CN102110337B - 超声波防盗空间预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波防盗空间预警方法。包括发射系统和接收系统，发射系统和接收系统之间由电信号同步，发射系统由信号发生器、功率放大器和发射换能器组成，接收系统由接收换能器、放大器、滤波器、采集器和信号处理机组成，采集器将接收到的模拟信号转化为数字信号并存储下来，信号处理机自动预置和检测系统响应变化。本发明可检测移动物体或物理环境空间状态的改变，利用发射信号和接收信号本身的特性，测量系统响应的变化，它不易受环境噪声干扰，可减少漏警和虚警概率，检测性能显著。该技术可以应用于汽车、保险库(柜)、警戒区域等防盗和安保场合。

Description

超声波防盗空间预警方法

技术领域

本发明涉及的是一种预警方法。具体地说是一种超声防盗空间预警方法。

背景技术

现有的超声防盗技术主要有：(1)利用声波多普勒效应探测移动物体，例如，超声波防盗报警器(自动化博览，1999，3期)；基于多普勒效应的超声波安防系统(韶关学院学报，2008，6期)；全自动超声波多普勒双控报警器(CN2061313)。然而对于此类技术，当物体移动速度较慢时，多普勒频偏较小，检测效果不理想。(2)利用接收直达声或反射声的强度变化原理来检测移动物体或空间状态的改变，例如，超声波移动物体探测器(集成电路应用，1994，5期)；超声波防盗报警器(CN2060002)；超声波空间动态报警器(CN86105300)。利用接收直达声强度的变化来检测入侵物体，类似于利用两个相对的红外线探头，然而当物体不通过两个超声探头之间时，系统就不会检测到物体。而利用反射声(包括多次反射)强度变化检测移动物体或空间状态的改变时，易受环境噪声干扰，且没有利用发射信号和接收信号本身的特性，虚警和漏警概率较高，检测性能受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种不易受环境噪声干扰，可减少漏警和虚警概率的超声波防盗空间预警方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括发射系统和接收系统，发射系统和接收系统之间由电信号同步；发射系统由信号发生器、功率放大器和发射换能器组成，接收系统由接收换能器、放大器、滤波器、采集器和信号处理机组成；采集器将接收到的模拟信号转化为数字信号并存储下来，信号处理机自动预置和检测系统响应变化；

所述自动预置包括：(1)周期性发射宽带脉冲信号，采集接收信号；(2)对每次接收到的信号进行拷贝相关处理得到系统响应并暂存；(3)设定测量次数值当超过该值次数时，将一定次数的系统响应测量结果进行平均；(4)其平均后的系统响应作为模版并存储；

完成自动预置后启动检测系统响应变化过程，所述检测系统响应变化过程包括：(1)对每次放大滤波后的接收信号数据采集；(2)进行拷贝相关处理得到系统响应；(3)以测量结果与模版差值的平方和作为测度，计算测量结果均与模版测度偏差值；(4)当量值大于设定阈值时，计数一次，并启动定时器，若在此后规定的时间段内超过一定的次数时，则检测输出有异常情况触发报警系统，若在该段时间内没有超过一定次数则重置计数器和定时器为零，并继续监视系统响应。

本发明提出了一种超声防盗空间预警技术，可检测移动物体或物理环境空间状态的改变，本发明利用发射信号和接收信号本身的特性，测量系统响应的变化，它不易受环境噪声干扰，可减少漏警和虚警概率，检测性能显著。该技术可以应用于汽车、保险库(柜)、警戒区域等防盗和安保场合。

本发明原理是将预警的物理空间区域看作为一线性系统，在该空间某处的超声声源发射宽带脉冲信号作为该线性系统的输入信号，声信号通过该空间作用后，接收点的接收信号即为在该声源激励下的系统输出信号，利用拷贝相关处理测量出线性系统的系统响应，并不断监测系统响应的变化。当有物体进入、移动或空间区域状态发生变化时，系统响应也发生变化，从而达到预警的效果。

本发明中的技术关键是：采用发射宽带脉冲信号和拷贝相关处理技术测量系统响应。其技术原理描述如下：

设发射信号为s(t)，接收信号为y(t)，预警空间作为一线性系统，其系统响应为h(t)，对应它们频域表示，即对应的Fourier变换为S(ω)，Y(ω)和H(ω)，ω为数字角频率。由线性系统理论可知，

Y(ω)＝H(ω)S(ω)        (1)

则其系统响应为

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{Y\left(\mathrm{\ω}\right)}{S\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

一般不容易利用上式计算得到系统响应H(ω)。本发明采用发射宽带信号并通过拷贝相关处理则很容易得到H(ω)。由线性系统理论可知，接收信号与发射信号的拷贝相关在频域表示为：

H_s(ω)＝Y(ω)S^*(ω)        (3)

其中H_s(ω)为接收信号与发射信号的拷贝相关的输出，*表示复共轭。

将(1)式代入(3)式有，

H_s(ω)＝H(ω)S(ω)S^*(ω)＝H(ω)|S(ω)|²    (4)

由于发射信号为s(t)为宽带信号，如线性调频信号、伪随机信号或编码信号，在很大的频带范围内(至少要远大于H(ω)的频带，这点在工程上较容易实现)信号的功率谱是恒定的常数，功率谱是平坦的，即|S(ω)|²＝c，c为常数。则有：

H_s(ω)＝cH(ω)    (5)

两侧取Fourier反变换

h_s(t)＝ch(t)    (6)

可见发射宽带信号并采用拷贝相关处理得到的输出h_s(t)与系统响应h(t)只差一个常数倍，且处理过程较容易实现。根据信号检测理论可知，在白噪声中拷贝相关处理等价于最大信噪比准则下的最优处理器，因此采用本发明能有效的抑制噪声使其较好的检测系统响应的变化，不易受环境噪声的影响，减小漏警和虚警概率，提高检测概率。

本发明中超声发射声源与接收探头可采用合置式也可分置式，分置式时可采用一个声源和一个接收，或一个声源和多个接收。发射声源和接收器指向性主瓣开角尽量大，原则是可覆盖整个空间防止出现声掩蔽区。由于发射宽带脉冲信号，所以要求发射器与接收器的工作频带宽且发射与接收之间要同步。

本发明的工作过程分为2部分，自动预置过程和检测过程。自动预置过程的作用是自动测量正常状态下物理环境空间的系统响应，并存储于存储器中作为模版。自动预置过程为：周期性发射宽带脉冲信号，对每次接收到的信号放大滤波后进行拷贝相关处理得到系统响应，设定测量次数值当超过该次数值时，则认为测量已达到稳定，将一定次数的系统响应测量结果进行平均，其平均后的系统响应作为模版，并存于存储器中用于后续的检测过程，完成以上工作后，进入检测过程。检测过程的主要作用是不断测量空间的系统响应并与模版进行比较，监测系统响应是否变化，当有物体侵入或空间环境状态改变导致系统响应变化时，则检测出有异常情况，从而达到预警的效果。具体的检测过程为：周期性发射宽带脉冲信号，对每次接收到的信号放大滤波后进行拷贝相关处理得到系统响应，采用与模版差值的平方和作为测度，每次测量结果均与模版进行比较，当测度差异的量值大于阈值时，启动计数器计数一次，并启动定时器，若在此后规定的时间段内超过一定的次数时，则检测有异常情况触发报警系统，若在该段时间内没有超过一定次数则重置计数器和定时器为零。此处综合利用计数器和定时器的目的是为了减小虚警概率。脉冲重复周期、阈值、计数器最大次数和定时器时间可根据实际工作环境进行预置和调整。

本发明的有益效果是：由于采用了宽带脉冲信号和拷贝相关处理技术，能有效的抑制噪声提高信噪比，使其较好的检测系统响应的变化，不易受环境噪声的影响，减小漏警和虚警概率，有效的起到了预警效果；由于采用脉冲发射因此功耗低。该发明技术简单，性能可靠，实现成本低，有较大的市场需求和较好的市场前景。

附图说明

图1本发明的系统组成示意图；

图2自动预置工作过程及其信号处理流程示意图；

图3检测工作过程及其信号处理流程示意图；

图4实验布置示意图(俯视)；

图5箱盖打开关闭状态测量结果比较；

图6有无物体进入测量结果比较；

图7慢速移动物体测量结果比较。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1，本发明的超声防盗预警技术系统组成包括发射系统和接收系统，两者间由电信号同步。发射系统由信号发生器、功率放大器和发射换能器组成，接收系统包括接收换能器、放大器、滤波器、采集器和信号处理机组成。采集器作用是将接收到的模拟信号转化为数字信号并存储下来，信号处理机的工作是自动预置和检测系统响应变化，其工作过程及其信号处理流程如图2、图3所示。自动预置信号处理流程是：(1)周期性发射宽带脉冲信号，采集接收信号；(2)对每次接收到的信号进行拷贝相关处理得到系统响应并暂存；(3)设定测量次数值当超过该值次数时，将一定次数的系统响应测量结果进行平均；(4)其平均后的系统响应作为模版并存储。完成自动预置后启动检测过程：(1)对每次放大滤波后的接收信号数据采集；(2)进行拷贝相关处理得到系统响应；(3)以测量结果与模版差值的平方和作为测度，计算测量结果均与模版测度偏差值；(4)当量值大于设定阈值时，计数一次，并启动定时器，若在此后规定的时间段内超过一定的次数时，则检测输出有异常情况触发报警系统，若在该段时间内没有超过一定次数则重置计数器和定时器为零，并继续监视系统响应。

为了验证该预警技术的可行性和有效性，基于以上系统进行了如下实验，实验布置如图4所示。在本次实验中发射信号为线性调频信号，频带宽度3kHz，脉冲宽度0.1s，脉冲间隔2s，为了实验方便信号处理机的任务由计算机完成，这并不影响本发明的技术原理和效果，当然信号处理机可由DSP或单片机等器件构成实时系统。为了突出本发明的技术关键，即采用发射宽带脉冲信号和拷贝相关处理技术测量系统响应，着重研究比较了不同情况下的系统响应，进行了3个对比实验。

实验1：改变空间状态。首先测量出正常情况下预警空间的系统响应，即箱盖关闭的情况，测量了5次，取其平均作为模版，然后打开箱盖测量了5次。系统响应的比较如图5所示(5个样本的平均)，由图可知两种情况下，系统响应存在显著差异。

实验2：有物体进入。首先测量出正常情况下预警空间的系统响应，即箱盖关闭的情况，测量了5次，取其平均作为模版，然后放入一小圆柱物体，高11cm直径6.5cm，测量了5次，系统响应的比较如图6所示(5个样本的平均)，由图可知当有物体进入时，与正常情况的系统响应存在显著差异。

实验3：物体慢速移动。首先测量打开箱盖的系统响应作为正常情况，测量了5次，取其平均作为模版，然后放入一缓慢移动目标，该目标尺寸与小圆柱体相仿，测量10次，系统响应的比较如图7所示(1个样本)，比较可知，物体虽然缓慢移动，但系统响应仍与正常情况的系统响应存在显著差异。另外，此实验箱盖是打开的，非全封闭空间，可见该发明应用于非封闭空间也是可行且有效的。

Claims (1)

1.一种超声波防盗空间预警方法，其特征是：包括发射系统和接收系统，发射系统和接收系统之间由电信号同步，发射系统由信号发生器、功率放大器和发射换能器组成，接收系统由接收换能器、放大器、滤波器、采集器和信号处理机组成，采集器将接收到的模拟信号转化为数字信号并存储下来，信号处理机自动预置和检测系统响应变化；

所述自动预置包括：（1）周期性发射宽带脉冲信号，采集接收信号；（2）对每次接收到的信号进行拷贝相关处理得到系统响应并暂存；（3）设定测量次数值，当超过该次数值时，将一定次数的系统响应测量结果进行平均；（4）其平均后的系统响应作为模版并存储；

完成自动预置后启动检测系统响应变化过程，所述检测系统响应变化过程包括：（1）对每次放大滤波后的接收信号数据采集；（2）进行拷贝相关处理得到系统响应；（3）以测量结果与模版差值的平方和作为测度，计算测量结果与模版测度值；（4）当测度的量值大于设定阈值时，计数一次，并启动定时器，若在此后规定的时间段内超过一定的次数时，则检测输出有异常情况触发报警系统，若在该段时间内没有超过一定次数则重置计数器和定时器为零，并继续监视系统响应。

Images