泄漏電纜周界入侵信號檢測方法及仿真研究

1、泄漏電纜周界入侵信號檢測方法及仿真研究寧晚（中鐵一局電務(wù)公司 陜西西安710004）摘要：周界入侵防盜報警系統(tǒng)而言，提高入侵信號的檢測率既是難點問題也 是熱點問題。目前所應(yīng)用的泄漏電纜周界入侵探測報警系統(tǒng)，都是將入侵信號視 為平穩(wěn)隨機信號，采用fft法來處理。然而，在自然界中存在的信號大都是非 平穩(wěn)隨機信號，其特點是非平穩(wěn)，統(tǒng)計量是時變函數(shù)，周界入侵信號也是如此。 因此，以傅里葉變換為基礎(chǔ)的分析方法無法獲得許多關(guān)鍵信息，難以滿足實際應(yīng) 用，必須研究更先進的信號處理方法來解決這個難題。木文分析了泄漏電纜周界 入侵信號檢測方法及仿真。關(guān)鍵詞：泄漏電纜；周界入侵；信號檢測近年來，周界入侵防盜報警己經(jīng)

2、成為政府機要部門、銀行、監(jiān)獄、廠礦、公 司等機構(gòu)安全防范的重要組成部分。在基于各種原理的周界入侵防盜報警系統(tǒng)中, 泄漏電纜周界入侵防盜報警系統(tǒng)具有漏報率最低、隱蔽性高、受環(huán)境影響小、適 應(yīng)各種地理條件等特點，己經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣、發(fā)展前景十分良好的一種技術(shù) 和產(chǎn)品。一、泄漏電纜周界入侵信號的特點產(chǎn)牛周界入侵信號的因素一般有兩種：人為因素和非人為因素。人為因素產(chǎn) 牛的信號乂分為主動意識行為和蓄意行為，主動意識行為主要有人的行走、跑、 跳、開車、匍匐等行為。蓄意行為主要有蓄意磁干擾、引誘入侵等。非人為因素 產(chǎn)生的信號主要有貓、狗、兔子等動物的入侵和風雨雷電等自然條件的影響等等。 無論是人的行為還是

3、自然界對系統(tǒng)的影響，信號往往是非平穩(wěn)的，其統(tǒng)計量是時 變函數(shù)。二、泄漏電纜周界入侵信號檢測方法時頻分析的基本思想就是設(shè)計時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)，利用它可以同時描述 信號在不同吋間和頻率的能量密度和強度。吋頻分析能將頻譜隨時間的演變關(guān)系 明確地表示出來，能更加清晰地分析吋變函數(shù)，更符合實際應(yīng)用的需要。目前， 典型的時頻分析方法主要有三種。1. 短時傅里葉變換。短時傅里葉變換將非平穩(wěn)信號假定為分段平穩(wěn)的，通過 采用一個滑動窗截取信號，一次次地對截得的信號進行傅里葉變換，從而得到任 意時刻信號的頻譜。短時傅里葉變換雖然可以描述一局部吋間段上的頻率信息， 但是其吋頻域的分辨率不隨吋間和頻率的變化而變化。

4、如此就可能產(chǎn)生如下情況: 對于要分析的非平穩(wěn)隨機信號，某一小吋間段以高頻信息為主，用短吋間窗進行 分析；而某一長吋間段是一些低頻信息，卻用一個長吋間窗進行分析。因此對一 個吋變的非平穩(wěn)隨機信號，利用短時傅里葉變換法難以找到一個合適的時間窗口 來適應(yīng)于不同的時間段。2. gabor變換。gabor變換產(chǎn)生的吋頻圖較清晰，但其復雜度高會對顯示造 成一定的延遲，并口依i口存在短吋傅里葉變換的缺陷，即：難以找到一個合適的 時間窗來適應(yīng)于不同的時間段信號，依舊難以表達信號頻譜隨時間的演變關(guān)系。 由上述分析可以看出，無論是短時傅里葉變換、威格納分布或是gabor變換實 質(zhì)都是傅里葉變換基礎(chǔ)上加吋間窗的變換

5、，隨著口寸間窗的移動而形成信號的種 時頻表示或者取樣的結(jié)果。它們都受制于海森堡測不準原理，一旦窗函數(shù)選定， 時頻分辨率便確定下來，使它對非平穩(wěn)隨機信號的分析存在局限性，不能敏感地 反映信號的突變，只適應(yīng)于對緩變信號的分析。3. hht變換。hht是一種非線性和非平穩(wěn)信號分析處理方法。該方法首先利 用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解對信號進行自適應(yīng)篩選，將其分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)，然后 對每個固有模態(tài)函數(shù)進行變換，從每個分量的變換中提取出分量的瞬時吋頻特征 和頻率能量特征，從而提取到信號的全部信息。用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解對數(shù)據(jù)進行預處 理，將信號分解成一組模態(tài)函數(shù)分量，從而使瞬時頻率這-概念具有實際的物理 意義，選用hh

6、t作為入侵信號探測的方法相比于其他二種吋頻分析方法會有效。三、仿真研究1 .仿真的總體思路。由于該系統(tǒng)在防護周界上是分成多個不同的防護區(qū)域, 每個防護區(qū)域?qū)?yīng)不同頻率的電磁信號，因此仿真吋在防護周界上不妨設(shè)置20 個頻點，在無擾動時利用快速傅里葉變換分析其頻譜；在有多點擾動吋（兩點以 上，例如三點），再利用快速傅里葉變換分析其頻譜，并把該頻譜與無擾動時的 頻譜進行對比分析，從而確定在哪個頻點上有擾動，進而確定出相應(yīng)的那個區(qū)域 內(nèi)有入侵事件發(fā)生。20個頻點的主頻點設(shè)置為45mhz,每個頻點的頻率間隔設(shè) 置為100hz,利用快速傅里葉變換算法計算1024個采樣點的頻譜。因此，頻譜 的采樣分辨率大約

7、為0.1hz,完全能夠滿足實際需要。2仿真的器件選擇和參數(shù)設(shè)置。選用正弦信號產(chǎn)生器模塊作為標準信號源和 擾動信號源。擾動信號源與標準信號源通過乘法器模塊形成有擾動的混合信號, 有擾動的各個混合信號通過加法器模塊混合在一起統(tǒng)一送入fft模塊進行快速 傅里葉換并取幅值，最后顯示仿真結(jié)果。由于計算45mhz信號1024點的快速 傅里葉變換數(shù)據(jù)量比較大，相應(yīng)的計算時間就比較長。因此，可以先把所有信號 統(tǒng)一降頻后再進行快速傅里葉變換計算。為仿真方便，不妨設(shè)置各標準信號為降 頻后的低頻信號。根據(jù)上述分析，標準信號的頻率從100hz到2000 hz,每間隔 100hz設(shè)置一個頻點，共20個頻點，幅值均為5。

8、當擾動信號發(fā)生在三個頻點 上時，三個擾動信號的頻率依次分別為5hz、0.5 hz和0.05hz,三個擾動信號 的幅值均為lo3.仿真結(jié)果及結(jié)果分析。當擾動發(fā)生在200hz、300hz和400hz三個頻點上 吋，scope顯示的仿真結(jié)果如圖1所示。圖1可以看出，無擾動i寸的信號頻譜與 有三點擾動時的信號頻譜是不相同的。在三點同吋存在擾動吋是可以通過信號的 頻譜分析確定不同擾動的具體位置的。本仿真也對四點和五點同時存在擾動信號 的情況進行了研究，得到的仿真結(jié)果表明，把采集到的多點入侵擾動信號不經(jīng)過 分頻處理直接送入信號處理電路進行快速傅里葉變換，其無擾動時的信號頻譜與 有擾動時的信號頻譜是不同的，

9、而且存在多點入侵擾動信號時信號的頻譜也都互 不相同；即使擾動信號的位置和擾動信號的點數(shù)相同但擾動信號不同時，信號的 頻譜也都是互不相同的。因此，在多點同時存在入侵擾動信號時是可以直接通過 信號的頻譜分析確定不同擾動的具體位置的。由此可見，把采集到的多點入侵擾 動信號不經(jīng)過分頻處理直接送入信號處理電路進行快速傅里葉變換，在有效完成 檢測任務(wù)的同時既可減少電路的硬件成本，又有利于電路的優(yōu)化配置和電路的集 成化設(shè)計。(圖1)將多種頻率的電磁信號及入侵擾動信號看成一個整體，不經(jīng)過分頻、濾波等 預處理，直接送入信號處理單元利用fft對無入侵吋的穩(wěn)定多頻電磁信號和有 入侵時的多種頻率的電磁信號及入侵擾動信號的混合信號進行對比、判斷和識別, 能準確無誤地分辨出入侵擾動信號，并且可以確定具體的入侵地域，進而及吋發(fā) 岀入侵警報。仿真研究結(jié)果證明，該方法的應(yīng)用不僅可以實現(xiàn)對多點入侵擾動信 號的檢測，解決了周界入侵檢測方法與技術(shù)中對多個同吋入侵信號的檢測這