引用本文:
彭广建,王宇,程安文,等. 基于改进变分模态分解的光纤周界安防入侵识别研究[J]. 光通信技术,2026,50(2):7-11.
彭广建1,3,王 宇1,3,程安文1,3,白 清1,王鹏飞2,刘 昕1,2,靳宝全1,2*
(1.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室,太原 030024; 2. 太原理工大学 电子信息工程学院,太原030024;3. 太原理工大学 物理与光电工程学院,太原030024)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了满足周界安防领域精准识别入侵事件的需求,设计了一种基于双马赫-曾德尔干涉的光纤振动传感系统。采用灰狼优化算法改进变分模态分解,自动优化模态分量数与惩罚因子,对踩踏、敲击、攀爬3种入侵事件的连续扰动信号进行本征模态函数提取与峭度特征分析,并结合支持向量机实现事件分类识别。实验结果表明:在2.05 km传感光纤上,踩踏与敲击事件的峭度均值在第三层最大,攀爬事件在第五层最大;3类事件的平均识别率分别达到97.2%、98.6%和97.9%,验证了该方法在光纤周界安防入侵识别中的有效性与实用性。
关键词:光纤传感;周界安防;双马赫-曾德尔干涉;变分模态分解
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2026)02-0007-05
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2026.02.002
本文主要探讨了利用双马赫-曾德尔干涉(DMZI)型光纤振动传感技术和改进变分模态分解(VMD)方法来实现周界安防领域中的入侵事件精准识别。以下是对文件核心内容的分点论述:
研究背景与意义:
光纤振动传感技术优势:本质安全、铺设灵活、易于组网、抗电磁干扰、灵敏度高等,在交通运输、国防边境、能源输送、文物古迹等周界安防领域广泛应用。
DMZI型光纤振动传感技术:结构简单、成本低廉,事件监测精度高,成为全光纤周界安防领域的重要研究方向。
外界入侵扰动事件精准识别的需求:是干涉型光纤振动传感系统研究的热点。
研究现状与挑战:
现有方法概述:包括小波变换、傅里叶变换、经验模态分解等时频信号分析技术,以及基于这些技术的多种入侵事件识别方法。
现有方法的局限性:如信息丢失、模态混叠、计算复杂度高、对噪声敏感、数据量依赖性强等问题。
研究方法与创新:
设计DMZI型光纤振动传感系统:用于采集入侵事件的原始连续扰动信号。
改进VMD方法:引入灰狼优化(GWO)算法自动优化模态分量数与惩罚因子,解决普通VMD参数选择问题。
特征提取与分类:通过改进VMD提取本征模态函数(IMF)分量的峭度特征,结合支持向量机(SVM)实现事件分类识别。
实验设计与结果:
实验系统搭建:基于DMZI型光纤振动传感系统,施加踩踏、敲击、攀爬三类连续扰动信号。
数据采集与处理:采集360组实验数据,采样率1 MHz/s,采样时间2 s,总采样点个数2,000,000。
特征提取结果:踩踏事件峭度特征在IMF3最大,敲击事件在IMF2、IMF3与IMF4较大,攀爬事件在IMF5最大。
入侵事件识别结果:三类事件的平均识别率分别达到97.2%、98.6%和97.9%,验证了方法的有效性与实用性。
实验分析与讨论:
特征区分性:三类连续扰动信号在各IMF分量上的方差均值具有较好的区分性,尤其在IMF1和IMF2分量上差异明显。
识别性能评估:采用召回率、F值和识别准确率验证系统有效性,结果表明各类别的召回率和F值均较高,识别准确率达97%以上。
研究结论与展望:
研究成果总结:本文提出的基于改进VMD的周界安防光纤传感系统,实现了踩踏、敲击、攀爬三类连续扰动信号的精准识别。
研究意义:为光纤周界安防入侵事件识别提供了新的解决方案,具有较高的实际应用价值。
未来研究方向:可以进一步优化算法参数,提高系统在不同环境下的稳定性和鲁棒性,拓展应用场景。