入侵信号的分类方法、系统及可读存储介质

1.本技术涉及光纤传感及光信号处理技术领域，尤其涉及一种入侵信号的分类方法、系统及可读存储介质。


背景技术：

2.随着社会的发展，为了防止非法入侵和破坏，越来越多的重要设施都需要进行周界监测和安防。其中基于m-z(mach-zehnder)光纤干涉传感结构的光纤安防系统因其成本低廉、灵敏度高而广受欢迎。
3.但此类传感系统不能实时自动分析入侵信号的种类，误报率高，稳定性差。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种入侵信号的分类方法、系统及可读存储介质，旨在提高对入侵信号分类的实时性。
5.为实现上述目的，本技术实施例提供了一种入侵信号的分类方法，所述方法包括：
6.获取当前采集到的电压信号；
7.在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列；
8.在所述队列中读取到所述电压信号时，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征；
9.将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类。
10.可选地，所述在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列的步骤，包括：
11.将所述电压信号进行解调，得到电压幅值与时间变化相关的信号；
12.将所述信号执行高通滤波操作，得到目标信号；
13.获取所述目标信号的波峰数量、波谷数量、以及电压幅值，根据所述波峰数量、波谷数量、以及电压幅值与预设值进行比对；
14.根据比对结果确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列。
15.可选地，所述预设值包括波峰预设值、波谷预设值、以及电压幅值预设值，根据比对结果确定所述电压信号为入侵信号的步骤，包括：
16.在确定所述波峰数量大于所述波峰预设值、以及所述波谷数量大于所述波谷预设值、以及所述电压幅值大于电压预设值时，确定所述电压信号为所述入侵信号。
17.可选地，所述在所述队列中读取到所述电压信号时，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征的步骤，包括：
18.在所述队列中读取到所述电压信号时，将所述电压信号执行变分模态分解操作，得到所述电压信号的窄带分量，其中，所述窄带分量存在多个；
19.通过线程结构获取每一所述窄带分量的峭度、能量以及过量率。
20.可选地，所述将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类的步骤，包括：
21.将每一所述窄带分量的所述峭度、能量、过零率输入预设分类器的输入层；
22.根据所述预设分类器的输出层确定所述电压信号的种类。
23.可选地，所述将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类的步骤之前，包括：
24.获取训练数据，将所述训练数据输入初始分类器的输入层；
25.根据所述训练数据的标记结果以及所述初始分类器的输出结果调整所述初始分类器中各网络层的参数；
26.在所述输出结果与所述标记结果的误差在预设阈值时，确定得到所述预设分类器。
27.可选地，执行所述在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列的步骤的同时，还执行：
28.记录所述电压信号对应的入侵时间，并以列表的形式显示所述入侵时间；
29.保存所述电压信号。
30.此外，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种入侵信号的分类系统，所述入侵信号的分类系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的入侵信号的分类程序，所述入侵信号的分类程序被所述处理器执行时实现如上中任一项所述的入侵信号的分类方法的步骤。
31.此外，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种入侵信号的分类装置，所述入侵信号的分类装置包括：
32.获取模块，用于获取当前采集到的电压信号；
33.确定模块，用于在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列；
34.分解模块，用于在所述队列中读取到所述电压信号时，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征；
35.输入模块40，用于将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类。
36.此外，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有入侵信号的分类程序，所述入侵信号的分类程序被处理器执行时实现如上中任一项所述的入侵信号的分类方法的步骤。
37.在本实施例中，获取当前采集到的电压信号，在确定电压信号为入侵信号时，将电压信号写入队列，在队列中读取到电压信号时，分解电压信号得到电压信号的分类特征，并将分类特征输入预设分类器，根据预设分类器的输出结果确定电压信号的种类。通过对确认为入侵信号的电压信号写入队列，避免了在分析的过程中需要对所有的电压信号进行分析，提高了电压信号分类的速度，进而根据队列的先进先出原则，实现了对队列中的每一电压信号进行分析，进而按照时间顺序依次得到入侵信号的类别，提高对入侵信号分类的实时性。
附图说明
38.图1为本技术实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图；
39.图2为本技术入侵信号的分类方法一实施例流程示意图；
40.图3为本技术入侵信号的分类方法系统的光纤系统结构示意图；
41.图4为本技术入侵信号的分类方法发明构思示意图；
42.图5为本技术入侵信号的分类方法模块示意图。
具体实施方式
43.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
44.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.如图1所示，图1为本技术实施例方案涉及的硬件运行环境的终端结构示意图。
46.如图1所示，该终端可以包括：处理器1001，例如cpu，网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如wi-fi接口)。存储器1005可以是高速ram存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
47.本领域技术人员可以理解，图1中示出的终端结构并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
48.如图1所示，作为一种计算机可读存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及入侵信号的分类程序。
49.在图1所示的终端中，网络接口1004主要用于与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与客户端(用户端)进行数据通信；而在终端为入侵信号的分类设备时，处理器1001可以用于调用存储器1005中入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
50.获取当前采集到的电压信号；
51.在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列；
52.在所述队列中读取到所述电压信号时，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征；
53.将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类。
54.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
55.将所述电压信号进行解调，得到电压幅值与时间变化相关的信号；
56.将所述信号执行高通滤波操作，得到目标信号；
57.获取所述目标信号的波峰数量、波谷数量、以及电压幅值，根据所述波峰数量、波
谷数量、以及电压幅值与预设值进行比对；
58.根据比对结果确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列。
59.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
60.在确定所述波峰数量大于所述波峰预设值、以及所述波谷数量大于所述波谷预设值、以及所述电压幅值大于电压预设值时，确定所述电压信号为所述入侵信号。
61.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
62.在所述队列中读取到所述电压信号时，将所述电压信号执行变分模态分解操作，得到所述电压信号的窄带分量，其中，所述窄带分量存在多个；
63.通过线程结构获取每一所述窄带分量的峭度、能量以及过量率。
64.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
65.将每一所述窄带分量的所述峭度、能量、过零率输入预设分类器的输入层；
66.根据所述预设分类器的输出层确定所述电压信号的种类。
67.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
68.获取训练数据，将所述训练数据输入初始分类器的输入层；
69.根据所述训练数据的标记结果以及所述初始分类器的输出结果调整所述初始分类器中各网络层的参数；
70.在所述输出结果与所述标记结果的误差在预设阈值时，确定得到所述预设分类器。
71.进一步地，处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的入侵信号的分类程序，并执行以下操作：
72.记录所述电压信号对应的入侵时间，并以列表的形式显示所述入侵时间；
73.保存所述电压信号。
74.基于m-z光纤干涉传感结构的光纤周界安防系统中的传感光缆一般都敷设在室外，不可避免地会有环境噪声和非入侵振动干扰，比如小动物造成的轻微扰动、刮风、下雨等，这些环境噪声和干扰直接或间接作用在光缆上，会造成光纤扰动，对系统判定入侵产生一定的干扰，导致系统的误报率高。
75.为了解决入侵信号系统误报的问题，可以采用将采集到的信号进行分类，根据分类结果确定当前采集的信号是否为入侵信号，采用这种方法需要通过复杂的神经网络计算，在实际情况中，由于控制器的计算速度无法和采集信号的速率相匹配，无法对采集到的每一信号进行分析，导致无法实时分析入侵信号的种类。
76.参考图2，图2为本技术入侵信号的分类方法一实施例的流程示意图。
77.本技术实施例提供了入侵信号的分类方法的实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
78.入侵信号的分类方法包括：
79.步骤s10，获取当前采集到的电压信号；
80.在本实施例中，参照图3，通过光纤传感器获取外界入侵事件并转换成相应的电压信号，由采集卡采集当前的电压信号，其中，光纤传感器由dfb激光光源、传感光纤、参考光纤、2x2均分单模耦合器、3x3耦合器、光电探测器组成，传感光纤和参考光纤作为m-z干涉仪的干涉臂，激光光源发出的光经过2x2耦合器均分为两束光进入传感光纤和参考光纤，当外界扰动作用在传感光纤上时，在3x3耦合器发生干涉，并均分为相位相差120
°
的三束光，由三个独立光电探测器分别接收光信号并转换为电压信号，采集卡将3路电信号同时进行采集。
81.步骤s20，在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列；
82.在确定电压信号是否为入侵信号时，对电压信号的时域特点进行分析。可以理解的是，当光纤相位产生瞬时异动的时候，通过分析通常持续时间不到1秒。相对应的，人的瞬时行为和自然现象的瞬时效应对光纤相位的影响持续是相近的。但是，从人体力学的角度分析，人的瞬时行为是在一定适用范围内的。如人平均一分钟正常行走60～80步。按100米的距离进行奔跑分析，人的步伐为60步左右，奔跑时间为12秒左右。1秒钟内人的出拳次数在5次左右。从最短受力时间来说，人的行为是有趋势的，受限于身体各部分肌肉与骨骼的力学特性，这一切都无法超出肢体动作的速度和频率的能力限度。所以，人对光纤作用的影响从力量速度而言，取决于动作的方向和动作轨迹；从频率而言，取决于动作的部位和方式。人的行为通常是一连串动作，从整体上分析，自然环境的干扰也可能是不连续，间断的一连串干扰。动物的干扰也因符合肌肉与骨骼的力学特性属于一段范围内的速度与频率。从力学角度上分析，要持续保持受力，就必须持续有力做功。而持续做功的典型为机器振动，异常的自然环境。所以从时域上分析，用于实现光纤周界安防的时间分析上限可以为10s。同时从工程实践的领域分析，一个预警系统需要在最短时间内区分触发的事件。充分考虑工程中人行为的特性，大致将单个时域分析信号包划为0.1～1s。即，在本实施例中通过光纤传感器获取每一0.1～1s的电压信号，对每一秒的电压信号进行分析。
83.可选地，在获取到电压信号后，将所述电压信号进行解调，得到电压幅值与时间变化相关的信号，进而将所述信号执行高通滤波操作，得到目标信号y(t)，获取所述目标信号的波峰数量、波谷数量、以及电压幅值，根据所述波峰数量、波谷数量、以及电压幅值与预设值进行比对，根据比对结果确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列。
84.在本实施例中预设值为波峰数量、波谷数量、以及电压幅值对应的比对值中的任意一个或多个。例如，在波峰数量、波谷数量、以及电压幅值后，确定波峰数量达到波峰预设值时，即可确定当前的电压信号为入侵信号。在本实施例中，通过对电压信号进行解调，进而根据电压信号的特征信息，确定电压信号是否为入侵信号，实现了准确确定当前采集到的电压信号是否为入侵信号。
85.可选地，在本实施例中，预设值包括波峰预设值、波谷预设值、以及电压幅值预设值在确定所述波峰数量大于所述波峰预设值、以及所述波谷数量大于所述波谷预设值、以及所述电压幅值大于电压预设值时，确定所述电压信号为所述入侵信号。在本实施例中，通过对电压信号的每一特征信息与预设特征值进行比对，进而确定电压信号是否为入侵信号，提高了确定入侵信号的准确信。
86.在本实施例中，将确定为入侵信号的电压信号写入队列，其中，队列为先进先出队
列，实现了按照时间顺序将电压信号进行存储。
87.可选地，在本实施例中，在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列的同时，还记录电压信号对应的入侵时间，并以列表的形式显示所述入侵时间，保存所述电压信号。以提供分析数据。
88.步骤s30，控制所述电压信号执行出队操作，并读取所述电压信号，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征；
89.在本实施例中，根据指针的位置确定当前读取的电压信号。在指针指到所述电压信号所在的位置时，即将所述电压信号执行出队操作，以读取所述电压信号，并分解电压信号，得到电压信号的分类特征。
90.所述分类特征包括：峭度、能量以及过量率等特征。可选地，在本实施例中，在读取所述电压信号后，将所述电压信号执行变分模态分解操作，得到所述电压信号的窄带分量，其中，所述窄带分量存在多个，通过线程结构获取每一所述窄带分量的峭度、能量以及过量率。
91.可选地，在本实施例中，入侵信号出队列后，对入侵信号进行参数k＝4，α＝200的变分模态分解，其中，k为模态个数，α为二次惩罚因子，以将非平稳、包含复杂频率成分的入侵信号进行自适应频率剖分获得4个窄带分量。利用三线程结构同时计算得到每个窄带分量的峭度、能量以及过量率等分类特征。其中，其中峭度、过零率为时域特征和能量为频域特征。
92.步骤s40，将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类。
93.在本实施例中，入侵信号的种类包括，例如行走、敲击等。
94.在本实施例中将每一所述窄带分量的所述峭度、能量、过零率输入预设分类器的输入层，根据所述预设分类器的输出层确定所述电压信号的种类，实现了快速确定电压信号的种类。
95.参照图4，图4为本技术的发明构思示意图。
96.在本实施例中，第一个循环主要入侵信号的获取以及入队列。获取当前采集到的电压信号，通过波峰、波谷检测确定电压信号是否为入侵信号。在确定不是入侵信号时，则重新获取daq采集的电压信号；在确定电压信号为入侵信号时，将电压信号写入队列，完成第一个循环。在第二个循环中，按照入侵信号进入队列的顺序，读取电压信号。在队列中读取电压信号，分解电压信号得到电压信号的分类特征，并将分类特征输入预设分类器，根据预设分类器的输出结果确定电压信号的种类。通过对确认为入侵信号的电压信号写入队列，避免了在分析的过程中需要对所有的电压信号进行分析，提高了电压信号分类的速度，进而根据队列的先进先出原则，实现了对队列中的每一电压信号进行分析，进而按照时间顺序依次得到入侵信号的类别，提高对入侵信号分类的实时性。
97.基于上一实施例，本技术提出又一实施例，所述将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类的步骤之前，包括：
98.步骤s01，获取训练数据，将所述训练数据输入初始分类器的输入层；
99.步骤s02，根据所述训练数据的标记结果以及所述初始分类器的输出结果调整所述初始分类器中各网络层的参数；
100.步骤s03，在所述输出结果与所述标记结果的误差在预设阈值时，确定得到所述预设分类器。
101.在本实施例中，初始分类器可为svm分类器。
102.可以理解的是，在初始阶段分类器不具备对数据进行分类功能，由此，在本实施例中，首先通过已标记的训练数据训练初始分类器。
103.已标记的训练数据为分类结果已标记好的数据，将训练数据的分类特征输入初始分类器的输入层，并将初始分类器的输出层与标记结果进行比对，根据比对结果对初始分类器中的网络层的参数进行反向纠正，直至误差在预设阈值时，确定得到预设分类器。
104.可选地，在本实施例中，在确定当前的电压信号为种类后，可通过工作人员确定预设分类器分类正确后，将当前电压信号的分类特征以及分类结果作为训练数据，增大预设分类器的训练数据，提供预设分类器确定电压信号入侵类别的准确性。
105.在本实施例中通过训练数据训练得到预设分类器，提高了确定入侵信号种类的速度。
106.此外，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种入侵信号的分类系统，所述入侵信号的分类系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的入侵信号的分类程序，所述分类程序由matlab和labview两种语言在labview平台协同开发，所述入侵信号的分类程序被所述处理器执行时实现如上中任一项所述的入侵信号的分类方法的步骤。
107.此外，参照图5，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种入侵信号的分类装置，所述入侵信号的分类装置包括：
108.获取模块10，用于获取当前采集到的电压信号；
109.确定模块20，用于在确定所述电压信号为入侵信号时，将所述电压信号写入队列；
110.分解模块30，用于在所述队列中读取到所述电压信号时，分解所述电压信号得到所述电压信号的分类特征；
111.输入模块40，用于将所述分类特征输入预设分类器，根据所述预设分类器的输出结果确定所述电压信号的种类。
112.此外，为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有入侵信号的分类程序，所述入侵信号的分类程序被处理器执行时实现如上中任一项所述的入侵信号的分类方法的步骤。
113.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
114.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实
现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
115.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
116.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
117.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本技术可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词目标、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
118.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
119.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。