泄漏电缆周界入侵信号检测方法及仿真研究

宁晚

（中铁一局电务公司陕西西安710004）

摘要：周界入侵防盗报警系统而言，提高入侵信号的检测率既是难点问题也是热点问题。目前所应用的泄漏电缆周界入侵探测报警系统，都是将入侵信号视为平稳随机信号，采用FFT法来处理。然而，在自然界中存在的信号大都是非平稳随机信号，其特点是非平稳，统计量是时变函数，周界入侵信号也是如此。因此，以傅里叶变换为基础的分析方法无法获得许多关键信息，难以满足实际应用，必须研究更先进的信号处理方法来解决这个难题。本文分析了泄漏电缆周界入侵信号检测方法及仿真。

关键词：泄漏电缆；周界入侵；信号检测

近年来，周界入侵防盗报警已经成为政府机要部门、银行、监狱、厂矿、公司等机构安全防范的重要组成部分。在基于各种原理的周界入侵防盗报警系统中，泄漏电缆周界入侵防盗报警系统具有漏报率最低、隐蔽性高、受环境影响小、适应各种地理条件等特点，已经成为目前应用最广、发展前景十分良好的一种技术和产品。

一、泄漏电缆周界入侵信号的特点

产生周界入侵信号的因素一般有两种:人为因素和非人为因素。人为因素产生的信号又分为主动意识行为和蓄意行为，主动意识行为主要有人的行走、跑、跳、开车、匍匐等行为。蓄意行为主要有蓄意磁干扰、引诱入侵等。非人为因素产生的信号主要有猫、狗、兔子等动物的入侵和风雨雷电等自然条件的影响等等。无论是人的行为还是自然界对系统的影响，信号往往是非平稳的，其统计量是时变函数。

二、泄漏电缆周界入侵信号检测方法

时频分析的基本思想就是设计时间和频率的联合函数，利用它可以同时描述信号在不同时间和频率的能量密度和强度。时频分析能将频谱随时间的演变关系明确地表示出来，能更加清晰地分析时变函数，更符合实际应用的需要。目前，典型的时频分析方法主要有三种。

1.短时傅里叶变换。短时傅里叶变换将非平稳信号假定为分段平稳的，通过采用一个滑动窗截取信号，一次次地对截得的信号进行傅里叶变换，从而得到任意时刻信号的频谱。短时傅里叶变换虽然可以描述一局部时间段上的频率信息，但是其时频域的分辨率不随时间和频率的变化而变化。如此就可能产生如下情况:对于要分析的非平稳随机信号，某一小时间段以高频信息为主，用短时间窗进行分析;而某一长时间段是一些低频信息，却用一个长时间窗进行分析。因此对一个时变的非平稳随机信号，利用短时傅里叶变换法难以找到一个合适的时间窗口来适应于不同的时间段。

2.Gabor变换。Gabor变换产生的时频图较清晰，但其复杂度高会对显示造成一定的延迟，并且依旧存在短时傅里叶变换的缺陷，即:难以找到一个合适的时间窗来适应于不同的时间段信号，依旧难以表达信号频谱随时间的演变关系。由上述分析可以看出，无论是短时傅里叶变换、威格纳分布或是Gabor变换实质都是傅里叶变换基础上加时间窗的变换，随着时间窗的移动而形成信号的一种时频表示或者取样的结果。它们都受制于海森堡测不准原理，一旦窗函数选定，时频分辨率便确定下来，使它对非平稳随机信号的分析存在局限性，不能敏感地反映信号的突变，只适应于对缓变信号的分析。

3.HHT变换。HHT是一种非线性和非平稳信号分析处理方法。该方法首先利用经验模态分解对信号进行自适应筛选，将其分解为一系列固有模态函数，然后对每个固有模态函数进行变换，从每个分量的变换中提取出分量的瞬时时频特征和频率能量特征，从而提取到信号的全部信息。用经验模态分解对数据进行预处理，将信号分解成一组模态函数分量，从而使瞬时频率这一概念具有实际的物理意义，选用HHT作为入侵信号探测的方法相比于其他二种时频分析方法会有效。

三、仿真研究

1.仿真的总体思路。由于该系统在防护周界上是分成多个不同的防护区域，每个防护区域对应不同频率的电磁信号，因此仿真时在防护周界上不妨设置20个频点，在无扰动时利用快速傅里叶变换分析其频谱;在有多点扰动时(两点以上，例如三点)，再利用快速傅里叶变换分析其频谱，并把该频谱与无扰动时的频谱进行对比分析，从而确定在哪个频点上有扰动，进而确定出相应的那个区域内有入侵事件发生。20个频点的主频点设置为45MHz，每个频点的频率间隔设置为100Hz，利用快速傅里叶变换算法计算1024个采样点的频谱。因此，频谱的采样分辨率大约为0.1Hz，完全能够满足实际需要。

2.仿真的器件选择和参数设置。选用正弦信号产生器模块作为标准信号源和扰动信号源。扰动信号源与标准信号源通过乘法器模块形成有扰动的混合信号，有扰动的各个混合信号通过加法器模块混合在一起统一送入FFT模块进行快速傅里叶换并取幅值，最后显示仿真结果。由于计算45MHz信号1024点的快速傅里叶变换数据量比较大，相应的计算时间就比较长。因此，可以先把所有信号统一降频后再进行快速傅里叶变换计算。为仿真方便，不妨设置各标准信号为降频后的低频信号。根据上述分析，标准信号的频率从100Hz到2000Hz，每间隔100Hz设置一个频点，共20个频点，幅值均为5。当扰动信号发生在三个频点上时，三个扰动信号的频率依次分别为5Hz、0.5Hz和0.05Hz，三个扰动信号的幅值均为1。

3.仿真结果及结果分析。当扰动发生在200Hz、300Hz和400Hz三个频点上时，Scope显示的仿真结果如图1所示。图1可以看出，无扰动时的信号频谱与有三点扰动时的信号频谱是不相同的。在三点同时存在扰动时是可以通过信号的频谱分析确定不同扰动的具体位置的。本仿真也对四点和五点同时存在扰动信号的情况进行了研究，得到的仿真结果表明，把采集到的多点入侵扰动信号不经过分频处理直接送入信号处理电路进行快速傅里叶变换，其无扰动时的信号频谱与有扰动时的信号频谱是不同的，而且存在多点入侵扰动信号时信号的频谱也都互不相同;即使扰动信号的位置和扰动信号的点数相同但扰动信号不同时，信号的频谱也都是互不相同的。因此，在多点同时存在入侵扰动信号时是可以直接通过信号的频谱分析确定不同扰动的具体位置的。由此可见，把采集到的多点入侵扰动信号不经过分频处理直接送入信号处理电路进行快速傅里叶变换，在有效完成检测任务的同时既可减少电路的硬件成本，又有利于电路的优化配置和电路的集成化设计。

（图1）

将多种频率的电磁信号及入侵扰动信号看成一个整体，不经过分频、滤波等预处理，直接送入信号处理单元利用FFT对无入侵时的稳定多频电磁信号和有入侵时的多种频率的电磁信号及入侵扰动信号的混合信号进行对比、判断和识别，能准确无误地分辨出入侵扰动信号，并且可以确定具体的入侵地域，进而及时发出入侵警报。仿真研究结果证明，该方法的应用不仅可以实现对多点入侵扰动信号的检测，解决了周界入侵检测方法与技术中对多个同时入侵信号的检测这一难题，而且使检测电路更加精简、更便于集成化。

参考文献

[1]王明吉，张勇，李玉爽，等.单主机高精度周界入侵探测报警系统.仪器仪表学报，2016;27(12):1718—1720.

[2]李志刚，李玉爽，董庆南．一种数字化周界入侵探测系统．科学技术与工程，2015;12(9):3493—3495.