JP6056527B2 - Intruder detection device - Google Patents

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Description

本発明は、振動センサを用いて侵入物体を検知する技術に関する。   The present invention relates to a technique for detecting an intruding object using a vibration sensor.

従来より、圧力センサや加速度センサなどの振動センサを用いて侵入物体から伝播した振動を検出し、その検出結果を解析して侵入物体を検知する技術が知られてる。この種の従来技術は、たとえば、特開平4−104018号公報(特許文献1)及び特開2012−58340号公報(特許文献2)に開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a technique is known in which vibration propagated from an intruding object is detected using a vibration sensor such as a pressure sensor or an acceleration sensor, and the intruding object is detected by analyzing the detection result. This type of prior art is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-104018 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-58340 (Patent Document 2).

特許文献1に開示されている探知装置は、監視域に侵入する侵入物体からの振動波を振動センサを用いて検知し、そのセンサ出力を線形予測分析法により分析し、当該振動波の特徴を抽出して侵入物体の種類(たとえば、車両や人)を識別するものである。また、特許文献2には、侵入物体である人の歩行周期に揺らぎがある場合でも、マイクロホンで検出された音の中から侵入物体の音の周期を余弦関数などの三角関数を用いて算出し得る物音検出装置が開示されている。   The detection device disclosed in Patent Document 1 detects a vibration wave from an intruding object that enters the monitoring area using a vibration sensor, analyzes the sensor output by a linear prediction analysis method, and determines the characteristics of the vibration wave. The type of the intruding object (for example, a vehicle or a person) is identified by extraction. Further, in Patent Document 2, even when there is fluctuation in the walking cycle of a person who is an intruding object, the sound period of the intruding object is calculated from the sounds detected by the microphone using a trigonometric function such as a cosine function. A resulting sound detection device is disclosed.

なお、特開2004−125641号公報(特許文献3)には、マイクロホンで検出された音の波形分布の尖度平均値に基づいて対象機器が発する異音を識別する技術が提案されている。また、特開2002−23776号公報(特許文献4)には、ブラインドセパレーション法に基づいて分離された話者音声信号と非音声雑音信号とについて確率分布の尖度を比較し、その結果に基づいて雑音環境下でも話者音声を識別し得る方法が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2004-125641 (Patent Document 3) proposes a technique for identifying an abnormal sound generated by a target device based on an average kurtosis value of a waveform distribution of sound detected by a microphone. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-23776 (Patent Document 4) compares the kurtosis of probability distributions for speaker speech signals and non-speech noise signals separated based on the blind separation method, and based on the results. Thus, a method capable of identifying speaker voice even in a noisy environment is disclosed.

特開平4−104018号公報JP-A-4-104018 特開2012−58340号公報JP 2012-58340 A 特開2004−125641号公報JP 2004-125641 A 特開2002−23776号公報JP 2002-23776 A

上記特許文献2に開示されている物音検出装置は、音響データの中から足音などの連続する物音を閾値を用いて検出し、当該検出された物音をその周波数構造に応じて分類する。そして、物音検出装置は、その分類された物音の周期を余弦関数などの三角関数を用いて算出している。しかしながら、物音検出で参照される閾値は、予め設定された値であり、物音検出装置の設置環境に応じて最適化された値ではないため、侵入物体の種類が誤って検知されるという問題がある。   The sound detection device disclosed in Patent Document 2 detects continuous sound such as footsteps from acoustic data using a threshold value, and classifies the detected sound according to its frequency structure. The sound detection device calculates the period of the classified sound using a trigonometric function such as a cosine function. However, since the threshold value that is referred to in the sound detection is a preset value and not a value optimized according to the installation environment of the sound detection device, there is a problem that the type of the intruding object is erroneously detected. is there.

たとえば、車両、航空機及び人員が移動する環境下では、車両及び航空機の移動によって発生する振動波は、ガウス性雑音に類似した振動波である。物音検出装置に到来するその種の振動波の平均レベルは、車両及び航空機の移動に伴い予測不能に変動し得るため、このような環境下では、上記閾値を用いて人員が発する足音を正確に検知することが難しい。   For example, in an environment where vehicles, aircraft, and personnel move, vibration waves generated by movement of the vehicles and aircraft are vibration waves similar to Gaussian noise. Since the average level of such vibration waves arriving at the sound detection device can fluctuate unpredictably with the movement of the vehicle and aircraft, under these circumstances, it is possible to accurately detect footsteps emitted by personnel using the above threshold. It is difficult to detect.

上記に鑑みて本発明の目的は、侵入物体を遠方で検知し得、さらに接近に従い高い精度で当該侵入物体を識別することができる侵入物体検知装置を提供することである。   In view of the above, an object of the present invention is to provide an intruding object detection device that can detect an intruding object at a distance and can identify the intruding object with high accuracy as it approaches.

本発明の一態様による侵入物体検知装置は、背景雑音を含む振動波を表す時系列のセンサ信号を周波数領域信号に直交変換し、前記周波数領域信号の中から所定の周波数帯域の帯域信号を分離する周波数解析部と、前記背景雑音がガウス分布に従うと仮定したときの前記帯域信号の時間変化の統計量に基づいて判定閾値を算出する背景雑音推定部と、前記帯域信号の系列から前記判定閾値を超える信号レベルを持つ信号を抽出する信号抽出部と、前記信号抽出部の出力系列のうち周期振動を構成する有意な信号系列を抽出する有意振動抽出部と、前記有意な信号系列が特定の振動発生頻度を有するか否かを判定する頻度判定部と、前記信号抽出部の出力系列が前記特定の振動発生頻度を有すると判定されたとき、前記センサ信号の帯域をフィルタリングして前記所定の周波数帯域を有するフィルタ信号を出力する帯域フィルタと、前記フィルタ信号の波形分布の尖度を算出し、前記尖度に基づいて侵入物体の種類を検知する信号識別部とを備えることを特徴とする。   An intruding object detection device according to an aspect of the present invention orthogonally transforms a time-series sensor signal representing a vibration wave including background noise into a frequency domain signal, and separates a band signal of a predetermined frequency band from the frequency domain signal. A frequency analysis unit, a background noise estimation unit that calculates a determination threshold based on a statistic of temporal change of the band signal when the background noise follows a Gaussian distribution, and the determination threshold from the sequence of the band signal A signal extraction unit that extracts a signal having a signal level exceeding, a significant vibration extraction unit that extracts a significant signal sequence that constitutes a periodic vibration from an output sequence of the signal extraction unit, and the significant signal sequence is specified When it is determined that a frequency determination unit that determines whether or not the vibration generation frequency has an output sequence of the signal extraction unit has the specific vibration generation frequency, a band of the sensor signal is filtered. A bandpass filter that outputs a filter signal having the predetermined frequency band and a signal identification unit that calculates a kurtosis of a waveform distribution of the filter signal and detects a type of an intruding object based on the kurtosis. It is characterized by providing.

本発明によれば、侵入物体を高い精度で検知し識別することができる。   According to the present invention, an intruding object can be detected and identified with high accuracy.

本発明に係る実施の形態である侵入物体検知装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the intruding object detection apparatus which is embodiment which concerns on this invention. 周波数解析部の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of a frequency analysis part. (A)〜(D)は、帯域信号の各種波形と判定閾値との関係を例示するグラフである。(A)-(D) are the graphs which illustrate the relationship between the various waveforms of a band signal, and a determination threshold value. (A)は、フィルタ信号の波形例を概略的に示す図であり、(B)は、尖度を示す図である。(A) is a figure which shows schematically the waveform example of a filter signal, (B) is a figure which shows kurtosis. (A)〜(C)は、尖度について説明するための図である。(A)-(C) are the figures for demonstrating kurtosis. (A)〜(C)は、周期振動発生期間における信号波形を示す図である。(A)-(C) are figures which show the signal waveform in a periodic vibration generation period.

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る実施の形態である侵入物体検知装置1の概略構成を示すブロック図である。図1に示されるように、侵入物体検知装置1は、振動センサ10、前段増幅器11及び分析回路20を備えており、分析回路20は、A/D変換器(ADC)21、周波数解析部22、検知処理部23〜23(Mは正整数)、帯域フィルタ24〜24、信号識別部40及び侵入物体検知部43を有する。本実施の形態の分析回路20は、好ましい構成としてM個の検知処理部23〜23を有しているが、これに限定されるものではなく、1つの検知処理部のみを有するように分析回路20の構成を変更してもよい。 FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an intruding object detection device 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the intruding object detection device 1 includes a vibration sensor 10, a preamplifier 11, and an analysis circuit 20, and the analysis circuit 20 includes an A / D converter (ADC) 21 and a frequency analysis unit 22. , Detection processing units 23 1 to 23 M (M is a positive integer), band-pass filters 24 1 to 24 M , a signal identification unit 40, and an intruding object detection unit 43. The analysis circuit 20 of the present embodiment has M detection processing units 23 1 to 23 M as a preferable configuration, but is not limited to this, and has only one detection processing unit. The configuration of the analysis circuit 20 may be changed.

振動センサ10は、背景雑音を含む振動波を検出してその検出結果を示すアナログ電気信号をセンサ信号として出力する機能を有する。振動センサ10としては、たとえば、振動源から地面を伝播して到来した振動波を検出する圧力センサを使用すればよく、圧電振動素子を用いて構成することができる。前段増幅器11は、振動センサ10から入力されたセンサ信号を適当な利得で増幅して分析回路20に出力する。   The vibration sensor 10 has a function of detecting a vibration wave including background noise and outputting an analog electric signal indicating the detection result as a sensor signal. As the vibration sensor 10, for example, a pressure sensor that detects a vibration wave that has propagated through a ground from a vibration source may be used, and the vibration sensor 10 may be configured using a piezoelectric vibration element. The preamplifier 11 amplifies the sensor signal input from the vibration sensor 10 with an appropriate gain and outputs the amplified signal to the analysis circuit 20.

分析回路20では、A/D変換器21は、前段増幅器11から入力されたセンサ信号をデジタルセンサ信号TSに変換する。周波数解析部22は、A/D変換器21から入力されたデジタルセンサ信号TSを周波数解析してM系統の帯域信号SF〜SFを出力する。 In the analysis circuit 20, the A / D converter 21 converts the sensor signal input from the preamplifier 11 into a digital sensor signal TS. The frequency analysis unit 22 performs frequency analysis on the digital sensor signal TS input from the A / D converter 21 and outputs M band signals SF 1 to SF M.

図2は、周波数解析部22の概略構成を示すブロック図である。図2に示されるように、周波数解析部22は、直交変換部221、信号分離部222及び信号加算部223で構成されている。直交変換部221は、デジタルセンサ信号TSに高速フーリエ変換などの直交変換を施して周波数領域信号FSを生成する。たとえば、直交変換部221は、デジタルセンサ信号TSの系列から所定の時間長の数千点の離散信号をサンプリングし、当該サンプリングされた離散信号を高速フーリエ変換して数千点の周波数領域信号FSを生成することができる。信号分離部222は、周波数領域信号FSの中から第1乃至第Mの周波数帯域の信号F,…,Fを分離する。これら第1乃至第Mの周波数帯域は、互いに重複しても構わない。信号加算部223は、周波数帯域毎に信号を互いに加算してM系統の帯域信号SF,…,SFを生成する。具体的には、信号加算部223は、M系統の帯域信号SF,…,SFがそれぞれ入力される積算器223,…,223を有しており、これら積算器223,…,223は、帯域信号SF,…,SFをそれぞれ個別に積算してM系統の帯域信号SF,…,SFを生成することができる。 FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the frequency analysis unit 22. As shown in FIG. 2, the frequency analysis unit 22 includes an orthogonal transform unit 221, a signal separation unit 222, and a signal addition unit 223. The orthogonal transform unit 221 performs orthogonal transform such as fast Fourier transform on the digital sensor signal TS to generate a frequency domain signal FS. For example, the orthogonal transform unit 221 samples thousands of discrete signals having a predetermined time length from the sequence of the digital sensor signal TS, and performs fast Fourier transform on the sampled discrete signals to generate thousands of frequency domain signals FS. Can be generated. Signal separating unit 222, the signal F 1 of the first through the frequency band of the M from the frequency domain signal FS, ..., to separate the F M. These first to Mth frequency bands may overlap each other. The signal adder 223 adds the signals to each other for each frequency band to generate M band signals SF 1 ,..., SF M. Specifically, the signal adder 223 includes integrators 223 1 ,..., 223 M to which M band signals SF 1 ,..., SF M are respectively input, and these integrators 223 1 ,. , 223 M, the bandwidth signal SF 1, ..., band signal SF 1 of M lines and respectively integrating separately SF M, ..., it is possible to generate an SF M.

周波数帯域としては、人員などの侵入物体の監視域への侵入により発生する振動波の特徴的な複数の周波数帯域が選択されることが望ましい。たとえば、振動波が伝播する地面の種類(粘土及び砂など)に応じて以下の第1乃至第3の帯域信号SF,SF,SFを周波数領域信号FSに基づいて生成することができる。
地面A:50Hz以下の低周波数帯域の信号SF
地面B:50Hz〜100Hzの中間周波数帯域の信号SF
地面C:100Hz〜150Hzの高周波数帯域の信号SF
As the frequency band, it is desirable to select a plurality of characteristic frequency bands of vibration waves generated by intrusion of an intruding object such as a person into the monitoring area. For example, the following first to third band signals SF 1 , SF 2 , SF 3 can be generated based on the frequency domain signal FS in accordance with the type of ground (clay, sand, etc.) through which the vibration wave propagates. .
Ground A: signal SF 1 in a low frequency band of 50 Hz or less,
Ground B: signal SF 2 in an intermediate frequency band of 50 Hz to 100 Hz,
Ground C: signal SF 3 in a high frequency band of 100 Hz to 150 Hz.

検知処理部23,…,23は、周波数解析部22からそれぞれ供給された帯域信号SF,…,SFを入力とし、これら帯域信号SF,…,SFからそれぞれ有意な振動を検知することができる。検知処理部23,…,23の構成及び動作は全て同様であるため、検知処理部23の構成を以下に説明する。 Detection processing unit 23 1, ..., 23 M, the bandwidth signal SF 1 from the frequency analysis section 22 are supplied respectively, ..., and inputs the SF M, these band signals SF 1, ..., each significant vibrations from SF M Can be detected. Since the configurations and operations of the detection processing units 23 1 ,..., 23 M are all the same, the configuration of the detection processing unit 23 1 will be described below.

検知処理部23は、図1に示されるように、背景雑音推定部31、信号抽出部32、有意振動抽出部34及び頻度判定部35を含んで構成されている。背景雑音推定部31は、振動センサ10で検出された背景雑音がガウス分布に従うと仮定したときの帯域信号SFの時間変化の統計量(算術平均値及び分散値など)に基づいて判定閾値THを算出する機能を有する。具体的には、帯域信号SFが背景雑音を表す複素信号である場合、その実部と虚部のそれぞれがガウス分布に従う。当該複素信号の実部Reと当該虚部Imの2乗和(=Re+Im)は、スペクトルパワーを表し、自由度2のカイ2乗分布に従うことが知られている。このカイ2乗分布に基づいて所望の誤警報確率が一定となるように判定閾値THを決定することができる。同様に、他の系列の検知処理部23〜23の背景雑音推定部31においても、帯域信号SF〜SFにそれぞれ対応する判定閾値TH〜THが決定される。 Detection processing unit 23 1, as shown in FIG. 1, is configured to include a background noise estimation unit 31, the signal extraction unit 32, significant vibration extraction unit 34 and the frequency determination unit 35. Background noise estimation unit 31, the determination threshold value TH based on the statistics of the time variation of the band signal SF 1 (such as arithmetic mean and variance value) when the background noise detected by the vibration sensor 10 is assumed to follow a Gaussian distribution It has a function of calculating 1 . Specifically, if the band signal SF 1 is a complex signal representing the background noise, each of the real and imaginary parts follow a Gaussian distribution. It is known that the square sum (= Re 2 + Im 2 ) of the real part Re and the imaginary part Im of the complex signal represents spectral power and follows a chi-square distribution with two degrees of freedom. Desired false alarm probability on the basis of the chi-square distribution can be determined determination threshold value TH 1 to be constant. Similarly, in the background noise estimation unit 31 of the detection processing unit 23 2 ~ 23 M of other series, the determination threshold value TH 2 to TH M respectively corresponding to the band signal SF 2 - SF M is determined.

次に、信号抽出部32は、帯域信号SFの系列の中から判定閾値THを超える信号レベルを持つ信号を抽出する。言い換えれば、信号抽出部32は、帯域信号SFの系列の中から判定閾値THを超える信号のみを切り出して出力する。 Next, the signal extraction unit 32 extracts a signal having a signal level exceeding the determination threshold TH 1 from the series of the band signal SF 1 . In other words, the signal extraction unit 32 cuts out and outputs only a signal exceeding the determination threshold TH 1 from the series of the band signal SF 1 .

図3(A)〜(D)は、帯域信号SFの各種波形51〜54と判定閾値THとの関係を例示するグラフである。図3(A)〜(D)において、横軸は時間を表し、縦軸は帯域信号SFの信号レベルを表している。図3(A)は、歩行している人員から得られる帯域信号波形51を示し、図3(B)は、走行車両から得られる帯域信号波形52を示し、図3(C)は、航空機から得られる帯域信号波形53を示し、図3(D)は、降雨から得られる帯域信号波形54を示している。 3A to 3D are graphs illustrating the relationship between the various waveforms 51 to 54 of the band signal SF 1 and the determination threshold value TH 1 . In FIG. 3 (A) ~ (D) , the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the signal level of the band signal SF 1. FIG. 3A shows a band signal waveform 51 obtained from a walking person, FIG. 3B shows a band signal waveform 52 obtained from a traveling vehicle, and FIG. The obtained band signal waveform 53 is shown, and FIG. 3D shows the band signal waveform 54 obtained from rainfall.

有意振動抽出部34は、信号抽出部32で抽出された信号の時間的な連続性に着目し、その信号系列の中から周期振動を構成する有意な信号系列を抽出することができる。たとえば、略一定の時間間隔で出現する信号を有意な信号系列として抽出すればよい。図3(A),(D)に示した帯域信号波形51,54は、それぞれ、判定閾値THを超える信号波形が略一定の時間間隔で出現する有意な振動成分を含む。一方、図3(B),(C)に示した帯域信号波形52,53には、そのような有意な振動成分が見当たらない。 The significant vibration extraction unit 34 pays attention to the temporal continuity of the signal extracted by the signal extraction unit 32, and can extract a significant signal sequence constituting the periodic vibration from the signal sequence. For example, a signal appearing at a substantially constant time interval may be extracted as a significant signal sequence. Each of the band signal waveforms 51 and 54 shown in FIGS. 3A and 3D includes a significant vibration component in which a signal waveform exceeding the determination threshold TH 1 appears at a substantially constant time interval. On the other hand, such a significant vibration component is not found in the band signal waveforms 52 and 53 shown in FIGS.

頻度判定部35は、有意振動抽出部34で抽出された有意な信号系列が所定の振動発生頻度を有するか否かを判定し、その判定結果を帯域フィルタ24に出力する。具体的には、頻度判定部35は、当該有意な信号系列が人員の侵入による振動発生頻度を有するか否かを判定することができる。 Frequency determination unit 35, significant signal sequence extracted in significant oscillation extracting unit 34 determines whether a predetermined vibration frequency, and outputs the determination result to the band-pass filter 24 1. Specifically, the frequency determination unit 35 can determine whether or not the significant signal series has a vibration occurrence frequency due to the intrusion of personnel.

帯域フィルタ24は、当該有意な信号系列が所定の振動発生頻度を有すると判定されるとき、デジタルセンサ信号TSの帯域をフィルタリングして上記第1の周波数帯域を有するフィルタ信号を出力する。他の帯域フィルタ24〜24も、同様のときに、デジタルセンサ信号TSの帯域をフィルタリングして上記第2乃至第Mの周波数帯域を有するフィルタ信号をそれぞれ出力する。なお、帯域フィルタ24〜24は、たとえば、FIR(Finite Impulse Response)型またはIIR(Infinite Impulse Response)型のデジタルフィルタで構成されればよい。 Bandpass filter 24 1, when the significant signal sequence is determined to have a predetermined vibration frequency, filter the band of the digital sensor signal TS and outputs a filter signal having the first frequency band. At the same time, the other band filters 24 2 to 24 M filter the band of the digital sensor signal TS and output the filter signals having the second to Mth frequency bands, respectively. The band-pass filters 24 1 to 24 M may be configured with, for example, a digital filter of FIR (Finite Impulse Response) type or IIR (Infinite Impulse Response) type.

信号識別部40では、尖度演算部42〜42は、帯域フィルタ24〜24からそれぞれ入力されたフィルタ信号の波形分布の尖度を算出し、当該尖度に基づいて周期振動発生期間を指定する。たとえば、尖度が連続して所定の閾値を超える期間を周期振動発生期間とすることができる。尖度は、フィルタ信号の系列から一定間隔で切り出された波形毎に算出される。たとえば、次式(1)に従って尖度kを算出することができる。

Figure 0006056527
In the signal identification unit 40, the kurtosis calculation units 42 1 to 42 M calculate the kurtosis of the waveform distribution of the filter signals respectively input from the bandpass filters 24 1 to 24 M, and generate periodic vibrations based on the kurtosis. Specify the period. For example, a period in which the kurtosis continuously exceeds a predetermined threshold can be set as the periodic vibration generation period. The kurtosis is calculated for each waveform cut out from the filter signal series at regular intervals. For example, it is possible to calculate the kurtosis k N according to the following equation (1).
Figure 0006056527

ここで、xは、切り出された信号波形の離散値であり、Nは、切り出された信号波形の離散値の数である。また、<x>は、次式に従って算出される算術平均値である。

Figure 0006056527
Here, x i is a discrete value of the extracted signal waveform, and N is the number of discrete values of the extracted signal waveform. <X> is an arithmetic average value calculated according to the following equation.
Figure 0006056527

上式(1)の右辺第2項の「3」の値は、正規分布(ガウス分布)の絶対尖度の値である。このため、尖度kは、正規分布に対する相対尖度を意味する。図4(A)は、フィルタ信号の波形例を示す図であり、図4(B)は、0.5秒間隔毎に切り出された信号波形の尖度を示すグラフである。 The value of “3” in the second term on the right side of the above equation (1) is the value of the absolute kurtosis of the normal distribution (Gaussian distribution). Therefore, kurtosis k N denotes the relative kurtosis against a normal distribution. FIG. 4A is a diagram illustrating a waveform example of the filter signal, and FIG. 4B is a graph illustrating the kurtosis of the signal waveform cut out at intervals of 0.5 seconds.

人員歩行は、連続した動作であるため、連続して尖度が大きくなる。よって、算出された尖度kが連続して所定の大きさを超えるかどうかで、人員歩行により発生する振動であるか否か、降雨により発生する振動であるか否か、あるいは、車両もしくは航空機の移動により発生する振動であるか否かを判定することが可能である。 Since personnel walking is a continuous motion, the kurtosis increases continuously. Therefore, the calculated kurtosis k N is continuously whether exceeds a predetermined magnitude, whether the vibration generated by personnel walking, whether or not the vibration is a vibration caused by rain, or the vehicle or It is possible to determine whether the vibration is caused by the movement of the aircraft.

図5(A)〜(C)は、尖度について説明するための図である。尖度は、波形自体を一定間隔で切り出した離散値(デジタル値)の分布に対する値であり、背景雑音によって生じるガウス分布と比較して、平均値付近が細く尖っているか否か、裾付近が厚くなっているか否かを評価するものである。たとえば、人員歩行もしくは降雨により発生する振動は、図5(A)に例示されるようにインパルス性の信号となるため、図5(C)に示されるように、その分布Diは、平均値付近が細く尖り、裾付近が厚くなり、尖度の値も大きくなる。一方、車両もしくは航空機の移動により発生する振動の波形は、図5(B)に示されるようなガウス性の背景雑音と類似し、振幅自体は大きくなる。図5(C)に示されるように、その分布Dg自体はガウス分布であることに変わりがないため、尖度は、ガウス性の背景雑音と同じ零程度の値となる。さらに、帯域フィルタ24〜24で処理された波形を用いて計算される尖度は、フィルタ処理されていない波形を用いる場合と比べて、侵入物体の侵入により発生する振動の特徴的な周波数帯域の抽出波形を用いて算出される値であるため、尖度の感度が向上する。 5A to 5C are diagrams for explaining the kurtosis. The kurtosis is a value for the distribution of discrete values (digital values) obtained by cutting out the waveform itself at regular intervals. Compared with the Gaussian distribution caused by background noise, whether or not the average value is sharply sharp, It evaluates whether it is thick. For example, vibration generated by walking or raining personnel becomes an impulsive signal as illustrated in FIG. 5A, and as shown in FIG. 5C, the distribution Di is around the average value. Becomes sharper and thicker near the hem, and the kurtosis increases. On the other hand, the waveform of the vibration generated by the movement of the vehicle or aircraft is similar to the Gaussian background noise as shown in FIG. 5B, and the amplitude itself becomes large. As shown in FIG. 5C, since the distribution Dg itself is still a Gaussian distribution, the kurtosis has a value of about zero which is the same as the Gaussian background noise. Further, the kurtosis calculated using the waveform processed by the bandpass filters 24 1 to 24 M is a characteristic frequency of vibration generated by the intrusion of the intruding object as compared with the case of using the waveform not filtered. Since the value is calculated using the extracted waveform of the band, the sensitivity of kurtosis is improved.

継続時間検出部41は、指定された周期振動発生期間におけるデジタルセンサ信号TSの系列の中から、周期振動を構成する各信号波形(特に、インパルス性信号)の継続時間長ΔTを検出する。たとえば、周期振動発生期間の直前におけるデジタルセンサ信号TSの振幅値の時間平均値を閾値Thとし、この閾値Thを超える連続離散信号の継続時間を継続時間長ΔTとして検出することが可能である。侵入物体検知部43は、継続時間長ΔTを基準値と比較し、その比較結果に基づいて前記侵入物体が人員であるか否かを判定し、あるいは、降雨の有無を判定することができる。図6(A)は、周期振動発生期間におけるデジタルセンサ信号TSの波形例を示すグラフである。図6(A)のグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は信号振幅Yを表している。図6(B)は、図6(A)の信号波形の振幅Yの2乗を表すグラフであり、図6(C)は、図6(B)の波形の対数表示である。   The duration detection unit 41 detects a duration length ΔT of each signal waveform (particularly an impulsive signal) constituting the periodic vibration from the series of digital sensor signals TS in the designated periodic vibration generation period. For example, it is possible to detect the time average value of the amplitude value of the digital sensor signal TS immediately before the period of occurrence of the periodic vibration as a threshold Th, and to detect the duration of a continuous discrete signal exceeding the threshold Th as the duration time ΔT. The intruding object detection unit 43 compares the duration time ΔT with a reference value, and determines whether the intruding object is a person based on the comparison result, or can determine whether there is rainfall. FIG. 6A is a graph showing a waveform example of the digital sensor signal TS in the period of occurrence of periodic vibration. In the graph of FIG. 6A, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the signal amplitude Y. 6B is a graph showing the square of the amplitude Y of the signal waveform in FIG. 6A, and FIG. 6C is a logarithmic display of the waveform in FIG. 6B.

降雨による振動継続時間は、人員歩行による振動継続時間(人員の歩行1歩で生ずる振動継続時間)に比較して短いという特徴がある。このため、たとえば、50ミリ秒という閾値を用い、検出された継続時間長ΔTが50ミリ秒以上なら人員歩行により発生する振動と判定し、検出された継続時間長ΔTが50ミリ秒未満なら降雨により発生する振動と判定することができる。侵入物体検知部43は、人員歩行による振動と判定された結果のみ外部に出力すればよい。   The vibration continuation time due to rainfall is characterized by being shorter than the vibration continuation time due to personnel walking (vibration continuation time generated by one step of walking of personnel). For this reason, for example, a threshold value of 50 milliseconds is used, and if the detected duration length ΔT is 50 milliseconds or more, it is determined that the vibration is caused by walking, and if the detected duration length ΔT is less than 50 milliseconds, it is raining. Therefore, it can be determined that the vibration is generated. The intruding object detection unit 43 only needs to output to the outside only the result determined as vibration due to walking.

以上に説明したように、本実施の形態では、背景雑音推定部31が判定閾値TH〜THを動的に算出し、有意振動抽出部34は、判定閾値TH〜THを用いて抽出された信号系列から有意な信号系列を抽出することができる。判定閾値TH〜THは、背景雑音の平均レベルに応じて変動し得るため、車両や航空機に起因するガウス性の帯域信号波形(図3(B),(C))に適合した判定閾値が算出されない場合がある。この場合、頻度判定部35が、有意振動抽出部34で抽出された有意な信号系列をインパルス性信号の振動発生頻度を有するものであると誤判定する可能性がある。このような場合でも、信号識別部40は、フィルタ信号の波形分布の尖度に基づいて侵入物体の種類を検知するので、頻度判定部35による誤判定に基づく誤検知を確実に回避することができる。 As described above, in the present embodiment, the background noise estimation unit 31 dynamically calculates the determination thresholds TH 1 to TH M , and the significant vibration extraction unit 34 uses the determination thresholds TH 1 to TH M. A significant signal sequence can be extracted from the extracted signal sequence. Since the determination thresholds TH 1 to TH M may vary according to the average level of background noise, the determination thresholds adapted to a Gaussian band signal waveform (FIGS. 3B and 3C) caused by a vehicle or an aircraft. May not be calculated. In this case, the frequency determination unit 35 may erroneously determine that the significant signal sequence extracted by the significant vibration extraction unit 34 has the vibration occurrence frequency of the impulsive signal. Even in such a case, since the signal identification unit 40 detects the type of the intruding object based on the kurtosis of the filter signal waveform distribution, it is possible to reliably avoid erroneous detection based on the erroneous determination by the frequency determination unit 35. it can.

さらに、継続時間検出部41は、連続したインパルス性の信号を含むセンサ信号TSの波形が人員歩行によるものか降雨によるものかを継続時間長ΔTに基づいて判断するので、降雨による信号を除外することができ、歩行振動による信号のみに絞り込むことができる。これにより、人員の侵入による振動のみを検知してその結果を外部に出力することができ、誤検知を低減させることができる。したがって、侵入物体の種類を非常に高い精度で検知することができる。   Furthermore, since the duration detection unit 41 determines whether the waveform of the sensor signal TS including a continuous impulse signal is due to personnel walking or due to rainfall based on the duration length ΔT, the signal due to rainfall is excluded. Can be narrowed down to only signals due to walking vibration. As a result, it is possible to detect only the vibration due to the intrusion of personnel and output the result to the outside, thereby reducing false detection. Therefore, the type of the intruding object can be detected with very high accuracy.

以上、図面を参照して本発明に係る実施の形態について述べたが、これは本発明の例示であり、上記以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、分析回路20の機能の一部は、ハードウェア構成で実現されてもよいし、あるいは、CPUを含むマイクロプロセッサにより実行されるコンピュータプログラムで実現されてもよい。当該機能の一部がコンピュータプログラムで実現される場合には、マイクロプロセッサは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体(たとえば、光ディスク、磁気記録媒体またはフラッシュメモリ)から当該コンピュータプログラムをロードし実行することによって当該機能の一部を実現することができる。   As mentioned above, although embodiment concerning this invention was described with reference to drawings, this is an illustration of this invention and various forms other than the above are also employable. For example, a part of the function of the analysis circuit 20 may be realized by a hardware configuration, or may be realized by a computer program executed by a microprocessor including a CPU. When a part of the function is realized by a computer program, the microprocessor loads and executes the computer program from a computer-readable recording medium (for example, an optical disk, a magnetic recording medium, or a flash memory). Part of the function can be realized.

また、分析回路20の構成の一部は、FPGA(Field−Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのLSI(Large scale integrated circuit)により実現されてもよい。   Also, a part of the configuration of the analysis circuit 20 may be realized by an LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

1 侵入物体検知装置、 10 振動センサ、 11 前段増幅器、 20 分析回路、 21 A/D変換器(ADC)、 22 周波数解析部、 221 直交変換部、 222 信号分離部、 223 信号加算部、 23〜23 検知処理部、 24〜24 帯域フィルタ、 31 背景雑音推定部、 32 信号抽出部、 34 有意振動抽出部、 35 頻度判定部、 40 信号識別部、 41 継続時間検出部、 42〜42 尖度演算部、 43 侵入物体検知部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Intrusion object detection apparatus, 10 Vibration sensor, 11 Preamplifier, 20 Analysis circuit, 21 A / D converter (ADC), 22 Frequency analysis part, 221 Orthogonal transformation part, 222 Signal separation part, 223 Signal addition part, 23 1 ˜23 M detection processing unit, 24 1 ˜24 M band filter, 31 background noise estimation unit, 32 signal extraction unit, 34 significant vibration extraction unit, 35 frequency determination unit, 40 signal identification unit, 41 duration detection unit, 42 1 -42 M kurtosis calculation part, 43 Intrusion object detection part.

Claims (7)

背景雑音を含む振動波を表す時系列のセンサ信号を周波数領域信号に直交変換し、前記周波数領域信号の中から所定の周波数帯域の帯域信号を分離する周波数解析部と、
前記背景雑音がガウス分布に従うと仮定したときの前記帯域信号の時間変化の統計量に基づいて判定閾値を算出する背景雑音推定部と、
前記帯域信号の系列から前記判定閾値を超える信号レベルを持つ信号を抽出する信号抽出部と、
前記信号抽出部の出力系列のうち周期振動を構成する有意な信号系列を抽出する有意振動抽出部と、
前記有意な信号系列が特定の振動発生頻度を有するか否かを判定する頻度判定部と、
前記信号抽出部の出力系列が前記特定の振動発生頻度を有すると判定されたとき、前記センサ信号の帯域をフィルタリングして前記所定の周波数帯域を有するフィルタ信号を出力する帯域フィルタと、
前記フィルタ信号の波形分布の尖度を算出し、前記尖度に基づいて侵入物体の種類を検知する信号識別部と
を備えることを特徴とする侵入物体検知装置。
A frequency analysis unit that orthogonally transforms a time-series sensor signal representing a vibration wave including background noise into a frequency domain signal, and separates a band signal of a predetermined frequency band from the frequency domain signal;
A background noise estimation unit that calculates a determination threshold based on a statistic of temporal change of the band signal when it is assumed that the background noise follows a Gaussian distribution;
A signal extraction unit that extracts a signal having a signal level exceeding the determination threshold from the band signal sequence;
A significant vibration extractor for extracting a significant signal sequence constituting periodic vibrations from the output sequence of the signal extractor;
A frequency determination unit for determining whether the significant signal series has a specific vibration occurrence frequency; and
A band filter that filters a band of the sensor signal and outputs a filter signal having the predetermined frequency band when it is determined that the output sequence of the signal extraction unit has the specific vibration occurrence frequency;
An intruding object detection apparatus comprising: a signal identification unit that calculates a kurtosis of a waveform distribution of the filter signal and detects a type of an intruding object based on the kurtosis.
請求項1に記載の侵入物体検知装置であって、
前記信号識別部は、
前記尖度を算出し、当該算出された尖度に基づいて周期振動発生期間を指定する尖度演算部と、
前記周期振動発生期間における前記センサ信号の系列の中から周期振動を構成する各信号波形の継続時間長を検出する継続時間検出部と、
当該検出された継続時間長に基づいて前記侵入物体の種類を検知する侵入物体検知部と
を含むことを特徴とする侵入物体検知装置。
The intruding object detection device according to claim 1,
The signal identification unit is
A kurtosis calculation unit for calculating the kurtosis and designating a period of occurrence of periodic vibration based on the calculated kurtosis;
A duration detection unit for detecting a duration of each signal waveform constituting periodic vibrations from the series of sensor signals in the periodic vibration generation period;
An intruding object detection apparatus comprising: an intruding object detection unit that detects the type of the intruding object based on the detected duration time.
請求項2に記載の侵入物体検知装置であって、前記尖度演算部は、当該算出された尖度が連続的に所定の閾値を超える期間を前記周期振動発生期間として指定することを特徴とする侵入物体検知装置。   The intruding object detection device according to claim 2, wherein the kurtosis calculation unit specifies a period in which the calculated kurtosis continuously exceeds a predetermined threshold as the periodic vibration occurrence period. Intruding object detection device. 請求項2または3に記載の侵入物体検知装置であって、前記侵入物体検知部は、当該検出された継続時間長を、人員の歩行1歩で生ずる振動継続時間の基準値と比較し、その比較結果に基づいて前記侵入物体が人員であるか否かを判定することを特徴とする侵入物体検知装置。   The intruding object detection device according to claim 2, wherein the intruding object detection unit compares the detected duration time with a reference value of a vibration duration time generated in one step of walking of a person, An intruding object detection device that determines whether or not the intruding object is a person based on a comparison result. 請求項2から4のうちのいずれか1項に記載の侵入物体検知装置であって、前記侵入物体検知部は、当該検出された継続時間長を、降雨で生ずる振動継続時間の基準値と比較し、その比較結果に基づいて降雨の有無を判定することを特徴とする侵入物体検知装置。   5. The intruding object detection device according to claim 2, wherein the intruding object detection unit compares the detected duration time with a reference value of a vibration duration time caused by rainfall. And an intruding object detection device that determines the presence or absence of rainfall based on the comparison result. 請求項1から5のうちのいずれか1項に記載の侵入物体検知装置であって、前記周波数解析部は、前記周波数領域信号の中から前記所定の周波数帯域の信号を抽出し、当該抽出された信号を互いに加算することで前記帯域信号を生成することを特徴とする侵入物体検知装置。   The intruding object detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the frequency analysis unit extracts a signal of the predetermined frequency band from the frequency domain signal, and the extraction is performed. An intruding object detection device, wherein the band signal is generated by adding the received signals to each other. 請求項1から6のうちのいずれか1項に記載の侵入物体検知装置であって、
前記振動波を検出してアナログセンサ信号を出力する振動センサと、
前記アナログセンサ信号を、デジタル信号である前記センサ信号に変換するA/D変換器と
をさらに備えることを特徴とする侵入物体検知装置。
The intruding object detection device according to any one of claims 1 to 6,
A vibration sensor that detects the vibration wave and outputs an analog sensor signal;
An intruding object detection device further comprising an A / D converter that converts the analog sensor signal into the sensor signal that is a digital signal.
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