一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法

本发明涉及分布式光纤传感和球类落点定位，特别是涉及一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法。

背景技术：

1、随着科学技术的日新月异，越来越多的智能设备和技术走进了人们的生活。在体育运动领域，也不乏有应用人工智能或深度学习等技术的案例。例如目前出现了“智慧运动场”的概念，有的智慧运动场通过布置摄像头、红外线等传感器，可以实现对运动场上人数的监控，并监测人员体温；还有的智慧运动场可以通过电机实现不同比赛场地的布设，并使用智能用电管理的方式来达到节能的目的。现有的智慧运动场技术大都忽略了对运动本身的关注，即球类运动中球在运动场上的落点以及运动员的位置，例如羽毛球比赛时运动员的脚步，或者乒乓球比赛中球在桌面上的落点，这些数据对于专业的比赛以及运动员具有较大的意义，可以识别球的落点位置，判别球类是否出界，或者通过统计数据帮助教练员分析球员的技战术等。

2、现有的关于球类追踪和落点定位的技术中最成熟的是网球中的“鹰眼”系统(例如文献：李文龙.鹰眼技术在高水平网球赛事中的运用研究[d].山西:山西大学,2009.doi:10.7666/d.y2682072.)，又称“即时回复系统”，其由高速摄像机、计算机和屏幕组成，“鹰眼”借助计算机将赛场的立体空间分隔成以毫米计算的测量单位，并利用高速摄像头从不同角度同时捕捉网球飞行轨迹的基本数据；再通过电脑计算，将这些数据生成三维图像；最后利用即时成像技术，由大屏幕清晰地呈现出网球的运动路线及落点。但“鹰眼”系统存在一些问题，例如由于镜头的畸变或者点扩散的影响，受光的衍射的影响等，使其产生一定误差。同时，一套“鹰眼”系统价值40万美金，价格昂贵，应用于不同球类运动如乒乓球、网球等，需重新开发新的算法，会带来较大开销费用。

3、除了利用摄像头，其他主流的落点定位技术主要是利用基于时间差的定位方法，例如通过布置若干声振传感器，由于每个振动传感器到待测点的距离不一致，使得振动信号到达振动传感器的时间有一定差值，通过分析每个振动传感器接收到振动信号的时间来对落点进行定位。由于接收信号的传感器位于场地边，其接收信号需要一定的时间，因此这种落点定位方式难以实现在多目标、高频次的情况下进行定位。而利用分布式光纤传感，通过检测并分析振动的特定频率和振幅的特定振动形式，可以实现对乒乓球、网球等多种球类运动的落点精准定位。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法。本发明通过在运动场下方布置传感光纤，检测并分析由球类撞击场地不同点位落在不同位置带来的不同的振动特性，如振动的频率、振幅等，实现对球类落点的精准定位。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法，所述方法具体为：

3、第一步：选择光纤类型，在实际监测的运动场地下方布设光纤传感器；

4、第二步：布设光纤传感器后，连接光纤传感器和光纤解调仪，所述光纤解调仪与用于仿真实验和进行落点定位的计算机相连，针对实际场地环境进行测试数据采集，采集的信号为：当球落在地面上，或者人在地面走动时所激励起的地面的振动信号，或是激励起球桌的振动信号；

5、第三步：对采集到的振动信号做傅里叶变换，得到组成振动混合模态的各阶独立模态分量，通过不同落点数据得到的各阶独立模态分量作为识别球类落点位置的特征；

6、第四步：为振动混合模态信号设计神经网络结构，将原始的振动信号与模态信号同时输入进网络中，网络分别对振动信号与模态信号做运算，在最后将二者的结果拼接在一起作为最后一层的输入；

7、第五步：将光纤解调仪解调得到的数据输入计算机经过计算分析确定振动产生的位置，从而实现对球类落点定位。

8、进一步地，所选择的光纤类型为贴片式光纤传感器，其个数为42个。

9、进一步地，采集了42个贴片式光纤传感器的数据，每个光纤传感器对应的数据长度为120点，将这些数据组合在一块变成1*42*120的单通道图片的格式，并将其作为网络的一个输入，对每一个贴片式光纤传感器的数据单独做傅里叶变换后得到另一组1*42*120的数据作为网络的另一个输入，经过4个残差连接层和一个全局平均池化层后,对每个输入提取出256*2*2的深层特征，然后将深层特征展平为1*1024，将2个输入的特征拼接在一块为1*2048，作为最后的全连接层的输入，全连接层的输出为42，对应为划分的区域的个数。

10、进一步地，当球落在运动场上不同点位时，会激发场地上不同的振动频率和不同的振幅形式，通过分析不同点位振动信息的差异性可以实现对落点的定位。

11、进一步地，所述光纤解调仪包括激光器、掺铒光纤放大器edfa、声光调制器aom、环形器、信号发生器awg、光电探测器pd和数据采集卡；激光器发出的连续光经过edfa放大后，通过aom调制成脉冲光，经过光环形器后进入传感光纤，在光纤中传播的脉冲光产生的背向瑞利散射光再次进入环形器，经过另一个edfa后将产生的电信号送入光电探测器pd，pd接收到产生的电信号后，由数据采集卡将模拟电信号转化为数字信号并通过计算机处理。

12、本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法的步骤。

13、本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法的步骤。

14、本发明所述基于分布式光纤传感器的球类落点定位方法的优点在于：

15、本发明利用了分布式光纤传感的高灵敏度以及低成本的特点，实现对各种球类在运动场上的落点精准定位，从仿真的结果得出定位区域精度能达到1mm×1mm，同时对球类落点的反应时间是0.05s，可以完成实时落点显示。

技术特征：

1.一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法，其特征在于，所述方法具体为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所选择的光纤类型为贴片式光纤传感器，其个数为42个。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采集了42个贴片式光纤传感器的数据，每个光纤传感器对应的数据长度为120点，将这些数据组合在一块变成1*42*120的单通道图片的格式，并将其作为网络的一个输入，对每一个贴片式光纤传感器的数据单独做傅里叶变换后得到另一组1*42*120的数据作为网络的另一个输入，经过4个残差连接层和一个全局平均池化层后,对每个输入提取出256*2*2的深层特征，然后将深层特征展平为1*1024，将2个输入的特征拼接在一块为1*2048，作为最后的全连接层的输入，全连接层的输出为42，对应为划分的区域的个数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当球落在运动场上不同点位时，会激发场地上不同的振动频率和不同的振幅形式，通过分析不同点位振动信息的差异性可以实现对落点的定位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤解调仪包括激光器、掺铒光纤放大器edfa、声光调制器aom、环形器、信号发生器awg、光电探测器pd和数据采集卡；激光器发出的连续光经过edfa放大后，通过aom调制成脉冲光，经过光环形器后进入传感光纤，在光纤中传播的脉冲光产生的背向瑞利散射光再次进入环形器，经过另一个edfa后将产生的电信号送入光电探测器pd，pd接收到产生的电信号后，由数据采集卡将模拟电信号转化为数字信号并通过计算机处理。

6.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提出一种基于分布式光纤传感技术的球类落点定位方法。所述方法通过在运动场下方布设传感光纤，当球落在运动场时，产生的振动信号被传感光纤检测到，在信号通过光纤解调仪解调后，利用不同位置振动信号的特定频率和特定的振幅形式等作为特征，经过计算分析确定振动产生的位置，从而实现对球类落点定位。本发明基于分布式光纤传感的高灵敏度以及低成本等特点，利用该技术实现对球类在运动场上的落点精准定位，对比赛判别球的落点位置是否出界以及针对运动员进行辅助训练和分析技战术有显著帮助。

技术研发人员：张建中,杜浩博,贾牧昕,陈龙,周哲勋,宋浩楠,柴全,刘硕,田野
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5