CN1063952A - 多维驻波防盗入侵探测器的探测法 - Google Patents

Abstract

一种新的多维驻波防盗入侵探测器的探测法，其 探测过程是首先采用双发射器向需要防盗的场所发 射一序列超声波脉冲，使之成一特殊的驻波场，然后 利用驻波场的物理效应对该警戒区进行监控探测，当 发现有人体或人体模式物步入该场区时，则将人体或 人体模式物的多维信息参量如位移量，移动量、面积、 身高、高度和时间等，探测采集，并进行相关处理，逻 辑信号分析，分析判断后输出报警。

Description

本发明属于防盗报警系统探测技术中所采用的一种新的探测方法。本方法涉及一种新的驻波场效应和探测人体或人体模式的多维参量。

目前国内外现有防盗入侵探测器普遍采用的探测方法有红外、超声、微波和红外、微波双技术等探测方法，其中红外探测的过程是在需要防盗的房间装上红外探测装置，当作案人步入该房间时，人体所产生的热幅射被红外探测装置接收，装置根据接收到的人体热幅射的一维参量值进行报警。超声探测和微波探测是在需要防盗的现场装上超声探测或微波探测装置，当现场有人体移动或物体移动时都会产生多卜勒效应，装置根据所接收到的多卜勒效应这一一维参量值进行报警。上述探测法均存在误报率高的严重问题。引起误报的原因是：因为在探测现场不仅仅是作案人的人体能产生热幅射和多卜勒效应，而现场的小动物诸如猫、老鼠、蝙蝠等活动时，也能产生热幅射和多卜勒效应，甚至于室内空气流动如吹风扇引起的物体的扰动或室外树木摆动都能导至多卜勒效应的产生，装置误将上述参量做为正常信号接收，因此发出错误报警信息。红外、微波双技术探测法，探测的是两维参量即热幅和多卜勒效应该探测法采用简单的“与”的关系，当两维参量同时存在时才能输出报警信号，否则不报警，这种方式案犯极容易躲避，容易产生漏报。

为了克服上述缺点，本发明的目的是在监测区域内创造一种驻波场，根据人体或物体在场中的空间位置、旋转、移动、位移、有效高度、面积和时间等所形成的多维信息参量，有效地对人体目标进行识别的探测方法，提高探测系统的可靠性，降低误报率。

多维驻波防盗入侵探测器的探测法，得以实现的理论依据是1.利用驻波场的物理效应。2.利用在驻波场中所探测采集到的人体信息多维参量。3.采用双发单收、相关处理、逻辑分析进行判断报警。

1.利用驻波场的物理效应，首先形成驻波场，形成手段是采用超声波序列脉冲向需要防盗范围的空间进行发射，在这一特殊超声场中由于室内不同物体的反射波和入射波的干涉，而形成了不同的信号波形如图1所示。这种波形就是该房间的驻波场状态，如果此时移动该房间的某一物体时通过对驻波的观察可发现，仅是该移动物体位置上的波腹或波节发生变化，并随移动物面积不同，波腹或波节的改变量也不同，这就是驻波场的物理效应。为了说明这一现象我们以驻波的基本理论进行验证。并参看图2。

设X轴的正方向传播的波为：

y₁＝Acos2π（ (t)/(T) - (x)/(λ) ）

其中：λ为波长

把X轴负方向传播的波写为：

y₂＝Acos2π（ (t)/(T) + (x)/(λ) ）

其合成波为：

y₁+y₂＝A〔cosπ（ (t)/(T) - (x)/(λ) ）+cosπ（ (t)/(T) + (x)/(λ) ）〕

＝（2Acos (2π)/(λ) x）cos (2π)/(T) t（1）

由上式可看出，合成以后各点都在作同周期的简谐振动，但各点的振幅为｜2Acos (2π)/(λ) x｜，即驻波的振幅与位置有关，与时间无关。振幅最大值发生在｜cos (2π)/(λ) x｜＝1的点，因此波腹位置可由 (2π)/(λ) x＝kπ（k＝0，1。2…）来决定，即：

x＝k (λ)/2 （k＝0，1，2…）（2）

这就是波腹的位置。由此可见，相邻两个波腹间的距离为：

x_K+1-x_K＝ (λ)/2 （3）

同样，振幅最小值发生在｜cos (2π)/(λ) x｜＝0的点，因此波节的位置可由： (2π)/(λ) x＝（2k+1）（k＝0，1，2…）来决定，即：

x＝（2k+1） (λ)/4 （k＝0，1，2…）（4）

这就是波节的位置，可见相邻两波节之间的距离也是 (λ)/2 。

现在考察驻波中各点位相，设在某一时刻t，cos (2π)/(T) t为正，这时，在x＝0处左右的两个波节之间，即在x＝ (λ)/4 二点之间，cos2πx/λ取正值，表示这一分段中所有各点都在平衡位置上方，在同一时刻，x＝λ/4和x＝3/4λ之间各点，cos2πx/λ取负值，可见，在驻波中，同一分段上的各点有相同的振动位相;而相邻两分段上的各点，振动位相则相反，这也就说明了，物体在某一位置移动时，只改变该位置的波腹或波节，也就是说，只有段与段之间的位相突变，而没有振动状态或位相的逐点传播，亦既没有什么“跑动”的波形，也没有什么能量传播。

那么，为什么移动物面积不同时，波腹或波节变化量也不同呢？由于本系统所形成的是一超声场，图1所示的驻波状态是由空间各物体反射与入射波干涉形成的。在图中的波腹和波节是由无数个来自不同方向的波的叠加，若将

y₁＝Acos2π（ (t)/(T) - (x)/(λ) ）做为入射波

做为反射波y₂应为y₂＝Acos2π（ (t)/(T) + (x)/(λ) ）

                                           （5）

n为反射波在某一位置的数量

                                    （6）

2A表示在某一位置不同反射波的振幅。显然反射波数量n与物体反射面s有关，且n∝s而某一位置的振幅为

即某一位置振幅的大小与反射波数量有关，也就是说与反射物面积有关。所以当不同面积的物体移动时，波腹或波节改变量也不相同。

三维驻波表现出对空间物体的定位能量，因此通过对扫描时间的定标便能确立物体的空间位置x

x＝v·t（8）

v声波在空气中的传播速度

t扫描时间

而物体的位移量

△x＝｜x₁-x₂｜（9）

x₁＝vt₁

x₂＝vt₂

通过上述分析我们可以看出，利用驻波效应做为识别移动物体的手段远优于多普勒效应。

2.利用在防盗房间或警戒区域内的驻波场中所采集到的人体目标或物体目标所产生的移动信号，位移信号，移动物面积，移动物高度和时间等多维参量，作为人体模式的识别依据。

如何能准确区分被防盗现场是人体目标移动还是其它移动物移动？现分析如下：首先分析一下人体和物体移动时通过相关处理后的波形，图3A是人体在驻波场中移动的波形，该信号波形较宽，当人体移动时，波形随着人的移动而移动，图3B是小动物移动时的波形，信号波形比人体移动时的信号波形窄得多，波形也是随着移动物的移动而移动。图3C是用电风扇模拟风在防盗的警戒区域内吹时的波形，该波形在时间轴上出现的是断断续续的窄脉冲信号。

如果设某一物体在t时刻产生移动做为一次事件发生，记为f而t到tn时间区域内连续有f发生记为一次大事件F，而把有效大事件F（有效）做为人体模拟信号，那么，F_（有效）的允许条件则是该系统的辩别准则。

我们清楚的知道，人或其它动物在走动时，其位移轨迹应是一连续而无间断的曲线，而其它干拢（室内空气流动，窗外树木或其它小物体的摆动等）相对一个大事件下来讲，应是离散不规则的。

显然F_（有效）的必要条件应是“有f发生且f在t₀～t_n时间区内连续无间断。

通过图3B中的波形还看到，小动物所产生的每一事件f，其信号波形比人体信号波形窄的多，如果以此做为人与小动物的区分条件;那么，F_（有效）的充分条件应是“每一事件f发生时的脉冲“宽度”。

由此我们可得出结论：

只要设定信号宽度S_W，大事件扫描时间t₀间断时间t_d位移量X（X是每一有效大事件的连续积累）。就能较准确地对人体移动信号进行识别

3.采用双发射器发射信号脉冲和采用单接收及相关处理，逻辑分析技术提高探测弱信号的辩别能力，提高报警的可靠性。由于空间物体反射波是很微弱的，根据声压随传播距离x的变化的关系式P＝P₀e^2x式中p₀为距声源为0处的声压，P为距声源为x时的声压，2为衰减系数，x为离声源距离。

可以看出，在远场区形成的驻波是很弱的，约在几十微伏，这样弱的信号，单提高放大器的放大倍数是不易解决的，因为放大器增益越高，噪声干扰的抑制也就越困难，通过公式可以看出，如果提高发射声压等级，也就提高了信号强度。由于国内40KHz的超声换能器，声压等级都较小。我们便采用了两个发射器，即双发单收技术，使声压p₀提高把警戒区域最远处的信号提高从而提高了系统的可靠性。

相关处理主要是将探测提取的空间物体变化的多维信息量采用雷达中相关接收信息处理技术进行相关处理，处理后通过逻辑分析识别出移动物的变化情况进行判断报警。

信号分析流程图如：

信号流程图5所示。

本发明的优点是：利用驻波效应这一新的物理概念建立了空间场，准确而有效的捕捉作案人在盗窃现场作案过程中的多维信息参量，从而提高报警判断的可靠性。不仅仅可以判断人体而类似于人体大小的物体在驻波场中移动时仍然可以探测称之为人体模式的判断探测，与此同时则排除诸如空气流动、小动物移动及室外干扰等错误信息，大大降低了误报率，提高报警的置信度。在警戒区现场由于超声波幅射角度宽，所以无漏报发生。本发明尤其适用于文物展柜的防盗探测，由于文物展柜四面是玻璃，空间又小，抗干扰性差，使用现有探测装置的探测法效果不好，而利用本发明方法探则能方便可靠的进行探测报警，加强了文物展柜的安全感。

本发明有如下附图：

图1.某一房间的驻波场。

图2.x轴向图。

图3.A.人体移动时的波形。

B.小动物移动时的波形。

C.电风扇模拟风在警戒区域内吹时的波形。

图4.原理方框图。

图5.信号分析流程图

实施本发明所述的探测方法，需要在防盗现场设置一台防盗入侵探测器，该探测器可由九个单元电路组成如图4所示包括有时钟、时序发生器、发射、接收、解调、采样、跟踪保持、相关处理、分析等，其中时序发生器产生控制脉冲分别控制信号采集、跟踪保持，相关处理，信号分析及发射部分。发射与接收的功能是向需要防盗场发射一序列超声波脉，然后将该场形成的驻波信号由接收部分进行接收，同时接收场中人体模式参量信号，接收后经调制解调送采样。信号的采样与跟踪保持其作用是将所接收到的物体空间信号进行A/D、D/A转换，然后送相关处理。相关处理主要是采用雷达中信息处理技术，处理后送信号分析。信号分析主要是识别移动物的变化情况进行判断报警。本发明的探测过程是，首先向需要防盗现场发射一序列超声波脉冲，使之形成所需要的驻波场然后探测采集驻波场中人体移动，位移、面积高度等多维信息参量，进行处理，分析、判断、报警。

Claims (1)

1. 一种多维驻波防盗入侵探测器的探测法；其特征在于：该探测法采用驻波场的物理效应，采用在驻波场中所探测采集到的人体模式的多维信息参量，采用双发单收、相关处理、逻辑分析技术进行判断报警即：

   1、驻波场的物理效应是首先形成驻波场，采用超声波序列脉冲向需要防盗的范围空间进行发射，在这一特殊超声场中由于室内不同物体的反射和入射波的干涉而形成不同的信号波形，这种信号波形就是该房间的驻波场状态，如果此时移动该房间的某一物体通过对驻波的观察可发现仅是该移动物体位置上的波腹或波节发生变化，并随移动物体面积不同，波腹或波节的改变量也不同，这就是该驻波场的物理效应。

   2、在防盗区域内的驻波场中所采集到的人体目标或物体目标所产生的移动信号、位移信号、移动物面积、移动物高度和时间做为多维信息参量，进行人体模式的识别。

   3、采用双发射器发射脉冲、采用单接收器进行信号接收为的是提高探测弱信号的辨别能力，将探测到的信号，通过雷达中相关处理技术处理提取空间物体变化的多维信息参量，处理后通过逻辑分析判断识别报警。

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