1.2 光纤传感器
近年来，随着信息化的不断发展，让光纤的应用范围也越来越广，这一切都是由于光纤自身具有一系列的特性，有着其他载体和媒质难以和其相比的优点。光纤的体积相对来说比较小，本身又比较细，质量也轻，通信容量比较大,工作频带较宽，动态范围大，更重要的一点是抗干扰能力较强，能很快适应环境，良好地配合遥测技术，实现远距离测试与控制，是一种非常好的损耗低的传输线。光纤凭借自身这些独特的优点，在很多领域中得到发展和重视,有着可观的市场前景。
光导纤维和光通信技术在光纤的影响作用下迅速得到发展，光导纤维最早用于传光以及传像，而光通信技术则是用于长距离传输信息。由于人们对光纤的重视度越来越高，导致以光纤为传输媒介，光为载体，通过敏感元件感知外界信号的新型传感技术—光纤传感技术应运而生，并被人们重视和迅速发展。因为在光纤传输的过程中，来自外界的温度、压力等会改变光波感应敏锐的各种特征量例如振幅、相位等，使它们发生不同程度的改变，所以光纤可以用来作为传感器件感知各种物理量的变化。而且在整个传感光纤上，它对被测量信号反应敏感，而且安装方便。光纤传感器相比其他传统的传感器而言的优势主要有：抗电磁干扰能力强，灵敏度较高、质量轻盈、体积较小、外形可以改变、而且它的测量对象广泛，对被测介质影响较小、方便复用和成网，最重要的一点是它的应用成本低。如图是对光纤传感器和各种传统的电类传感器进行比较。
表1.1 光纤传感器与各种电类传感器的比较
1.2.1 分布式光纤传感器
在各种光纤传感器中，其中分布式光纤传感器由于结构简单、适合于几十公里范围内的长距离监控，感应敏锐度高、抵抗外界干扰能力强，在需要实时监控的系统中例如各种管道传输系统的监测和保护等方面都有着不可替代的作用。干涉型光纤传感器的工作过程为，光纤经过复用后用来传输信号并且感应外界的因素改变，一旦感应到干扰，再对该干扰信号进行准确分析得出干扰源的具体种类和位置，根据结论来制定解决方法。在实际的系统应用中，干扰源的准确辨别能够让监控方采取有效的措施去保护系统。如下图所示为干涉型光纤传感器的原理图。
图1.2 基于M–Z干涉型光纤传感器原理图
分布式光纤监测系统的实用性和实时性非常强，所以经常应用到例如道路、高压输电线、油气管道、水利系统等对安全性要求高、需要实时监测的场合。分布式光纤监测系统经久耐用、安全可靠，这些都是相比于传统的监测方法突出的优点，因此倍受外界的关注。例如在油气管道的传输中，出于对安全传输的考虑，需要对许多物理量进行监测。传统的监测方法采用单点监测，不仅测得的数据少，而且成果不是很直观，而且必须经过有效的数据分析后才能清楚地知道发生的情况。但是如果采用分布式光纤监测技术的话，不仅仅可以获得大量的数据，而且效果明显，省时省力。如果将光纤按照一定的格式进行布局，可以克服传统监测系统容易遗漏的缺点，实现全面监测，提高监测的的效率，这是经济快速发展和社会稳定和谐的一个重要要求，对各方面的意义重大。如图所示为油气管道传输监测系统，在图示的系统中，采用光纤传感技术，如果在油气传输的过程中，受到外界的压力振动，则此振动信号会很快地经过传感光纤被送到光路系统，经过光电转换系统的转换，变成电信号输入到信号处理系统中，经过信号的特征提取的模式识别就可以清楚的知道这是何种干扰信号，便于工作人员进行及时监管和调整。如图所示为油气管道光纤传输系统
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 周界安防系统 1
1.2 光纤传感器 1
1.2.1 分布式光纤传感器 2
1.2.2 光纤传感器的分类 5
1.3 光纤传感器在国内外的发展现状 7
1.4 主要研究内容及安排 9
第2章 基于听觉机制的光纤安防系统信号特征提取 10
2.1 语音识别简介 10
2.2 信号特征提取的概念及原理 11
2.3 信号特征提取的种类及过程 12
2.3.1频率倒谱系数 12
2.3.2 线性预测系数 13
2.3.3 线性预测倒谱系数 13
2.3.4 感知线性预测系数 14
2.4 和提取参数具体实现 14
2.4.1 提取信号特征方法的具体实现 14
2.4.2 特征提取的具体实现 17
2.5 本章小结 19
第3章 粗糙集理论 20
3.1粗糙集理论简介 20
3.2 weka软件介绍 22
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
3 约简过程具体实现 22
3.4 本章小结 25
第4章 基于听觉机制的信号模式识别 26
4.1模式识别 26
4.2 信号模式识别常用方法 26
4.3 基于BP人工神经网络法 27
4.4 信号识别结果及比较 29
4.5 本章小结 30
第5章 全文总结与展望 31
参考文献 33
致 谢 37
附 录 38
第1章 绪论
1.1 周界安防系统
随着改革开放以来我国社会和经济的飞速发展，人民的生活水平正在节节升高，伴随着生活水平不断提高的同时，一些不利于社会和谐的因素正在悄悄滋生。管道泄漏和损坏，水库坍塌，通信光缆电缆频频被盗等等影响着社会的安定和团结，造成了巨大的经济损失。究其原因，是因为监测不及时不准确，不能在事件发生的第一时间赶到现场，降低损失。所有这些事件的发生都在促使人们不断研究新的监测和管理技术，能适应恶劣的环境、能进行较长距离的监控和定位，抵抗干扰的能力比较强，在应对来自外面的各种入侵时，可以高质量地进行分辨。由此可见传统的电子传感安防系统已经不能满足社会发展的需要，提高人们的生活质量。小区是人们活动的主要场所,小区的光纤安防系统更与人们的生活紧密相连。本课题正是着眼于类似小区的周界安防系统，在此基础上研究信号的模式识别。
光纤周界安防系统的结构框图如图所示，它的工作机制是当有来自外界的振动信号时，利用各种传感器对它们进行采集，通过传输单元送入处理单元处理后进行识别。所以周界安防系统的主要组成单元分别为信号采集、信号传输以及信号处理。
图1.1 周界安防系统的工作原理
1.2 光纤传感器
近年来，随着信息化的不断发展，让光纤的应用范围也越来越广，这一切都是由于光纤自身具有一系列的特性，有着其他载体和媒质难以和其相比的优点。光纤的体积相对来说比较小，本身又比较细，质量也轻，通信容量比较大,工作频带较宽，动态范围大，更重要的一点是抗干扰能力较强，能很快适应环境，良好地配合遥测技术，实现远距离测试与控制，是一种非常好的损耗低的传输线。光纤凭借自身这些独特的优点，在很多领域中得到发展和重视,有着可观的市场前景。
光导纤维和光通信技术在光纤的影响作用下迅速得到发展，光导纤维最早用于传光以及传像，而光通信技术则是用于长距离传输信息。由于人们对光纤的重视度越来越高，导致以光纤为传输媒介，光为载体，通过敏感元件感知外界信号的新型传感技术—光纤传感技术应运而生，并被人们重视和迅速发展。因为在光纤传输的过程中，来自外界的温度、压力等会改变光波感应敏锐的各种特征量例如振幅、相位等，使它们发生不同程度的改变，所以光纤可以用来作为传感器件感知各种物理量的变化。而且在整个传感光纤上，它对被测量信号反应敏感，而且安装方便。光纤传感器相比其他传统的传感器而言的优势主要有：抗电磁干扰能力强，灵敏度较高、质量轻盈、体积较小、外形可以改变、而且它的测量对象广泛，对被测介质影响较小、方便复用和成网，最重要的一点是它的应用成本低。如图是对光纤传感器和各种传统的电类传感器进行比较。
表1.1 光纤传感器与各种电类传感器的比较
1.2.1 分布式光纤传感器
在各种光纤传感器中，其中分布式光纤传感器由于结构简单、适合于几十公里范围内的长距离监控，感应敏锐度高、抵抗外界干扰能力强，在需要实时监控的系统中例如各种管道传输系统的监测和保护等方面都有着不可替代的作用。干涉型光纤传感器的工作过程为，光纤经过复用后用来传输信号并且感应外界的因素改变，一旦感应到干扰，再对该干扰信号进行准确分析得出干扰源的具体种类和位置，根据结论来制定解决方法。在实际的系统应用中，干扰源的准确辨别能够让监控方采取有效的措施去保护系统。如下图所示为干涉型光纤传感器的原理图。
图1.2 基于M–Z干涉型光纤传感器原理图
分布式光纤监测系统的实用性和实时性非常强，所以经常应用到例如道路、高压输电线、油气管道、水利系统等对安全性要求高、需要实时监测的场合。分布式光纤监测系统经久耐用、安全可靠，这些都是相比于传统的监测方法突出的优点，因此倍受外界的关注。例如在油气管道的传输中，出于对安全传输的考虑，需要对许多物理量进行监测。传统的监测方法采用单点监测，不仅测得的数据少，而且成果不是很直观，而且必须经过有效的数据分析后才能清楚地知道发生的情况。但是如果采用分布式光纤监测技术的话，不仅仅可以获得大量的数据，而且效果明显，省时省力。如果将光纤按照一定的格式进行布局，可以克服传统监测系统容易遗漏的缺点，实现全面监测，提高监测的的效率，这是经济快速发展和社会稳定和谐的一个重要要求，对各方面的意义重大。如图所示为油气管道传输监测系统，在图示的系统中，采用光纤传感技术，如果在油气传输的过程中，受到外界的压力振动，则此振动信号会很快地经过传感光纤被送到光路系统，经过光电转换系统的转换，变成电信号输入到信号处理系统中，经过信号的特征提取的模式识别就可以清楚的知道这是何种干扰信号，便于工作人员进行及时监管和调整。如图所示为油气管道光纤传输系统
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