專利名稱：一種超聲波入侵探測方法和探測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種入侵探測方法和探測裝置，特別涉及一種基于模式識別的超聲波入侵探測方法和探測裝置。
背景技術：
入侵探測裝置是用來探測入侵者的移動或其它動作的電子及機械部件所組成的裝置。它包括主動和被動紅外入侵探測器、微波入侵探測器、微波和被動紅外復合入侵探測器、超聲波入侵探測器、振動入侵探測器、音響入侵探測器、磁開關入侵探測器、超聲和被動紅外復合入侵探測器等等。
現(xiàn)有的入侵探測裝置都不可避免的會產(chǎn)生虛警，或者說是誤報。在沒有入侵行為時，入侵探測裝置發(fā)出的報警叫做虛警。入侵探測裝置產(chǎn)生虛警的原因很多，比如元件故障或外界影響等等。虛警所產(chǎn)生的惡劣后果是不堪設想的，比如因為虛警增加了許多不必要的麻煩而使人感到厭煩，從而大大降低入侵探測裝置的可信度?？梢栽O想，如果在半夜，商店的管理人員和住宅的主人經(jīng)常由于虛警而被驚醒，他們是不會再愿意使用這種虛警率高的入侵探測裝置。最壞的后果是它使警察或保安人員毫無必要地火速趕到現(xiàn)場，這樣他們本身的安全和周圍人們的安全都會受到危害。因此，虛警是現(xiàn)有入侵探測裝置的致命弱點。
目前，已經(jīng)廣泛存在的微波多普勒入侵探測裝置常常被稱為雷達報警器，因為它實際上是一種多普勒雷達，應用多普勒原理，輻射電磁波，覆蓋一定探測范圍，若探測到該范圍內(nèi)移動的物體就報警。從技術上講，一般要求該類入侵探測裝置應由一個或多個傳感器和信號處理器組成，探測裝置應具有能改變探測范圍的方法。微波入侵探測裝置的主要缺點是安裝要求較高，如果安裝不當，微波信號就會穿透裝有許多窗戶的墻壁而導致頻繁的誤報。另一個缺點是它會發(fā)出對人體有害的微量能量，因此必須將能量控制在對人體無害的水平。此外，微波入侵探測裝置會受到空中交通和國防部門所用的高能量雷達的干擾。
隨著科學發(fā)展，超聲進入了人們的視野。利用超聲波的特點及優(yōu)點，人們發(fā)明了超聲波入侵探測裝置。超聲波入侵探測裝置具有以下優(yōu)點安裝簡單，低能耗，低造價，且發(fā)射不可聽的超聲波，不會驚擾入侵者，有利于抓捕入侵者。
現(xiàn)有技術中的超聲波多普勒入侵探測裝置，例如專利US6,157,293，專利名稱為“Device for detecting the intrusion of a body in a predetermined space”中公開的技術，其原理和微波多普勒入侵探測裝置基本相同，只是發(fā)射的信號變成了超聲波，利用超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲信號。但此類超聲入侵探測裝置存在下述缺點如果房間里通風很好，或是房間的某個部位存在溫度差，使空氣流動較大，就會使相對安裝的超聲波報警器發(fā)生誤報。因為在空氣流動較大的情況下，如果發(fā)射信號順風時，發(fā)出的超聲波到達接收機的速度就會較靜止時快，這樣一來，駐波波形就會被破壞，從而觸發(fā)報警器。此外，如果室內(nèi)存在狗、貓等動物的活動，仍然會觸發(fā)入侵探測裝置，產(chǎn)生較高的虛警率。
綜上所述，現(xiàn)有技術的超聲波入侵探測裝置，存在容易受外界環(huán)境的影響，產(chǎn)生較高的虛警率的不足，因此人們期待一種低虛警率的入侵探測裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在虛警率高的不足，從而提出一種正確率高、虛警率低的基于模式識別的入侵探測方法和探測裝置。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下一種超聲波入侵探測方法，包括如下步驟1)超聲波發(fā)聲器發(fā)射超聲波脈沖信號，并用超聲波接收器接收回波信號；2)對回波信號進行預處理；3)對回波信號提取特征向量；4)使用模式分類器進行模式識別；如果回波信號屬于入侵模式，執(zhí)行步驟5)；如果回波信號不屬于入侵模式，返回重復執(zhí)行步驟1)；5)觸發(fā)報警器報警。
在上述技術方案中，在步驟4)所述模式分類器中儲存信號入侵模式庫，訓練所述模式分類器的步驟包括(a)在封閉空間中有入侵和無入侵兩種情況下，分別采集多個回波信號樣本；(b)對回波信號樣本進行預處理；(c)對回波信號樣本提取特征向量；(d)設定最低正確率95％以上，通過訓練模式分類器，建立信號入侵模式庫。
在上述技術方案中，所述步驟(c)中提取特征向量的方法包括選取時域包絡、頻域能量或信號經(jīng)過變換(如離散余弦變換，小波變換等)后的系數(shù)。
在上述技術方案中，進一步地，步驟1)中所述的超聲波發(fā)聲器可以是壓電陶瓷(PZT)換能器或壓電陶瓷換能器組成的陣列發(fā)聲器，或是壓電薄膜(PVDF)換能器或由壓電薄膜換能器組成陣列發(fā)聲器，或是靜電換能器(電容換能器)或由靜電換能器組成的陣列發(fā)聲器，或是最普通的超聲波發(fā)音器。
在上述技術方案中，進一步地，步驟1)中接收回波信號可以使用傳聲器(Microphone)或普通的超聲波傳感器，可以使用多個接收，也可以使用單個接收。
在上述技術方案中，進一步地，步驟2)的所述預處理包括對回波信號的時域截取，頻域濾波。
在上述技術方案中，進一步地，步驟3)對回波信號進行處理，提取有限維的特征向量。
在上述技術方案中，進一步地，步驟4)根據(jù)步驟3)中提取的特征向量設計分類器進行模式識別?？梢允褂蒙窠?jīng)網(wǎng)絡分類器(如BP，RBF，SOM網(wǎng)絡等)或其他模式分類器(如GMM，HMM，SVM等)。在訓練分類器時，需要通過實驗獲取訓練樣本和測試樣本。識別的結果可以簡單分為兩類即房間內(nèi)有人和無人(包括有貓、狗等其它入侵物的情況)，也可以分為三種(包括有人，有物和無人)及多種。顯然，在分類器具有很高的識別正確率的情況下，系統(tǒng)可以有效的降低虛警率。
一種超聲波入侵探測裝置，如圖1所示，包括一超聲波發(fā)聲器1，用于發(fā)射超聲脈沖信號，超聲脈沖信號經(jīng)過前方障礙物6發(fā)射，產(chǎn)生回波信號；一超聲波接收器2，用于接收回波信號；一A/D轉換器3，與所述超聲波接收器2的輸出端連接，用于對回波信號進行數(shù)字采樣；一控制處理器4，與所述超聲波發(fā)生器1的輸入端、所述A/D轉換器3的輸出端和一報警器5的輸入端相連接；所述報警器5接收到所述控制處理器4的報警信號后報警。
進一步地，所述控制處理器4由脈沖產(chǎn)生單元和回波處理單元組成；所述脈沖產(chǎn)生單元產(chǎn)生驅動所述超聲波發(fā)聲器1的脈沖信號；如圖2所示，所述回波處理單元對回波信號進行處理，主要包括時域截取電路、頻域濾波電路、特征提取電路和模式分類器順序連接。當所述模式分類器判斷房間內(nèi)有入侵時，所述回波處理單元輸出一高電平的報警信號給所述報警器5，所述報警器5報警；反之，所述回波處理單元輸出低電平，所述報警器不報警。
進一步地，所述的模式分類器可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡分類器(如BP，RBF，SOM網(wǎng)絡等)，或其他模式分類器(如GMM，HMM，SVM等)。
進一步地，所述超聲波接收器2可以采用單個傳聲器(Microphone)或單個超聲波傳感器；也可以采用多個傳聲器或多個超聲波傳感器組成；如果是采用傳聲器，還需要一個恒流源驅動該傳聲器。
在應用本發(fā)明時，可以將超聲波發(fā)生器1和接收器2置于封閉空間的某一角，這樣探測范圍可以盡最大可能的覆蓋整個空間。超聲波入侵探測裝置安裝完畢后，首先對空間內(nèi)有人和無人的情況進行樣本采集，從而訓練用于模式識別電路的分類器。當分類器訓練完畢后，就可以對封閉空間進行實時監(jiān)測。
本發(fā)明為了降低虛警率，考慮到房間的聲學特點一個房間有自身特有的聲場，一旦有入侵者進入，房間內(nèi)的聲場就會改變，而且這種改變是比較明顯的。因此利用這種有入侵者前后聲場的改變，借助模式識別的方法，就可以給出正確的判斷。如果從回波信號的角度來理解，當房間內(nèi)有入侵者時，會改變原始回波的產(chǎn)生路徑，因此回波的特征就會改變，而本發(fā)明就是抓住這種改變，提出了上述方法。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于借助模式識別的理論，對房間內(nèi)有人無人的情況進行區(qū)分選取回波信號中受外界環(huán)境影響很小的特征，有效的降低了虛警率。進一步，本發(fā)明還可以識別房間內(nèi)到底是有人入侵，還是有其它動物入侵；借助本發(fā)明，對信號模式識別的更加深入，還可以識別是主人，還是外人進入房間。當然若是主人，就不會報警，反之，則報警?？梢?，本發(fā)明對是否報警的控制更加靈活。


圖1表示基于模式識別的超聲波入侵探測裝置的結構框圖；圖2表示回波處理單元結構示意圖；圖3表示本發(fā)明一實施例的一普通房間的人與其它入侵物的分布示意圖；圖4表示本發(fā)明一實施例中經(jīng)過截取和濾波的回聲信號；圖5表示本發(fā)明一實施例房間內(nèi)有人和無人時的處理后的回聲信號的包絡；
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述本發(fā)明利用入侵者對房間聲場的改變，借助模式識別的方法，有效的降低了虛警率。因此，需要測試人和其它入侵物在房間不同位置處對房間聲場的改變情況，利用這些測得數(shù)據(jù)，訓練模式分類器，從而得到是否有人入侵的判斷結果。
如圖1所示，制作一個依據(jù)本發(fā)明的基于模式識別的超聲波入侵探測裝置，包括超聲波發(fā)聲器1，發(fā)射超聲脈沖信號，超聲信號經(jīng)過前方障礙物6發(fā)射，產(chǎn)生回波信號；超聲波接收器2，接收回波信號；A/D轉換器3，與所述超聲波接收器2的輸出端連接，對回波信號進行數(shù)字采樣；控制處理器4，與所述超聲波發(fā)生器1的輸入端、所述A/D轉換器3的輸出端和一報警器5的輸入端相連接；所述報警器5接收到所述控制處理器4的報警信號后報警。所述控制處理器4由脈沖產(chǎn)生單元和回波處理單元；所述脈沖產(chǎn)生單元產(chǎn)生驅動所述超聲波發(fā)聲器1的脈沖信號；所述回波處理單元，對回波信號進行處理，如圖2所示，主要包括時域截取電路、頻域濾波電路、特征提取電路和模式識別電路順序連接。當所述模式識別電路的結果判斷房間內(nèi)有人時，所述回波處理單元輸出一高電平的報警信號給所述報警器5，所述報警器5報警；反之，所述回波處理單元輸出低電平，所述報警器不報警。所述模式識別電路使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類器(以下簡稱BP網(wǎng)絡)。
如圖3所示，在封閉房間(4m×3.5m×3m)內(nèi)，超聲波發(fā)聲器1和接收器2置于房間的A處，信號發(fā)射的方向正對對面的墻角，考慮到對回波信號的實時處理速度、房間的大小和裝置的能耗等因素，超聲波發(fā)射器1的發(fā)射頻率為40KHz，長度為0.5ms的正弦信號，發(fā)射間隔為10ms。A/D轉換器3對回波信號的采樣頻率是500KHz。
以上的各部分電路，若沒有特別注明的，均采用本領域技術人員熟知的常規(guī)產(chǎn)品或常規(guī)電路并采用常規(guī)方式連接。
由于需要進行模式識別，依據(jù)本發(fā)明的基于模式識別的超聲波入侵探測方法，按照如下步驟1)采集實驗樣本，訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類器；考慮到房間內(nèi)已有家具等物體，在房間內(nèi)讓人和其它入侵物(此處選取一個物體)分別處于B，C，D，E，F(xiàn)五個位置，考慮到房間與人和物體的大小，上述五個位置基本上可以覆蓋整個房間內(nèi)人和物體處于其它位置的情況。人在相應位置處可以靜止或有微小運動。發(fā)射脈沖信號，并記錄下回波信號。每個位置，記錄下100個回波信號，即100個樣本。加上房間內(nèi)既沒有人也沒有上述物體時的情況，最后一共得到11類樣本，共計(5+5+1)*10＝1100個樣本，分別對每個樣本進行處理，處理的過程如圖2所示。
首先，如圖4所示，截取每個回波信號的前60ms內(nèi)的數(shù)據(jù)，因為此時間后的信號很微弱，故將其舍棄。用頻率范圍在20～65KHz的帶通濾波器濾波，濾波后的回聲信號如圖4所示。
接下來的過程就是提取特征向量。需要說明的是，選取特征向量的方法很多，比如選取時域包絡、頻域能量或者信號經(jīng)過各種變換(如離散余弦變換，小波變換等)后的系數(shù)等等。在此實例中，由于發(fā)射的是單頻信號，回波信號主要集中在40KHz左右，故沒有選取與頻域能量有關的特征量，僅僅選取了時域包絡特征；而且研究發(fā)現(xiàn)，選取簡單的時域包絡特征已經(jīng)可以很好的解決識別問題。圖5表示了房間內(nèi)有人和無人時的回波信號的包絡，可以明顯的看到兩種情況下的包絡信號的不同。圖5中實線表示了房間內(nèi)有人時的回波信號的包絡，虛線表示房間內(nèi)無人時的回波信號的包絡，可以明顯看到虛線信號比實線信號多了幾個尖峰。此類尖峰，是由于沒有入侵者時，墻壁的反射回波產(chǎn)生的。這就說明了提取包絡信號作為進行模式識別的特征量的優(yōu)越性。
此實例中提取特征向量的方法如下首先，計算得到回波信號的包絡信號，用平移的矩形窗來截取包絡信號，對每次截取到的信號數(shù)據(jù)點求取平均值并將其作為一個特征向量。這樣特征向量的維數(shù)(VectorDimension)與信號的長度(SignalLength)和矩形窗的長度(WindowLength)有關，即VectorDimension=SingnalLengthWindowLength]]>理論上，特征向量的維數(shù)越大對特征的描述越好，識別的正確率越高；但是維數(shù)過大，也有可能造成特征向量在向量空間中不宜更好的區(qū)分，從而降低識別正確率；而且維數(shù)越大，計算量越大，BP網(wǎng)絡的訓練時間越長。因此，特征向量的維數(shù)不宜過大，應選取合適的值。此合適值可以通過測試來獲得如表1所示，不同的維數(shù)會產(chǎn)生不同的識別正確率。在允許的錯誤率下，選取相應的值。如第二步中選取維數(shù)等于60，此時的錯誤率僅有3.41％。
特征向量提取之后的就是訓練BP網(wǎng)絡。隨機選取每類樣本中的60％來組成訓練樣本集，共計660個樣本；剩余的40％作為測試樣本集，共計440個樣本。表1列出了BP網(wǎng)絡經(jīng)過訓練后的樣本測試情況。
表1

從表1中可以看出，隨著維數(shù)的降低，識別正確率在不斷下降，這完全符合前面的分析；另一方面，識別的正確率也相當高，前三種情況達到了96％以上，這個結果是有優(yōu)勢的。如前所述，實驗研究表明此時也可以區(qū)分房間內(nèi)到底是有人還是有物入侵的情況，識別的正確率達到了94％以上。
最后，使用訓練好的BP網(wǎng)絡測試人在房間內(nèi)走動的正確報警率。
為了更好說明本發(fā)明可以在實際情況下使用，進行了下述的檢測實驗。讓一個人在房間內(nèi)走動，測得100組樣本。綜合考慮網(wǎng)絡訓練的復雜度和正確率，以及人在房間中的運動速度，選取矩形窗的長度等于1ms，并且使用此條件下的已經(jīng)在第一步實驗中訓練完畢的BP網(wǎng)絡來進行有人和無人的測試，結果列于表2。
表2

從表2所示的識別結果中可以看到，實際情況下此發(fā)明的錯誤識別率僅有5％。另外，如果增加訓練BP網(wǎng)絡的樣本數(shù)，即在房間內(nèi)再多測量幾個位置處的回波信號，BP網(wǎng)絡的識別的正確率應該會更高，從而獲得更低的虛警率。
2)訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類器完成以后，進行實際探測；超聲波發(fā)聲器1發(fā)射超聲波脈沖信號，并用超聲波接收器2接收回波信號；3)控制處理器4對回波信號進行預處理；4)控制處理器4對回波信號提取特征向量；5)使用模式分類器進行模式識別；如果回波信號屬于入侵模式，執(zhí)行步驟5)；如果回波信號不屬于入侵模式，返回重復執(zhí)行步驟2)；6)觸發(fā)報警器報警。
觸發(fā)器報警以后，人們會對房間內(nèi)發(fā)生的情況進行相應的處理，處理過后將入侵探測裝置恢復狀態(tài)重新開始工作，從上述步驟2)開始順序向下執(zhí)行。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種超聲波入侵探測方法，包括如下步驟1)超聲波發(fā)聲器發(fā)射超聲波脈沖信號，并用超聲波接收器接收回波信號；2)對步驟1)接收的回波信號進行預處理；3)對預處理后的回波信號提取特征向量；4)使用模式分類器進行模式識別；如果回波信號屬于入侵模式，執(zhí)行步驟5)；如果回波信號不屬于入侵模式，返回重復執(zhí)行步驟1)；5)觸發(fā)報警器報警。
2.根據(jù)權利要求1所述超聲波入侵探測方法，其特征在于，在步驟4)所述模式分類器中儲存信號入侵模式庫，訓練所述模式分類器的步驟包括(a)在封閉空間中有入侵和無入侵兩種情況下，分別采集多個回波信號樣本；(b)對回波信號樣本進行預處理；(c)對回波信號樣本提取特征向量；(d)設定正確率，通過訓練模式分類器，建立信號入侵模式庫。
3.根據(jù)權利要求1或2所述超聲波入侵探測方法，其特征在于，所述步驟3)對回波信號提取特征向量的方法包括選取時域包絡、頻域能量或信號經(jīng)過如離散余弦變換、小波變換后的系數(shù)，提取有限維的特征向量。
4.根據(jù)權利要求1所述超聲波入侵探測方法，其特征在于，步驟1)中所述的超聲波發(fā)聲器是指壓電陶瓷換能器或壓電陶瓷換能器組成的陣列發(fā)聲器，或是壓電薄膜換能器或由壓電薄膜換能器組成陣列發(fā)聲器，或是靜電換能器或由靜電換能器組成的陣列發(fā)聲器，或是超聲波發(fā)音器。
5.根據(jù)權利要求1所述超聲波入侵探測方法，其特征在于，步驟1)中接收回波信號是使用傳聲器或超聲波傳感器。
6.根據(jù)權利要求1或2所述超聲波入侵探測方法，其特征在于，所述步驟2)中對回波信號進行預處理包括對回波信號的時域截取和頻域濾波。
7.一種超聲波入侵探測裝置，包括一超聲波發(fā)聲器(1)，用于發(fā)射超聲脈沖信號，超聲脈沖信號經(jīng)過障礙物(6)發(fā)射，產(chǎn)生回波信號；一超聲波接收器(2)，用于接收回波信號；一A/D轉換器(3)，與所述超聲波接收器(2)的輸出端連接，用于對回波信號進行數(shù)字采樣；一控制處理器(4)，與所述超聲波發(fā)生器1的輸入端、所述A/D轉換器3的輸出端和一報警器5的輸入端相連接；所述報警器(5)接收到所述控制處理器(4)的報警信號后報警；其特征在于，所述控制處理器(4)由脈沖產(chǎn)生單元和回波處理單元組成；所述脈沖產(chǎn)生單元產(chǎn)生驅動所述超聲波發(fā)聲器(1)的脈沖信號；所述回波處理單元對回波信號進行處理，包括時域截取電路、頻域濾波電路、特征提取電路和模式分類器順序連接，所述模式分類器的輸出信號給所述報警器(5)。
8.根據(jù)權利要求7所述超聲波入侵探測裝置，其特征在于，所述模式分類器是指如BP、RBF、SOM網(wǎng)絡的神經(jīng)網(wǎng)絡分類器，或如GMM、HMM、SVM的模式分類器。
9.根據(jù)權利要求7所述超聲波入侵探測裝置，其特征在于，所述超聲波接收器(2)采用單個傳聲器或多個傳聲器組成，該入侵探測裝置還包括一個恒流源驅動所述傳聲器。
10.根據(jù)權利要求7或8所述超聲波入侵探測裝置，其特征在于，所述超聲波接收器(2)采用單個超聲波傳感器或多個超聲波傳感器組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波入侵探測方法和探測裝置。該方法包括(1)接收回波信號；(2)對回波信號進行預處理；(3)對回波信號提取特征向量；(4)使用模式分類器進行模式識別；(5)觸發(fā)報警器報警。該裝置包括一超聲波發(fā)聲器、一超聲波接收器、一A/D轉換器、一控制處理器和一報警器；控制處理器由脈沖產(chǎn)生單元和回波處理單元組成，回波處理單元主要包括時域截取電路、頻域濾波電路、特征提取電路和模式分類器順序連接。本發(fā)明選取回波信號中受外界環(huán)境影響很小的特征，有效的降低了虛警率，且本發(fā)明對是否報警的控制更加靈活。
文檔編號G08B13/184GK1979575SQ20051012622
公開日2007年6月13日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權日2005年11月30日
發(fā)明者楊軍, 李岳鵬, 李曉東, 田靜 申請人:中國科學院聲學研究所