專利名稱：防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安防技術(shù)及傳感網(wǎng)絡(luò)信號處理方法領(lǐng)域，具體涉及防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng) 絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點入侵檢測與定位方法。
背景技術(shù)：
在防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)中，準分布式的陣列傳感節(jié)點無論采用傳統(tǒng)電學傳感器， 還是采用具有抗強電磁干擾、無源的光纖傳感器，由于網(wǎng)絡(luò)各傳感器節(jié)點自身硬件條件的 差別以及安裝條件、安裝環(huán)境、圍欄材質(zhì)的差異，導(dǎo)致各節(jié)點傳感器靈敏度不一致，或相同 的入侵信號在各節(jié)點處的輸出響應(yīng)不同，影響真實入侵信號的準確檢測和定位，因此需要 對各個傳感節(jié)點進行硬件和軟件的一致性標定。于2008年10月22日公開的中國申請專 利=200810059962. 9就是為解決這一問題提出的針對一種震動電學傳感器的一致性標定 方法。然而隨著防入侵監(jiān)測周界的增加或傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，傳感器節(jié)點數(shù)目會大大增 加，一致性標定方法不僅麻煩且成本較高，而且標定后隨著監(jiān)測時間的增長，各節(jié)點傳感器 自身條件發(fā)生變化，或安裝環(huán)境的差異導(dǎo)致傳感網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的一致性仍會逐漸變差，系 統(tǒng)需要每隔一段時間重新進行一致性標定，否則同樣會影響防入侵系統(tǒng)檢測的準確性。特 別對于光學傳感器來說，傳感器靈敏度高，進行一致性標定比較困難，成本較高，而靈敏度 不均勻的傳感節(jié)點噪聲能量差別較大，而且隨時間有變化，如果某節(jié)點處的噪聲能量與微 弱入侵信號能量相當或大于入侵信號能量，會造成漏檢或誤檢情況。對于多點入侵情況由 于靈敏度的不均勻更加難以進行判斷和識別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點 的入侵檢測與定位方法，該方法能克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，無需進行一致性軟件或 硬件標定，檢測的準確率高，誤警率低。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈 敏度節(jié)點的入侵檢測與定位方法，其特征在于，利用信號自身的相關(guān)特性，即有入侵的信號 自相關(guān)時間長度大于無入侵的信號自相關(guān)時間長度，通過計算信號的自相關(guān)函數(shù)，比較非 零時延抽頭處的信號相關(guān)系數(shù)值，來辨別入侵信號的有無。無入侵的信號主要由系統(tǒng)、環(huán)境 等各種噪聲構(gòu)成，無論其幅值強度和能量有多大，信號相關(guān)性弱，信號自相關(guān)函數(shù)曲線下降 趨勢較快，除了時延為0處的信號自相關(guān)系數(shù)值為1外，其他時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)值均 接近為0;而有入侵的信號，無論信號的強弱，信號自身的相關(guān)性較強，信號自相關(guān)函數(shù)曲 線下降趨勢緩慢，在非0的時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)值遠大于0，且在接近0時延抽頭處自 相關(guān)系數(shù)之接近于1。設(shè)接收到的傳感信號陣列為X = Xi (n)，i = 1，2， ，N ;n = 1，2， ，M}，N為傳 感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，M為每個節(jié)點信號的分析長度，各節(jié)點信號的歸一化自相關(guān)函數(shù)為(；=
3恥(x (n)，x (n-1))，1 = 0，1，. . .，M}，1為時間延遲量，單位為采樣點，| Q |彡1 ；設(shè)第I節(jié) 點為無入侵的節(jié)點，無入侵時信號時間自相關(guān)長度為^，第J節(jié)點為有入侵的節(jié)點，有入侵 時信號時間自相關(guān)長度為12，二者相關(guān)時間長度關(guān)系總有0 < “ < 12。選擇一個確定的時間延遲量“ < L < 12，必有歸一化相關(guān)系數(shù)61&(11)，x(n-L))
< Ej (x (n)，x (n-L))，且有盡(x(n), x(n - L)) s 0 , Ej (x(n), x(n-Z)) = l ^Ej (x (n)，
x(n-L)) >>0。設(shè)定一個歸一化自相關(guān)系數(shù)閾值n。，0.5< n。< 1，可以根據(jù)以下公式 判斷入侵信號是否存在 當;|盡=0時，判斷周界沒有入侵；當;|代>0時，判斷周界有入侵，對有入侵的信
號再根據(jù)其頻率特征或所影響的傳感節(jié)點個數(shù)及范圍判斷是由人為入侵引起還是環(huán)境變 化引起；對環(huán)境因素排除后確定有人為入侵，相應(yīng)的氏辛0的節(jié)點下標i即為入侵動作所 影響的傳感節(jié)點，根據(jù)該節(jié)點的安裝位置進行入侵的定位。如果夂=1，為單點入侵；如果；！代>1，對氏=1的連續(xù)幾個節(jié)點i進行聚類，
能夠聚類的幾個節(jié)點判斷是由一個點的入侵動作引起，聚類后最終確定的類的個數(shù)即為實 際入侵點數(shù)，對各個類里的節(jié)點序數(shù)求平均再取整，進行多點入侵的定位。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是，避免傳感網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點一致性標定的麻煩，大大節(jié)約 防入侵系統(tǒng)的安裝、維護及整個系統(tǒng)運行成本，而且該方法從本質(zhì)上對真實入侵與無入侵 信號進行區(qū)別，系統(tǒng)入侵檢測的靈敏度高，適合硬質(zhì)圍欄的微弱入侵信號檢測。確定有入侵 信號存在后，再進行人為入侵和風吹等環(huán)境變化影響的區(qū)別，該方法檢測及定位入侵的準 確率高，誤警率低，適合多點入侵的準確判別，而且適用于多種材質(zhì)混合的周界圍欄防入侵 應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明一個實施例的信號自相關(guān)函數(shù)比較圖。圖2是本發(fā)明入侵檢測裝置的一個實施例，基于準分布式FBG傳感器的光纖圍欄 防入侵系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述本發(fā)明提供一種防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位方法。 本發(fā)明利用入侵信號的自身相關(guān)特性來識別入侵的有無或微弱入侵的存在，使得防入侵系 統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點無需進行一致性軟件或硬件標定。所述的信號自身相關(guān)特性為信號自 身的相關(guān)時間長度。無入侵的信號主要由系統(tǒng)、環(huán)境等各種噪聲構(gòu)成，無論其幅值強度和 能量有多大，信號相關(guān)性弱，自相關(guān)的時間較短，如圖1實線所示，除了時延為0處的自相 關(guān)系數(shù)為1外，其他時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)均接近為0，信號自相關(guān)函數(shù)陡然下降；而有 入侵的信號，無論信號的強弱，信號自身的相關(guān)性較強，信號自相關(guān)函數(shù)曲線呈緩慢下降趨勢，如圖1虛線所示，信號自相關(guān)系數(shù)值在非0時延抽頭處遠大于0，且在時延抽頭為1個 或2個樣本處自相關(guān)系數(shù)值仍接近于1。根據(jù)這點差異，可以通過計算信號的自相關(guān)函數(shù)， 比較非零時延抽頭處的信號自相關(guān)系數(shù)值，從本質(zhì)上辨別是有入侵的信號還是無入侵的信 號。該方法簡單實用，具有較強的噪聲抑制能力，因此對防入侵系統(tǒng)的前端去噪等預(yù)處理要 求不高。下面以基于準分布式FBG傳感器的光纖圍欄防入侵系統(tǒng)為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明 具體實施方法作進一步描述首先介紹一下本發(fā)明具體實施例一所采用的入侵檢測裝置，如圖2所示，由三個 部分組成掛設(shè)在圍欄上或埋在周界地下的鎧裝光纜(串聯(lián)有N個FBG光纖傳感器，可以檢 測N個點)，用于感知周界上入侵的振動或應(yīng)變信號；信號解調(diào)儀，用于提供光源，并對光信 號進行解調(diào)、光電轉(zhuǎn)換與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換；報警系統(tǒng)或處理主機，用于將傳輸過來的傳感網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點信號進行實時處理，判斷入侵有無并進行聲光報警，給出并顯示入侵檢測及其定位結(jié) 果。接下來介紹的就是本發(fā)明的具體實施方法攜帶有入侵信息的光傳感信號通過光纜傳輸給解調(diào)儀，經(jīng)過解調(diào)、光電轉(zhuǎn)換和A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)或串口形式傳輸給處理主機，主機將接收的傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的信 號進行實時處理，判斷入侵的有無并根據(jù)信號能量大小進行定位。對信號的處理是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。由于傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點靈敏度不均勻，直接進 行能量比較來判斷入侵信號的有無，容易造成漏警和誤警，而且設(shè)定的閾值大小與圍欄材 質(zhì)、天氣、環(huán)境等條件有關(guān)，不容易確定，因此需要一種新的入侵檢測方法。作為實施例二， 入侵的檢測方法為設(shè)接收到的傳感信號陣列為
N為 傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，M為每個節(jié)點信號的分析長度，各節(jié)點信號的歸一化自相關(guān)函數(shù)為
為時間延遲量，單位為采樣點，| Q |彡1 ；設(shè)第I節(jié) 點為無入侵的節(jié)點，無入侵時信號時間自相關(guān)長度為^，第J節(jié)點為有入侵的節(jié)點，有入侵 時信號時間自相關(guān)長度為12，二者相關(guān)時間長度關(guān)系總有0 < “ < 12。選擇一個確定的時間延遲量“ < L < 12，必有歸一化相關(guān)系數(shù)氏(1(11
且有盡(x(n), x{n - L))法
1 或
。設(shè)定一個歸一化自相關(guān)系數(shù)閾值n。，0.5< n。< 1，可以根據(jù)以下公式 判斷入侵信號是否存在 當》,=0時，判斷周界沒有入侵；當|凡>0時，判斷周界有入侵，對有入侵的信
號再根據(jù)其頻率特征或所影響的傳感節(jié)點個數(shù)及范圍判斷是由人為入侵引起還是環(huán)境變 化引起；對環(huán)境因素排除后確定有人為入侵，相應(yīng)的氏辛0的節(jié)點下標i即為入侵動作所 影響的傳感節(jié)點，根據(jù)該節(jié)點的安裝位置進行入侵的定位。如果；=1，為單點入侵；如果；！代>1 ,對氏=1的連續(xù)幾個節(jié)點i進行聚類， 能夠聚類的幾個節(jié)點判斷是由一個點的入侵動作引起，聚類后最終確定的類的個數(shù)即為實際入侵點數(shù)，對各個類里的節(jié)點序數(shù)求平均再取整，進行多點入侵的定位。
本發(fā)明實施例中列舉的是基于準分布式FBG光纖傳感器的防入侵系統(tǒng)的具體實 施方法，該發(fā)明的信號處理方法完全可以應(yīng)用到基于其他光學、電類或混合準分布式傳感 網(wǎng)絡(luò)的防入侵系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
一種防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位方法，其特征在于，利用信號自身的相關(guān)特性，即有入侵的信號自相關(guān)時間長度大于無入侵的信號自相關(guān)時間長度，通過計算信號的自相關(guān)函數(shù)，比較非零時延抽頭處的信號相關(guān)系數(shù)值，來辨別入侵信號的有無無入侵的信號主要由系統(tǒng)和環(huán)境噪聲構(gòu)成，無論其幅值強度和能量有多大，信號自身相關(guān)性弱，信號的自相關(guān)時間長度短，信號自相關(guān)函數(shù)曲線下降趨勢較快，除了時延為0處的信號自相關(guān)系數(shù)值為1外，其他時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)值均接近為0；有入侵的信號無論入侵信號的強弱，該信號的相關(guān)性強，信號的自相關(guān)時間長，信號自相關(guān)函數(shù)曲線下降趨勢緩慢，在非0時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)值遠大于0，而且在接近0時延抽頭處的自相關(guān)系數(shù)仍接近于1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位 方法，其特征在于設(shè)接收到的傳感信號陣列為X= {Xi(n)，i = 1，2，…，N;n=l，2，…，M}，N為傳 感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)，M為每個節(jié)點信號的分析長度，各節(jié)點信號的歸一化自相關(guān)函數(shù)為(；= 恥(x (n)，x (n-1))，1 = 0，1，. . .，M}，1為時間延遲量，單位為采樣點，| Q |彡1 ；設(shè)第I節(jié) 點為無入侵的節(jié)點，無入侵時信號時間自相關(guān)長度為^，第J節(jié)點為有入侵的節(jié)點，有入侵 時信號時間自相關(guān)長度為12，二者相關(guān)時間長度關(guān)系總有0 < “ < 12 ；選擇一個確定的時間延遲量h < L < 12，必有歸一化相關(guān)系數(shù)氏(1(11)，x(n-L))< Ej (x (n)，x (n-L))，且有 或 Ej (x (n)，x(n-L)) >>0，設(shè)定一個歸一化自相關(guān)系數(shù)閾值n。，0.5< n。< 1，根據(jù)以下公式判斷入 侵信號是否存在 當 時，判斷周界沒有入侵；當 時，判斷周界有入侵，對有入侵的信號再根據(jù)其頻率特征或所影響的傳感節(jié)點個數(shù)及范圍判斷是由人為入侵引起還是環(huán)境變化引起；對環(huán)境因素排除后確定有人為入侵，相應(yīng)的氏辛0的節(jié)點下標i即為入侵動作所影響 的傳感節(jié)點，根據(jù)該節(jié)點的安裝位置進行入侵的定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位 方法，其特征在于如果 ，為單點入侵；如果 ，對Ri = 1的連續(xù)幾個節(jié)點i進行聚類，能夠聚類的幾個節(jié)點判斷是由一個點的入侵動作引起，聚類后最終確定的類的個數(shù)即為實際入侵點數(shù)，對各個類里的節(jié)點 序數(shù)求平均再取整，進行多點入侵的定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種防入侵系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)非均勻靈敏度節(jié)點的入侵檢測與定位方法，其特征在于，利用信號自身的相關(guān)特性，即有入侵的信號自相關(guān)時間長度大于無入侵的信號自相關(guān)時間長度，通過計算信號的自相關(guān)函數(shù)，比較非零時延抽頭處的信號相關(guān)系數(shù)值，來辨別入侵信號的有無。該方法適用于非均勻靈敏度傳感節(jié)點的檢測，無需進行一致性軟件或硬件標定，檢測與定位的準確性極高，誤警率低，而且適用于多種材質(zhì)混合的大型或長距離周界圍欄防入侵應(yīng)用。此外，采用這種方法可以準確無誤進行多點微弱入侵的檢測。
文檔編號H04W84/18GK101860866SQ20101018199
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者吳慧娟, 饒云江 申請人:電子科技大學