CN101261759A - 检测人类入侵者的传感器和安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测人类入侵者的传感器和安全系统。一种用于检测安全装置中是否存在人类入侵者的双模态传感器，包括用于获取扰动的震动特征的震动传感器，还包括用于获取扰动的声学特征的有源声传感器。系统处理器电连接到震动传感器和有源声传感器来接收和处理震动和声学特征，并当确定该扰动是来自与人类入侵者时产生警报信号。还包括用于传送警报信号的天线和/或电路连接。双模态传感器布置在与安全装置的表面相接触而构造的传感器外壳里。传感器可以包括电池或者其它用于提供电源的装置。

Description

检测人类入侵者的传感器和安全系统

技术领域

[0001]本发明涉及对人类入侵者的检测。更具体地，这里所描述和要求保护的发明涉及一种当在安全装置，周界，边境检测到的活动是人类活动时，可以以高正确概率精确地进行辨别的双模态传感器。

背景技术

[0002]在周界，边境和建筑安全应用中，希望以高的正确检测概率和低的误检概率去检测入侵者。在任何安全应用程序中，错误警报是令人麻烦的，在重要安全应用程序中更加如此。重要安全应用程序需要通过安全防护装置或者治安人员对任何检测到的推定为人类的侵扰来进行响应和/或调查。当检测错误时，私人警卫或者当地警察仍然必须进行调查来核实错误。必须准备和传达错误警报的汇报。根据人员响应时间，汇报的准备和传达给当地政府和房屋的所有者或管理者，整个错误警报的操作从调查到汇报可能非常昂贵。有时更重要的是，错误检测和错误传送人类入侵者而产生的错误警报可能降低安全系统中客户的信任度，或者与产生的错误警报有联系的安全系统人员。

[0003]当安全边界被突破时，传统的人类入侵者传感装置和系统可以使用各种已知的传感器技术来进行检测。传感器技术包括无源红外线(PIR)检测器，微波检测器，震动检波器，超声波和其它人体运动检测器和系统。这些传感器检测人体运动，但是也容易受影响以至于错误识别非人类运动，并且错误地将非人类运动源认为是人类。当动物突破安全边界并错误地被检测并报告为人类入侵者时，错误警报会频繁地响起。就此而言，数据统计显示通过传统基于运动的周界和边境治安防卫系统产生的大多数入侵者检测都是动物运动/入侵的结果，而不是人类。随之而来的是大多数显示人类入侵的警报都是错误警报(假正(false positive))。

[0004]因此，需要一种新型的传感器和使用该传感器的安全系统，其能够检测或者区别人类特性而不仅仅是运动以精确地限定(qualify)检测。通过以运动源检测人类特性，这样的新颖类型的传感器可以更好地以较少的错误警报来辨别该源是人类的还是非人类的。优选地，这样的新型传感器和系统可以是便宜的，电池操作的，并且不需要人为辅助来在人类侵扰和非人类侵扰之间进行辨别。

发明内容

[0005]为此，这里描述和阐述的本发明包括双模态传感器，和利用双模态传感器的安全系统。本发明的双模态传感器在周界，边境和建筑安全应用程序中，以非常低的错误报警报告概率精确地检测和辨别真正的人类入侵。双模态传感器不仅仅对检测到的运动进行操作，还设法将检测到的运动与已知的人类步法特性相关联。使用如人类步法这样的人类特性适合地核实检测到的运动源是真正的人类或可能是非人类，明显地将双模态传感器操作区别于传统的运动传感器和安全系统。本发明的双模态传感器包括两个独立的传感模态，来自于其的数据被合并在一起并被处理。将双信号信息合并和/或相关联允许处理核实除了震动和速度数据外还存在人类步法特性。如果通过其它侵扰特征(signature)核实步法特性，则该源是人类的概率非常高，并且人类检测是假正的概率非常低。结合在双模态传感器里的两个传感模态分别是：(1)震动脚步检测传感器和(2)有源声速轮廓传感器。

[0006]在一个实施例中，本发明包含包括命令中心和至少一个双模态传感器的安全系统，和将命令中心电连接到该至少一个双模态传感器的基于传输线的或无线系统通信装置。双模态传感器包括检测震动干扰(如人的脚步)并获取检测到的扰动的震动特征的震动传感器，和有源声传感器。在检测震动侵扰时由震动传感器响应地激活有源声传感器以获得表示扰动的声学特征。双模态传感器可以包括微处理器或者微控制器以对震动传感器和声传感器数据执行合并和/或相关联操作。可替换地，或者另外地，安全系统可以包括电连接到震动传感器和有源声传感器的系统处理器用于处理从那里接收的数据。处理接收到的数据以使两个源相关联并核实在处理的数据中是否存在人类步法的特性。优选地，双模态传感器包括被设置成与安全装置的表面接触并将震动传感器和有源声传感器容纳于其中的传感器外壳。

附图说明

[0007]参照附图，由下面对本发明的实施例的详细描述将更好地理解前述和其它目的、方面和优点，其中：

[0008]图1是使用地震检波器随时间测量的步行者(人类步法)的震动特征曲线；

[0009]图2是步行者(人类步法)随时间的速度轮廓图；

[0010]图3是步行者的表示，其上叠加了当男子走向有源声传感器时其躯干，上肢和脚的速度向量；

[0011]图4是产生图1的震动特征曲线的步行者的频谱或速度轮廓；

[0012]图5是图1的震动脚步特征与和图4的有源声速轮廓或频谱的组合曲线；

[0013]图6是本发明的双模态侵扰传感器的一个实施例；

[0014]图7示出了本发明的双模态传感器的另一个实施例；

[0015]图8是强调本发明的双模态传感器的发明的传感操作的一种模式的示意性方块图；以及

[0016]图9是包括本发明的至少一个双模态传感器的安全系统的系统方块图。

具体实施方式

[0017]本发明的双模态传感器及其操作将在这里结合附图进行描述，以传达广泛的发明概念。具体地，这里的附图和描述不打算限制本发明的范围和精神，或者以任何方式限制所要求保护的发明。

[0018]图1示出了由传统震动传感器或者震动换能器得到的步行者(即人类步法)的震动特征曲线。震动传感器耦合到地或者其它固体表面以检测例如由动物或人类脚步在该表面上产生的震动扰动。已知步行者的脚以通常在大约每分钟80步到120步的范围内的速率撞击步行面(例如地)。每一脚对步行面的撞击产生由撞击点的脚步沿所有方向传播开的震动波。传统的震动传感器在波经过震动传感器位置时检测由每一个脚步产生的震动波或者扰动。震动传感器经历脉冲激励，其产生与检测到的震动能量的量相关联的电信号。脚步序列产生脉冲激励序列，其产生可测量的电信号。

[0019]图1中示出的特殊信号是响应于男子在地震检波器附近走动由地震震动传感器(地震检波器)产生的。曲线限于在时间坐标(横坐标)上1.5秒到4.8秒之间测量的六个(6)容易被检测到的震动脉冲激励或者从六个(6)脚步进行的检测。这样的地震检波器的典型尺寸大约为2厘米高且直径为2厘米。该地震检波器可以通过传统的固定装置，如被固定到或包括传感器外壳的道钉(spike)，被耦合到地或者其它表面来进行监测。道钉保持地震检波器的与表面的震动耦合接触。尽管优选地震检波器作为设想的用于本发明的双模态传感器的震动传感器，然而本发明并不限于使用地震检波器作为其震动传感装置。本发明的双模态传感器可以包括本领域技术人员已知的任何使双模态传感器以这里所述的方式进行操作的震动传感器装置。例如，加速度计等设备，可以用于本发明中来检测震动扰动(例如人类脚步)并产生扰动的震动信号。

[0020]图1所示出的随时间的震动信号有两个特性，该两个特性指示产生信号的扰动源是否是人类脚步。第一特性是在时间上的脉冲信号间隔相对均匀，表示正常的走动模式。第二特性是对应于上面提到的人类步行的典型范围，以大约每分钟91步测量脚步间隔。所述特性可以通过嵌入到传感器中的微控制器或处理器实时地从震动信号中提取出来。具有这种处理能力的诸如地震检波器的震动传感器可有效地对震动信号信息进行分析以更好地从非人类震动扰动中检测人类扰动，例如绊网震动传感器。基于绊网的震动传感器将在检测到任何震动瞬时现象时产生简单的检测信号。

[0021]但是，即使是更精密的地震检波器，正如之前描述的，也可能由于错误的将非人类震动扰动源识别为人类，而误导发布错误的警报。这种可能误导传统的地震检波器等的震动传感器的非人类震动能量产生器的实例包括在远处的一连串爆炸，行使的火车，建筑工程周期性的重击，奔跑或者行走的动物等等。为了避免这样的过失或假正检测，本发明的双模态传感器不仅包括震动传感模态，还包括第二传感模态来确定震动扰动源的速度和步法。也就是说，双模态传感器不仅仅要评估震动扰动，还要评估震动扰动源是否显示了与震动脚步瞬时现象相关联的人类运动速度特性。

[0022]下面描述支持本发明的双模态传感器的操作的物理原则(physicalprinciple)。直立行走的男子或女子显现出相对均匀的并且接近他/她的行走速度的躯干前进速度。但是，行走的腿经历了一速度范围。也就是说，当头和臀随着躯干速度而移动时，随着每一步(脚步)，脚从零速度变为最大速度，再回到零速度。最大行走足速度大约为平均躯干速度的2.5倍。在腿上某个点，例如在大约髋关节和脚中间的膝盖处的速度，是介于脚的速度和躯干速度之间。平均行走速度和不同身体部分的速度可以很容易的通过观察行走者的视频，或者通过声传感器等设备来辨别。

[0023]图2描述了由一个或多个男子行走者视频辨别出的速度信号曲线图；该速度信号是由男子的躯干，右足和左足(速度)得出的。该速度信号指示男子以大约2米每秒的速度(在躯干处)行走，显示出峰值脚速度约为5米每秒，以及脚步速率约为120步每分钟。对速度曲线图的观察确定了在90到120步每分钟的范围内行走需要双足短暂地处于零(0)速度，当双足都在地上时。也可以使用有源声传感器以图3图示中描述的以行走男子详细示出的配置来得到图2所示的速度信号。

[0024]也就是说，图3为走向有源声传感器的男子的描述或表示，通过该有源声传感器可以获得图2中的速度信号。图3的表示示出了来自于有源声传感器(在本实例中为超声换能器)到男子身体的声学信号束，并且用箭头标识出男子的脚，上肢和髋关节(其正以躯干速度移动)的速度。当处于发射模式时，声传感器发射超声波束，该波束的频率(f_t)是固定的。一部分声能(超声波束的)从男子的躯干，上肢和脚反射回到传感器。被反射的声能由工作在接收模式下的有源声传感器接收或获取。由于多普勒效应，接收到的声能的频率成分与发射的声能的固定频率(f_t)是不同的。这些偏移的频率成分携带了关于行走者的速度特性的信息。

[0025]多普勒频率可以使用离散傅里叶变换(DFT)由接收的/反射的声信号获得。在计算机或者微处理器中使用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现DFT。一旦可从计算机或者微处理器得到DFT，DFT幅度对频率的曲线就容易转变为DFT幅度对速度的曲线。DFT速度横坐标的值用以下公式由DFT频率横坐标值计算得到：

v_DFT＝(f_DFT/f_t-1)v_sound/2，

其中v_DFT是男子行走步法的速度分量，或是在一身体部位检测到的速度，f_DFT是由于多普勒效应由一身体部位偏移的频率，f_t是超声发射机(发射的信号)的频率，v_sound是声音在空气中的速度或速率。

[0026]图4是其脚步产生图1的震动特征曲线的行走男子的速度轮廓的频谱图。可以利用与图3所示类似的有源声传感器配置来获取所示的数据，其中男子被表示为走向该有源声传感器。图4的速度频谱包括堆叠在一起的很多个DFT曲线，其中每一堆叠表示在行走过程中的不同的时间点。每一DFT由垂直切片(vertical slice)表示，其中用颜色编码DFT幅度的对数值(log value)。在色标(频谱右侧的纵轴)上的差10对应于幅度差上的10倍。图4的曲线描述了男子的大约7个定义明确的脚步，其中在时间t＝5秒(横坐标)时的第8步没有被明确定义，因为在行走(朝向传感器)第5秒时男子的位置几乎在传感器之上。

[0027]在基于对视频的检查绘制的图2的速度轮廓图和由有源声传感器测量得到的图4的速度频谱或轮廓图之间，读者应容易地分辨出两者的相似处。然而，即使单独起作用的有源声传感器也会产生错误警报，即错误地识别非人类的速度为是由行走的或奔跑的人得到的。比如，读者应当考虑一种假设情况，其中只检测到图4中描述的第1，第3和第4个脚步。该假设包括假定行动者距离有源声传感器远，而且不是直接向有源声传感器移动。穿越有源声传感器的视场的三只奔跑的狗，三只奔跑的鹿等也可能产生这种声学频谱或者声学特征。

[0028]图1-4一起证明震动脚步检测器和有源声学步法检测器在单独作用时，都容易错误的将非人类震动扰动和非人类运动识别为人类的。这些错误的检测增加了上面提到的错误警报。本发明的双模态传感器通过结合由每一获得的数据并进行关联操作来核实存在人类步法特性，克服了所述现有技术传感器及其检测操作的缺点。也就是说，将震动数据和声学数据进行合并或者关联，并只有在当合并的数据指示与震动干扰相关联的人类步法时才发出人类入侵者检测警报。

[0029]图5表示了如在图1中所看到的行走男子的震动脚步特征(这里没有按比例绘制)和图4中的声学速度特征或频谱的组合曲线。双模态传感器利用震动信息和声学信息来试图将震动数据和声学数据与人类步法特性相关联。更具体地，图5示出了当声学信号(得自有源声传感器部分)处于局部最小值时，得自双模态传感器的震动传感器部分的震动瞬时现象出现在有源声学峰值之间。这是由于在当脚撞击行走表面时的时刻脚的速度是零的事实。震动信号的波峰值与速度信号的波谷值之间的相关性有力的表明信号是由行走的人产生的。也就是说，在存在通过处理合并的震动和速度特征发现的人类步法特性的相关性时，简单的推论支持震动瞬时现象不可能是由远方一连串的爆炸，或者有节奏的锤打等产生的结论。这种震动扰动源不能够解释在速度最小值或者波谷的有源声学信号。可以进一步假设三只以一定速度移动的狗不会产生该声学特征，因为它无法解释震动瞬时现象的时序。因此，将所获取的震动特征和声学特征(图5)相关联以很高的概率证实了是不是行走的人产生的该震动扰动。

[0030]图6示出了被布置在外壳105中的本发明的双模态传感器100的一个实施例。外壳105的外形尺寸大约为5cmx5cmx8cm。读者和技术人员应该认识到描述的外壳尺寸只作为示例性目的，并不用于以任何方式限制传感器或者外壳尺寸。双模态传感器100包括地震检波器110，有源声换能器120，带有A/D转换器来获取和处理传感器信号的处理器130，用于给安全命令中心(在图9实施例中所示的)发送警报信号和/或入侵者信息的发射器135和天线140。还包括用于将双模态传感器耦合到地或者其它表面的地道钉150，和电池160。为了室内操作，还可包括一些不同于地道钉150的装置用于将双模态传感器固定到室内表面，例如胶布。尽管电池操作是优选的，但是该设计的变型可以包括电源接线器，和例如DC电源，用于允许独立的双模态传感器的硬接线的AC操作。

[0031]图7示出了双模态传感器100’的替换实施例。在图7的实施例中，传感器100’包括由多个位于传感器外壳105’的外围周围的有源声传感器120’构成的有源声换能器阵列125。在有源声传感器120’的位置如所示的情况下，在激活时，双模态传感器100’可以选出(poll)比如图6实施例所示的单个向前测验的有源换能器120所覆盖的区域更大的区域。双模态传感器外壳105’可以包括多种形状，其允许各个换能器或者声传感器120’能够发射和接收。优选地，将传感器120’布置成以垂直于换能器120’的表面法线的角度方向进行检测。微控制器或者微处理器控制图7实施例的内部操作，包括控制换能器操作，即发送和接收。

[0032]图8是功能块图，其重点描述了如图6的设备100的本发明的双模态传感器的操作。应该提及的是，对于大多数操作，双模态传感器100花费大部分操作时间在半停止状态(semi-inactive state)，等待检测震动侵扰触发。为了这样做，传感器连续地获取和采样震动信号数据，并将采样的震动信号数据与阈值信号水平比较。因为地震检波器传感器是无源传感器，因此在被用数字方式实施时可以以约1mW的功率在所示实施例中执行所述操作，并且如果以模拟电路实施时可以以更少的功率执行所述操作。图8的功能块图的左侧示出了震动触发功能的操作。也就是说，在表示传感和采样震动信号步骤的块810处操作开始。块或菱形820表示将传感到的震动信号的幅度与已知阈值进行比较。如果传感到的信号没有超过阈值，则重复由块810表示的步骤，等等，直到发现传感到的信号超过震动阈值为止。

[0033]当通过块820的步骤在合适的范围内检测到震动扰动时(超过阈值)，如块830所示，双模态传感器激活有源声传感器。当被激活时，声传感器获取震动侵扰源的声学轮廓图。与触发的有源声传感器操作基本同时地，声传感器保持采样震动事件以获取震动数据来形成震动特征，如块850所示。足够用于本发明的操作的获取震动和声学特征的持续时间大约为五(5)秒钟。但是本发明的操作不限于五(5)秒钟的数据获取周期，而是可以在长于五(5)秒钟或者短于五(5)秒钟内获取数据，取决于声学和震动数据特性。块840和860表示分别处理声学和震动特征的步骤。在处理之后，在块870表示的步骤中合并或者组合所述特征。块或菱形880表示这样的步骤，其中分析合并的特征信息用于震动数据和速度数据之间的相关性以确定其是否反映人类特性，比如人类步法。

[0034]如果经过大于预定数目的步骤，例如三(3)步或者更多步骤后发现了相关性，则发出人类入侵者警报，并将其传送给命令中心，如块890所示。在生成的警报信号或讯息内包含的警报信息可以包括与其附着的正确检测的概率的数值估计。这种操作使得安全命令中心可以确定是否和如何响应警报信息。如果没有发现相关性，则不产生警报并且处理在块810重新开始。

[0035]图9是本发明的安全系统900的示意性方块图。安全系统900被示为包括三个双模态传感器100a，100b和100c。传感器100a和100c通过天线920(无线)与命令中心900通信，并且传感器100b通过端口930和传输线940(硬连线的)与命令中心通信。无线通信可以依据任何标准来实现。命令中心910内的处理器950处理从双模态传感器接收的信号。那些信号可以包括所示的三个双模态传感器中的任何一个内产生的警报信号，或者可以包括声学和震动特征信号。因此，处理器和命令中心进行处理以使用所述特征，三角测量等来确定震动扰动是否是人类引起的。可以通过任何本领域技术人员已知的方法或者结构产生警报。

[0036]尽管已经对本发明的几个实例进行了说明和描述，但是本领域技术人员应该理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例作出改变，本发明的范围被限定在权利要求及其等效物中。

Claims (25)

1.一种用于检测到安全装置的人类入侵者的双模态传感器，包括：

用于检测和测量震动扰动的震动传感器；

有源声传感器，用于获取与检测到的震动扰动相关的声学特征；以及

处理器，用于处理和使测量到的震动扰动和有源声学特征相关联以证实其中存在人类特性，以及用于在证实所述人类特性存在时产生人类入侵者警报信号。

2.如权利要求1所述的双模态传感器，其中当震动传感器确定检测到的震动扰动达到震动阈值水平时，震动传感器允许有源声传感器获取声学特征。

3.如权利要求2所述的双模态传感器，其中震动传感器在其确定震动扰动达到震动阈值水平时产生震动触发信号。

4.如权利要求3所述的双模态传感器，其中由震动触发信号激活有源声传感器。

5.如权利要求3所述的双模态传感器，其中响应于震动触发信号在固定的时间周期对测量到的震动扰动和声学特征进行测量。

6.如权利要求3所述的双模态传感器，其中处理器能够依据下述之一产生触发信号以获取与测量到的震动扰动相关的声学特征：周期性地、响应于在双模态传感器接收到的控制信号、和响应于不确定的处理结果。

7.如权利要求1所述的双模态传感器，进一步包括被设置成与包括安全装置的表面相接触的传感器外壳，该外壳容纳震动传感器，有源声传感器和处理器。

8.如权利要求7所述的双模态传感器，其中该外壳包括用于耦合到表面的道钉。

9.如权利要求1所述的双模态传感器，进一步包括电源。

10.如权利要求9所述的双模态传感器，其中所述电源是电池。

11.如权利要求7所述的双模态传感器，其中有源声传感器包括超声换能器阵列，所述超声换能器阵列被设置用于在超出单个有源声传感器能够覆盖的场的场内获取声学特征数据。

12.如权利要求1所述的双模态传感器，进一步包括用于传送人类入侵者警报信号的发射器。

13.如权利要求12所述的双模态传感器，进一步包括用于发送和接收信号的天线。

14.如权利要求13所述的双模态传感器，其中所述天线发送测量的震动扰动数据和声学特征。

15.如权利要求13所述的双模态传感器，其中所述天线发送人类入侵者警报信号。

16.如权利要求1所述的双模态传感器，其中有源声传感器是压电式换能器。

17.如权利要求12所述的双模态传感器，其中震动传感器是地震检波器。

18.一种用于保护安全装置的安全系统，包含：

包括命令中心处理器的命令中心；

与命令中心通信的至少一个双模态传感器，用于检测人类入侵者在安全装置内的存在，所述至少一个双模态传感器包括：

震动传感器，用于检测和测量震动扰动；

有源声传感器，用于获取检测到的震动扰动的声学特征；以及

传感器处理器，用于处理和使测量的震动扰动和声学特征相关联并且如果由所述处理发现表示人类步法的相关性则产生警报信号；以及

用于与所述至少一个双模态传感器通信的装置。

19.如权利要求18所述的安全系统，其中该至少一个双模态传感器包括被设置成与包括所述安全装置的表面相接触的传感器外壳，并且该外壳容纳震动传感器，有源声传感器和传感器处理器。

20.如权利要求18所述的安全系统，其中如果震动传感器确定震动扰动超过了预定的震动阈值则该震动传感器产生触发信号。

21.如权利要求18所述的安全系统，其中双模态传感器包括天线。

22.如权利要求21所述的安全系统，其中传感器处理器在确定扰动是人类产生的时将警报信号传送到命令中心。

23.如权利要求21所述的安全系统，其中该至少一个双模态传感器将测量的震动扰动和声学特征传送到命令中心进行处理以识别人类步法的标志。

24.如权利要求18所述的安全系统，其中将在命令中心和该至少一个双模态传感器之间进行交换的所有信号进行加密。

25.如权利要求20所述的安全系统，其中触发信号激活有源声传感器以获取声学数据。

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