分布式光纤传感系统中的信号识别技术研究
分布式光纤传感系统中的信号识别技术研究[20191215144847]
随着光纤通信的发展，光纤传感器技术已经逐步成为一种新兴的技术，在各个行业领域内突显出越来越重要的作用。在光纤传感技术中，其传感和传输信号都是光信号，因此具有较强抗电磁干扰性以及绝缘性；精度高，可以传输较远距离；耐腐蚀、体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性好等特点，对于一些大规模工程能够提供安全监测。论文的主要内容:
首先，对于光纤传感器进行了简单介绍，介绍了光纤传感器的背景以及意义，并详细地分析了本课题所研究的分布式光纤传感器。
其次，在获取光纤传感器信号的基础上，分析了MFCC的工作原理、流程及算法，基于LabVIEW和Matlab平台实现对信号的数据采集和处理；简述了粗糙集理论以及相关重要定理，并以MFCC提取的特征值为基础利用粗糙集约简算法进行数据的简化。
最后，利用BP神经网络分别将MFCC提取的特征值以及粗糙集约简的特征值建立相关的模板，对未知信号进行比对，结果表明粗糙集对于分布式光纤传感系统中的信号处理以及识别技术具有较好的作用。
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关键字:分布式光纤传感；粗糙集；信号识别；MFCC
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2关于光纤传感器以及模式识别的简介 1
1.2.1 选题背景 1
1.2.2 选题意义 2
1.2.3 光纤传感器的特点 2
1.3 光纤传感器的国内外发展概况 3
1.4 论文结构 4
第二章 分布式光纤传感器结构与原理 5
2.1分布式光纤传感系统结构 5
2.2分布式光纤传感系统原理 6
2.2.1 光纤传感器调制原理 6
2.2.2 光纤传感器解调原理 8
2.3 本章小结 10
第三章 光纤传感信号特征提取算法 11
3.1 MFCC 11
3.1.1 MFCC的算法原理 11
3.1.2 MFCC 参数提取 12
3.2分布式光纤传感信号特征提取 13
3.2.1 分布式光纤传感系统数据 13
3.2.2实验结果 14
3.3 本章小结 15
第四章 基于粗糙集的光纤传感特征约简 17
4.1粗糙集基本概念 17
4.1.1 粗糙集定义 17
4.1.2 粗糙集决策表 18
4.1.3 粗糙集不可分辨关系 18
4.1.4 粗糙集不确定性 19
4.2 粗糙集约简原理 20
4.3 特征约简结果及分析 22
4.4 本章小结 24
第五章 基于BP的光纤传感信号模式识别 26
5.1 模式识别 26
5.1.1 BP神经网络介绍 26
5.1.1 BP神经网络结构 27
5.1.2 BP神经网络算法 28
5.2 模式识别结果及分析 31
5.3 本章小结 32
第六章 总结 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
随着光纤通信及光纤传感等有关技术的发展，光纤传感器技术方面获得了极大的突破。由于在光纤传感器里使用的是光信号，因此在电磁场干扰较强的区域，或在人达不到的区域(如高温区)，或在对人有危害的地区(如核辐射区)能够使用。此外，光纤拥有极强的敏感性，这同与光信号的衍射和干涉对外界感应的灵敏度高是分不开的，且能够采集到人的感官所感觉不到的外界信息，甚至超出人的生理界线。光纤传感器已经被广泛运用于大范围区域的安全防护、长距离油气和电力输运线路的维护等项目中。这些项目中对于所获取光纤传感器信号的处理尤为重要，对于处理信号的好坏严重影响到整个系统的运作。如果处理错误的话，甚至会给个人、公司和国家带来无法想象的后果。
1.2关于光纤传感器以及模式识别的简介
1.2.1 选题背景
在分布式光纤传感系统中应用模式识别技术有着重大的现实意义。这不但同分布式光纤传感技术的应用领域有关，而且模式识别技术与分布式光纤传感相结合的系统功能提供了较为完善的体系，使其在如今竞争激烈的监控等项目中能够获得较好的地位。
分布式光纤传感系统的应用主要集在远距离传输以及安防上，能够较好的判断对于外界触发源信号的“有”或“无”。然而，随着科技的发展，我们以及无法满足于获取单纯的“有”或“无”触发源的信号。当外界触发源触发监控的区域或设施时候，我们更希望看到“是什么”触发了该系统所监控的区域。另一方面，简单的“有”或“无”形式的信号也很容易产生误报。例如，当其触发源并不是入侵，而只是小动物或者仅仅是自然环境的影响时，频繁的误报会导致系统和人力资源的浪费。
随着基于分布式光纤传感器技术的进步，对于其研究也正在逐步地展开。过去主要精力集中在研究定位算法，然而对于将其使用于各种环境下时，系统的效率如何同样是我们参考的因素之一。同时，技术发展本身也必然要求系统能够将更多功能集于一身。此外，面对如此激烈竞争的环境下，系统如果能够拥有更多应用将会对于其竞争是一个强而有力的亮点。
综上所述，基于分布式光纤传感的模式识别系统的研究突显出尤为重要的现实意义。
1.2.2 选题意义
随着社会发展进步，如今识别技术早已被应用于各行各业。但是通过传统的系统获取方式会被诸多因素的所影响，导致难以识别。所以，我们需要一个更加完善的识别传感系统来获取信息。因此，对于如何更好的实现该系统成为了各国迫切须要解决的难题，世界各国对于基于分布式光纤传感器识别系统的相关技术的研究以及推广均投入了大量人力和物力。
1.2.3 光纤传感器的特点
光纤以其传输的消耗低、保密性好、传输带宽的优点被广泛的应用于通信系统中。以传统的传感器来说，传感器使用电气作为外部信号(如压力、电流、温度、气体等的变化)为获取信号以及传输的载体。而使用光纤传感器，则是将光信号当作其传输以及物理量变换的载体，在光纤中传输中使用光纤内光的改变。光纤一方面作为传输器件，另一方面作为传感器件。其主要优点在于:
1、由石英玻璃所制成的光纤，具备耐高压、耐侵蚀，能在不稳定的环境下仍然是可靠的绝缘体；
2、光纤拥有无源器件所不具备的不易受电磁场干扰，且不会对被测物体产生影响；
3、光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列；
4、利用光的光纤传感器，从而使传感器频带限度和动态范围较为广；
5、具有极高的灵敏性和分辨率。
电场、温度、位移等的变化能够使用光纤传感器来获取。这些变化则通过光纤在内部结构或某些细微的变化，导致在光纤中光信号的变化。光纤内传输光的改变能够导致传感器获取变化的外部信息。我们经过某些转变的方法，获取光信号本来加载在光纤中的信号源的特点形式，从而构成光纤传感器。
1.3 光纤传感器的国内外发展概况
如今光纤传感技术已经得到了快速的发展以及广泛的应用。根据信号的性质将光纤传感分为以下五类：(1)利用干涉效应的传感技术；(2)利用布里渊效应的传感技术；(3)利用拉曼效应的传感技术；(4) 利用前向传输模耦合的传感技术；(5)利用后向瑞利散射的传感技术。
目前仅有少数几家公司能够提供较为可靠的光纤报警系统产品，国内也有一些研究机构开始了研究。在美国New York Gas Group以及印度尼西亚的Gulf Resources Ltd的长输管道上，光纤报警系统已经被成功的应用，并取得了比较良好的效果，该光纤报警系统同样是基于分布式光纤传感技术的。
成立于1994年的澳大利亚Future Fiber Technology(简称FFT)公司已研制出移动和振动传感器、微应变传感器。据报道该系统能够监测50公里长的输油管线，该系统的自动识别软件的误报警率少于1次/3月。系统能够通过多套系统的级联，从而构建出长达数百公里的安防系统。此系统从1996年至2000年在美国边防(Border protection)、美国军事基地(US Army)、日本东京天然气公司(Tokyo Gas)、英国石油公司(British Petroleum)、新加坡军用机场、澳大利亚国防部等等处被应用。
2002年，美国Optellios公司的Fiber Patrol TM FP1100系统能够提供将光纤传感技术应用于周界或能源管道监测报警系统中。其定位精度优于25米。GPS可以通过此系统进行定位，然后派遣人员到现场进行查看。
目前国际上美国的Optiphase公司和以色列的MAGAL公司的系统产品主要集中在传感报警等方面。其定位方面的产品大部分是以500m-2000m为一个防区来完成，所以其传感区域就受很大的限制。
2010年时期，浙江大学联手西安交通大学研究的分布式光纤传感系统如今已经被用于海底中石油管道上的损伤监测，但由于该系统是基于光纤的散射机理进行监测的，因此并非是实时系统。
1.4 论文结构
基于分布式光纤传感系统中的信号识别技术所涉及的是以基于相位调制的分布式光纤传感器为基础获取信号，在用Mel倒频谱进行信号提取，但由于MFCC特征在加性噪声的情况下并不稳定，因此同时对其进行归一化处理以降低噪声的影响获取相应的特征值，之后用粗糙集的经典约简算法进行约简，最后将最后获取的特征值建立各种信号类别的模板，将未知类别的信号与各模板进行模式识别，从而了解到是否达到所期盼的结果。
本论文的内容共分为五章。其具体简介如下：
第一章 介绍了本课题的光纤传感器相关的产生、发展以及特点，由此引出了本文的研究内容；
第二章 分析基于相位调制型分布式光纤传感系统的结构，以及该系统的调制和解调原理来更好的了解分布式光纤传感器是如何获取信号的；
第三章 论述了Mel倒频谱的信号提取，主要包括MFCC的基本概念和其算法分析；
第四章 介绍了粗糙集约简的理论概念，主要包括了粗糙集相关的约简定义以及粗糙集约简的算法；
第五章 论述基于BP神经网络的光纤传感信号的模式识别，实现对于信号的识别处理；
第六章 总结全文。
第二章 分布式光纤传感器结构与原理
2.1分布式光纤传感系统结构
相位调制型分布式光纤传感系统的结构如下图2.1所示。该系统由一个超辐射发光二极管(SLD)光源、一个3x3光纤藕合器、一个光环形器、两个光电探测器、一段光纤延迟线以及一段末端镀以反射膜的传输光纤构成。其中，(3)至(5)间的光纤作为传感光纤，用来接收外界扰动的信号，同时也是信号传输通道(4)为施加于外界振动源处。
图2.1光纤分布式振动传感系统
先从光源发出的光通过环形器，再通过3X3耦合器分成顺时针(CW)以及逆时针(CCW)两路，CW光首先通过扰动点，之后经过延时线圈，然而CCW光首先经过延时线圈，之后通过扰动点，具体地说，光路走向为1-2-3-4-5-4-3-7-6-8和1-2-8-6-7-3-4-5-4-3的两路光在祸合器内部发生干涉，输出两个干涉信号于光电二极管I(PINI)和光电二极管H(PINH)，其次用信号采集卡连接到计算机进行处理，构建信号处理平台。
随着光纤通信的发展，光纤传感器技术已经逐步成为一种新兴的技术，在各个行业领域内突显出越来越重要的作用。在光纤传感技术中，其传感和传输信号都是光信号，因此具有较强抗电磁干扰性以及绝缘性；精度高，可以传输较远距离；耐腐蚀、体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性好等特点，对于一些大规模工程能够提供安全监测。论文的主要内容:
首先，对于光纤传感器进行了简单介绍，介绍了光纤传感器的背景以及意义，并详细地分析了本课题所研究的分布式光纤传感器。
其次，在获取光纤传感器信号的基础上，分析了MFCC的工作原理、流程及算法，基于LabVIEW和Matlab平台实现对信号的数据采集和处理；简述了粗糙集理论以及相关重要定理，并以MFCC提取的特征值为基础利用粗糙集约简算法进行数据的简化。
最后，利用BP神经网络分别将MFCC提取的特征值以及粗糙集约简的特征值建立相关的模板，对未知信号进行比对，结果表明粗糙集对于分布式光纤传感系统中的信号处理以及识别技术具有较好的作用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:分布式光纤传感；粗糙集；信号识别；MFCC
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2关于光纤传感器以及模式识别的简介 1
1.2.1 选题背景 1
1.2.2 选题意义 2
1.2.3 光纤传感器的特点 2
1.3 光纤传感器的国内外发展概况 3
1.4 论文结构 4
第二章 分布式光纤传感器结构与原理 5
2.1分布式光纤传感系统结构 5
2.2分布式光纤传感系统原理 6
2.2.1 光纤传感器调制原理 6
2.2.2 光纤传感器解调原理 8
2.3 本章小结 10
第三章 光纤传感信号特征提取算法 11
3.1 MFCC 11
3.1.1 MFCC的算法原理 11
3.1.2 MFCC 参数提取 12
3.2分布式光纤传感信号特征提取 13
3.2.1 分布式光纤传感系统数据 13
3.2.2实验结果 14
3.3 本章小结 15
第四章 基于粗糙集的光纤传感特征约简 17
4.1粗糙集基本概念 17
4.1.1 粗糙集定义 17
4.1.2 粗糙集决策表 18
4.1.3 粗糙集不可分辨关系 18
4.1.4 粗糙集不确定性 19
4.2 粗糙集约简原理 20
4.3 特征约简结果及分析 22
4.4 本章小结 24
第五章 基于BP的光纤传感信号模式识别 26
5.1 模式识别 26
5.1.1 BP神经网络介绍 26
5.1.1 BP神经网络结构 27
5.1.2 BP神经网络算法 28
5.2 模式识别结果及分析 31
5.3 本章小结 32
第六章 总结 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
随着光纤通信及光纤传感等有关技术的发展，光纤传感器技术方面获得了极大的突破。由于在光纤传感器里使用的是光信号，因此在电磁场干扰较强的区域，或在人达不到的区域(如高温区)，或在对人有危害的地区(如核辐射区)能够使用。此外，光纤拥有极强的敏感性，这同与光信号的衍射和干涉对外界感应的灵敏度高是分不开的，且能够采集到人的感官所感觉不到的外界信息，甚至超出人的生理界线。光纤传感器已经被广泛运用于大范围区域的安全防护、长距离油气和电力输运线路的维护等项目中。这些项目中对于所获取光纤传感器信号的处理尤为重要，对于处理信号的好坏严重影响到整个系统的运作。如果处理错误的话，甚至会给个人、公司和国家带来无法想象的后果。
1.2关于光纤传感器以及模式识别的简介
1.2.1 选题背景
在分布式光纤传感系统中应用模式识别技术有着重大的现实意义。这不但同分布式光纤传感技术的应用领域有关，而且模式识别技术与分布式光纤传感相结合的系统功能提供了较为完善的体系，使其在如今竞争激烈的监控等项目中能够获得较好的地位。
分布式光纤传感系统的应用主要集在远距离传输以及安防上，能够较好的判断对于外界触发源信号的“有”或“无”。然而，随着科技的发展，我们以及无法满足于获取单纯的“有”或“无”触发源的信号。当外界触发源触发监控的区域或设施时候，我们更希望看到“是什么”触发了该系统所监控的区域。另一方面，简单的“有”或“无”形式的信号也很容易产生误报。例如，当其触发源并不是入侵，而只是小动物或者仅仅是自然环境的影响时，频繁的误报会导致系统和人力资源的浪费。
随着基于分布式光纤传感器技术的进步，对于其研究也正在逐步地展开。过去主要精力集中在研究定位算法，然而对于将其使用于各种环境下时，系统的效率如何同样是我们参考的因素之一。同时，技术发展本身也必然要求系统能够将更多功能集于一身。此外，面对如此激烈竞争的环境下，系统如果能够拥有更多应用将会对于其竞争是一个强而有力的亮点。
综上所述，基于分布式光纤传感的模式识别系统的研究突显出尤为重要的现实意义。
1.2.2 选题意义
随着社会发展进步，如今识别技术早已被应用于各行各业。但是通过传统的系统获取方式会被诸多因素的所影响，导致难以识别。所以，我们需要一个更加完善的识别传感系统来获取信息。因此，对于如何更好的实现该系统成为了各国迫切须要解决的难题，世界各国对于基于分布式光纤传感器识别系统的相关技术的研究以及推广均投入了大量人力和物力。
1.2.3 光纤传感器的特点
光纤以其传输的消耗低、保密性好、传输带宽的优点被广泛的应用于通信系统中。以传统的传感器来说，传感器使用电气作为外部信号(如压力、电流、温度、气体等的变化)为获取信号以及传输的载体。而使用光纤传感器，则是将光信号当作其传输以及物理量变换的载体，在光纤中传输中使用光纤内光的改变。光纤一方面作为传输器件，另一方面作为传感器件。其主要优点在于:
1、由石英玻璃所制成的光纤，具备耐高压、耐侵蚀，能在不稳定的环境下仍然是可靠的绝缘体；
2、光纤拥有无源器件所不具备的不易受电磁场干扰，且不会对被测物体产生影响；
3、光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列；
4、利用光的光纤传感器，从而使传感器频带限度和动态范围较为广；
5、具有极高的灵敏性和分辨率。
电场、温度、位移等的变化能够使用光纤传感器来获取。这些变化则通过光纤在内部结构或某些细微的变化，导致在光纤中光信号的变化。光纤内传输光的改变能够导致传感器获取变化的外部信息。我们经过某些转变的方法，获取光信号本来加载在光纤中的信号源的特点形式，从而构成光纤传感器。
1.3 光纤传感器的国内外发展概况
如今光纤传感技术已经得到了快速的发展以及广泛的应用。根据信号的性质将光纤传感分为以下五类：(1)利用干涉效应的传感技术；(2)利用布里渊效应的传感技术；(3)利用拉曼效应的传感技术；(4) 利用前向传输模耦合的传感技术；(5)利用后向瑞利散射的传感技术。
目前仅有少数几家公司能够提供较为可靠的光纤报警系统产品，国内也有一些研究机构开始了研究。在美国New York Gas Group以及印度尼西亚的Gulf Resources Ltd的长输管道上，光纤报警系统已经被成功的应用，并取得了比较良好的效果，该光纤报警系统同样是基于分布式光纤传感技术的。
成立于1994年的澳大利亚Future Fiber Technology(简称FFT)公司已研制出移动和振动传感器、微应变传感器。据报道该系统能够监测50公里长的输油管线，该系统的自动识别软件的误报警率少于1次/3月。系统能够通过多套系统的级联，从而构建出长达数百公里的安防系统。此系统从1996年至2000年在美国边防(Border protection)、美国军事基地(US Army)、日本东京天然气公司(Tokyo Gas)、英国石油公司(British Petroleum)、新加坡军用机场、澳大利亚国防部等等处被应用。
2002年，美国Optellios公司的Fiber Patrol TM FP1100系统能够提供将光纤传感技术应用于周界或能源管道监测报警系统中。其定位精度优于25米。GPS可以通过此系统进行定位，然后派遣人员到现场进行查看。
目前国际上美国的Optiphase公司和以色列的MAGAL公司的系统产品主要集中在传感报警等方面。其定位方面的产品大部分是以500m-2000m为一个防区来完成，所以其传感区域就受很大的限制。
2010年时期，浙江大学联手西安交通大学研究的分布式光纤传感系统如今已经被用于海底中石油管道上的损伤监测，但由于该系统是基于光纤的散射机理进行监测的，因此并非是实时系统。
1.4 论文结构
基于分布式光纤传感系统中的信号识别技术所涉及的是以基于相位调制的分布式光纤传感器为基础获取信号，在用Mel倒频谱进行信号提取，但由于MFCC特征在加性噪声的情况下并不稳定，因此同时对其进行归一化处理以降低噪声的影响获取相应的特征值，之后用粗糙集的经典约简算法进行约简，最后将最后获取的特征值建立各种信号类别的模板，将未知类别的信号与各模板进行模式识别，从而了解到是否达到所期盼的结果。
本论文的内容共分为五章。其具体简介如下：
第一章 介绍了本课题的光纤传感器相关的产生、发展以及特点，由此引出了本文的研究内容；
第二章 分析基于相位调制型分布式光纤传感系统的结构，以及该系统的调制和解调原理来更好的了解分布式光纤传感器是如何获取信号的；
第三章 论述了Mel倒频谱的信号提取，主要包括MFCC的基本概念和其算法分析；
第四章 介绍了粗糙集约简的理论概念，主要包括了粗糙集相关的约简定义以及粗糙集约简的算法；
第五章 论述基于BP神经网络的光纤传感信号的模式识别，实现对于信号的识别处理；
第六章 总结全文。
第二章 分布式光纤传感器结构与原理
2.1分布式光纤传感系统结构
相位调制型分布式光纤传感系统的结构如下图2.1所示。该系统由一个超辐射发光二极管(SLD)光源、一个3x3光纤藕合器、一个光环形器、两个光电探测器、一段光纤延迟线以及一段末端镀以反射膜的传输光纤构成。其中，(3)至(5)间的光纤作为传感光纤，用来接收外界扰动的信号，同时也是信号传输通道(4)为施加于外界振动源处。
图2.1光纤分布式振动传感系统
先从光源发出的光通过环形器，再通过3X3耦合器分成顺时针(CW)以及逆时针(CCW)两路，CW光首先通过扰动点，之后经过延时线圈，然而CCW光首先经过延时线圈，之后通过扰动点，具体地说，光路走向为1-2-3-4-5-4-3-7-6-8和1-2-8-6-7-3-4-5-4-3的两路光在祸合器内部发生干涉，输出两个干涉信号于光电二极管I(PINI)和光电二极管H(PINH)，其次用信号采集卡连接到计算机进行处理，构建信号处理平台。
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