CN106443191B - 一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，包括如下步骤：1)信号发射端发射一个高斯时间包络的时限带限信号。(2)计算发射信号的时间中心、时间长度；并将信号进行傅里叶变换，计算其频率中心、频率宽度与频率线性增长率。3)计算传输信号函数式，及其时间中心、频率中心、传输延迟、传输距离。4)计算反射信号时间延迟与反射距离。5)将入射信号、反射信号进行魏格纳变换，建立时频域互相关函数。6)计算时频域互相关函数的局部峰值，并最终计算波阻抗的变化量。本方法可对电子安防围栏入侵点进行特征分析，因此可将此技术的运用于电子围栏及其他对入侵进行防护的场所，可以有效检测人类对防护周界的入侵，真正实现无误报、无漏报。

Description

一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法

技术领域

本发明涉及安防围栏检测技术领域，尤其涉及一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法。

背景技术

电子围栏是目前较为先进的周界防盗报警系统，它由电子围栏主机和前端探测围栏组成。一旦有入侵者想要跨越围栏，电子围栏将其入侵信号发送至安全部门监控设备，发出警示，以便管理人员及时了解警区区域情况，讯速做出反应。

现有的基于电子围栏入侵检测一般是采用反射脉冲检测法，如公开号为103124988A的中国专利记载了一种基于传输线的可定位电子围栏，其阐述以发射单脉冲信号来检测防护线是否有触碰，但由于单脉冲检测难以识别触碰强度，不能区别防护线波阻抗的变化差别。因此，这类技术将面临两难选择：

1)提高灵敏度，各种非人类干扰都会产生报警，造成误报率高；

2)降低灵敏度，对轻触碰人类接触不报警，产生漏报。

因此，现需要一种用于重要场合的防入侵安全检测的新方法，迅速地判断防护线上的突发事件及故障类型和位置，并及时做出相应反应。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，可有效识别触碰类型并定位，实现对安防围栏人为入侵检测的无漏报、不误报。

发明的目的通过下述技术方案实现：

一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，步骤如下：

S1、信号发射端发射一个高斯时间包络的时限带限信号，

所述发射信号函数式为：

α：高斯分布宽度因数；

β：频率增长率的时间系数；

t₀：时间信号中心；

ω₀：信号频率中心

S2、计算步骤S1发射信号的时间中心、时间长度，并将信号进行傅里叶变换，计算其频率中心、频率宽度与频率线性增长率。

计算公式如下：

时间中心：

t₀＝t_s＝∫t|s(t)|²dt

时间长度：

傅里叶变换公式：

频率中心：

ω_s＝ω₀＝∫ω|S(ω)|²dω

频率宽度：

频率增长率：

S3、计算传输信号函数式，及其时间中心、频率中心、传输延迟、传输距离。

计算公式如下：

U(ω,x)＝S(ω,x＝0)H(ω,x)＝S(ω,x＝0)Ce^{-[α(ω)-jβ(ω)]x}＝S(ω,x＝0)Ce^-[Aω-jKω]x

频率中心：

ω_u(x)＝∫ω|U(x,ω)|²dω＝ω₀-δ_ω

时间中心：

传输延迟：

传输距离：

d_t＝vt_d

H(ω,x)：平行导线的传输函数

ν：信号传输速度

δ_ω：频率中心的偏移量，且

S4、计算反射信号时间延迟与反射距离。

计算公式如下：

时间延迟：

反射距离：

S5、将入射信号、反射信号进行魏格纳变换，建立时频域互相关函数。

计算公式如下：

入射信号的魏格纳分布：

反射信号的魏格纳分布：

时频域互相关函数：

E_s(t)＝∫∫W_s(t,ω)dωdt

C_sr(t)取值范围在0和1之间。

S6、计算S5中时频域互相关函数的局部峰值，并最终计算波阻抗的变化量。

计算公式如下：

局部峰值：

波阻抗变化量：

F(ω)：入射信号与反射信号的频谱的模的比值，即：

峰值对应时间：

x：入侵点

d_r：入侵点与发射信号间距离

实施本发明，具有如下有益效果：

将此技术的运用于安全围栏，可以有效检测人类对防护周界的入侵，真正实现无误报无漏报。同时由于本方法可对入侵点进行特征分析，因此在一些需要对其他入侵进行防护的场所，(如机场等，对动物入侵也需要防护)，可以灵活设置警戒入侵物的检测特征，实现多形态的安全防护。

附图说明

图1是电子安防围栏安装布置图；

图2是平行敷设防护导线波阻抗表达示意图；

图3是电磁波在平行导线阻抗变化面处的传播示意图；

图4是本发明检测电子围栏波阻抗变化程度的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法作进一步地详细描述。

1、图1是电子围栏安装布置情况，是以检测波阻抗变量程度为核心技术构成的整套系统。其技术方案为：针对安全防护检测的快速性与有效性，提供了一种利用具有高斯包络的电脉冲检测和采用联合时频域反射分析(JTFDR)技术分辨入侵类型与位置的方法。该方法的原理就是在事故多发地带安装防护网线路，在其一端接入一个具有高斯包络电流脉冲发生器与接收器，同时在接收器上计算单元和报警器。通过脉冲发生器按设定的频率往输线路中注入一个适合可控的脉冲包络波，通过波电流和电压在线路末端或故障点的反射，被接收器接收，计算单元采用JFTDR技术进行信号的相关性处理及定位，判断波阻抗的变化情况。如果有人触碰到防护网，那么在这一处的波阻抗就会发生特定突变，同时反射回来的与正常状态下不一样的波形被接收器接收，通过计算单元的快速处理分析出发生事故的位置及类型并在报警器上发出警报，采取相应措施，避免安全事故的发生。

2、图2为平行敷设防护导线示意图。如图所示，导线距离D，导体半径R，真空介电常数ε₀＝10^-9/(36π)(F/m)导线磁导率μ₀＝4π*10^-7(H/m)；μ_r1为导线相对磁导率；μ_r为导线间空气的相对磁导率；

单位长度电容为：

单位长度电感为：

由此可得波阻抗为：

当外部入侵触碰平行防护线时有两种情况：一是平行线间介质由空气改变为固体介质的人体(或者动物体或者触碰体)介质改变波阻抗计算公式中的ε_r和μ_r；二是改变平行防护线距离D进而改变波阻抗。波阻抗变化部位对入射行波形成反射，反射行波中包含了波阻抗变化部位的位置信息和阻抗变化信息。

联合时频域反射分析(JTFDR)检测技术是在平行线端部给予一个联合视时频的高斯冲击信号，然后检测反射波，根据行波理论和时频分析方法，将反射信号和入射信号进行魏格纳联合分布，并进行相似性检测，当入射波和反射波在时频域相似性最大的时候即为反射点，这样就可以得到波阻抗变化值和位置。

3、图3是电磁波在平行导线阻抗变化面处的传播示意图；

当电磁波在无故障的均匀特性阻抗平行导线中的传播时，电磁波将不发生反射与透射，但电压信号和电流信号将有衰减和相位变化，定义均匀特性阻抗平行线中的传输函数为：H(ω,x)＝Ce^{-[α(ω-jk(ω)]x}，其中x为空间变量。

当电磁波在平行导线阻抗变化面处的传播时，根据行波理论的分析，入射行波会在不同波阻抗的节点处发生反射和折射如图3所示。当电缆某处绝缘介质发生变化后，该处波阻抗会产生ΔZ的变化，假设电缆正常波阻抗为Z，则该位置的波阻抗为Z+ΔZ，形成两个阻抗变化面A和B。在A点有：

折射波：

反射波：

令反射系数

而B点有：

折射波：

反射波：

B点反射回来的反射波在A点又发生折射和反射，这样，在故障位置处的两点间会发生多次折、反射。为讨论方便，这里只考虑A点发生的折、反射。

4.本发明研究了一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法。如图4所示，该方法包括如下步骤：(1)信号发射端发射一个高斯时间包络的时限带限信号。(2)计算发射信号的时间中心、时间长度。并将信号进行傅里叶变换，计算其频率中心、频率宽度与频率线性增长率。(3)计算传输信号函数式，及其时间中心、频率中心、传输延迟、传输距离。(4)计算反射信号时间延迟与反射距离。(5)将入射信号、反射信号进行魏格纳变换，建立时频域互相关函数。(6)计算时频域互相关函数的局部峰值，并最终计算波阻抗的变化量。

所述步骤S1具体为：信号带宽为电缆传输带宽，在被测平行导线中传播时，入侵处将发生反射，反射信号的时间偏移作为检测距离的粗测，频率偏移作为检测距离的矫正，反射信号与入射信号的相关性用于入侵类型的诊断和评估。

所述步骤S3具体为：

入射信号沿着平行导线传播时，波形将被平行导线的传输函数H(ω,x)改变。设u(x,t)为传输信号的观测波形，令初始状态u(x＝0,t)＝s(t)，则其中U(ω,x)＝S(ω,x＝0)H(ω,x)。

若平行导线对信号无频率衰减，则信号u(x,y)的时域波形与入射信号s(t)波形相同，只有一个时间上的延迟t_d，即u(x,t)＝s(t+t_d)。这样，可以得到u(x,t)的时间中心为：其中v为传播速度。此时即

往往平行导线对信号存在频率衰减，尤其是对高频的衰减很明显。这将导致信号的时间中心和频率中心都发生移动。则有：

U(ω,x)＝S(ω,x＝0)H(ω,x)＝S(ω,x＝0)Ce^{-[α(ω)-jβ(ω)]x}＝S(ω,x＝0)Ce^-[Aω-jKω]x

所述步骤S4具体为：

反射信号依然是个包络服从高斯分布的时限带限信号。平行导线特性对它的影响同传输信号一致。得到反射信号r(x,t)的时间中心和频率中心，则可计算得到时间延迟和反射距离。

所述步骤S5具体为：

将魏格纳分布投影到时-频轴上，得到的时间中心和频率中心就可以用于时间偏移的评估矫正，最后得出更精确的入侵反射距离。

这里引入时频域互相关函数对故障进行相关检测和判定。因为时频域互相关函数对很小的变化都具有较好的灵敏度。

当时，C_sr(t)达到一个局部峰值，即为M。此峰值可以用来检测入侵特征和位置。

所述步骤S6具体为：

由行波理论计算可知，平行导线波阻抗变化越大，反射信号的幅度越接近入射信号的幅度，则它们的时频域互相关函数最大值M越大，即M值的大小反映了平行导线的波阻抗的变化情况。当x为入侵点距离d_r，峰值对应时间此时，则可得

由平行导线介质传递特性和行波理论分析，可知反射信号

其中R(ω,x)＝Γ_dS(ω,d_r)H(ω,x-d_r)

当反射信号到达入射端时，令反射信号的频谱与入射信号的频谱的模的比值为F(ω)，则有其中

最后可以得到波阻抗的变化：

Claims (7)

1.一种检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信号发射端发射一个高斯时间包络的时限带限信号；

2)计算发射信号的时间中心、时间长度；并将信号进行傅里叶变换，计算其频率中心、频率宽度与频率线性增长率；

3)计算传输信号函数式，及其时间中心、频率中心、传输延迟、传输距离；

4)计算反射信号时间延迟与反射距离；

5)将入射信号、反射信号进行魏格纳变换，建立时频域互相关函数；

6)计算时频域互相关函数的局部峰值，并最终计算波阻抗的变化量。

2.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤1)中发射信号函数式为：

α：高斯分布宽度因数；

β：频率增长率的时间系数；

t₀：时间信号中心；

ω₀：信号频率中心。

3.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤2)中计算时间中心、时间长度、进行傅里叶变换、计算其频率中心、频率宽度与频率线性增长率的公式分别为：

时间中心：

t₀＝t_s＝∫t|s(t)|²dt

时间长度：

傅里叶变换公式：

频率中心：

ω_s＝ω₀＝∫ω|S(ω)|²dω

频率宽度：

频率增长率：

4.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤3)中传输信号函数式为：

U(ω,x)＝S(ω,x＝0)H(ω,x)＝S(ω,x＝0)Ce^{-[α(ω)-jβ(ω)]x}＝S(ω,x＝0)Ce^-[Aω-jKω]x

所述步骤3)中频率中心、时间中心、传输延迟、传输距离参数计算公式分别为：

频率中心：

ω_u(x)＝∫ω|U(x,ω)|²dω＝ω₀-δ_ω

时间中心：

传输延迟：

传输距离：

d_t＝vt_d

H(ω,x)：平行导线的传输函数

ν：信号传输速度

δ_ω：频率中心的偏移量，且

5.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤4)中计算所述反射信号时间延迟与反射距离的公式分别为：

反射时间延迟：

反射距离：

6.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤5)中射入信号、反射信号进行魏格纳变换，建立时频域互相关函数的公式分别为：

入射信号的魏格纳分布：

反射信号的魏格纳分布：

时频域互相关函数：

E_s(t)＝∫∫W_s(t,ω)dωdt

C_sr(t)取值范围在0和1之间。

7.根据权利要求1所述的检测电子围栏波阻抗变化程度的方法，其特征在于：所述步骤6)中计算所述时频域互相关函数的局部峰值、波阻抗的变化量的公式分别为：

局部峰值：

波阻抗变化量：

F(ω)：入射信号与反射信号的频谱的模的比值，即：

峰值对应时间：

x：入侵点

d_r：入侵点与发射信号间距离。