應用于智能報警系統的腳步振動信號的研究

應用于智能報警系統的腳步振動信號的研究

　　引言

　　基于腳步振動信號的智能報警系統，在安全領域是一個新的課題。若要實現報警效果的智能化，深入對腳步振動信號的認知是一個必不可少的過程。由于此報警系統含有上位機和下位機兩個模塊，智能化不可避免的要同時在兩個部分都有實現才更加合理，即一個智能化采集報警下位機裝置、一個智能化上位機信號分析系統。腳步振動信號的一些時域特征是實現下位機部分智能化的關鍵，也是本研究的出發點。論文將從振動信號的應用現狀來闡述振動的信號的應用前景，并從振動及振動信號的基本理論出發，得出腳步振動信號的那些能夠智能化的特征參數。希望研究能為后續工作的展開做好理論支持，并且能夠得到后續工作的支持。

　　1 應用現狀

　　振動信號的應用在計算機應用領域并不是很廣泛，人們更多的關注的是語音等音頻信號。但是在其它領域振動信號得到了廣泛的應用，比如設備故障監測、工程物探、質量檢測、戰場監控等。下面將從這幾個方面來詳細論述：

　　在機器的運行過程中，機器的運轉要產生振動，不斷的振動就是一系列振動信號，在正常情況下從機器上得到的振動信號是一種復雜的周期性振動，對于每個周期而言，它的振動是隨機的，但是對于同一種設備來說，這個隨機又是確定，所以說這個振動應該說是一個確定的周期性振動，一旦發生機器的某一部分運轉不正常，這個振動信號的每個周期就會出現不同的波動反應[1]。從而與實踐聯系就能得到設備是否發生故障，是哪部分發生故障。在這方面技術可以說技術已經很成熟。但是對我們所要研究的信號似乎沒有什么幫助[1]。

　　在工程物探和質量檢測上，這兩個分類其實可以說是一個只是同樣的儀器用在了不同的作用上而已。在工程物探非性手段中，利用彈性波理論的儀器大量出現，甚至在煤，石油的勘查中用到的儀器，也多是人工產生震源，采集地震波信號，用來分析得出結論[2]。在淺層物探和質量檢測中，方法也是大同小異。在我最熟悉的陸地聲納法中，采用的就是對人工錘擊振動信號的采集，分析地下或者掌子面前方的地質情況[3]。在質量檢測上，就是得出混凝土的厚度、中間是否有空洞、鋼筋含量是否足夠等結論[4]。從這個方面來說，采集裝置應當是我們的參考，便是關于智能化采集還要靠進一步的研究工作。

　　另一個方面的應用，雖說有人的參與但是從現在戰爭來看似乎更多的是機械的參與。不過在戰場偵察中振動信號的偵測還是很有效的，振動信號本身具有靈敏性高、傳播距離遠等特性[5]。使得振動信號在戰場上有了更廣闊的舞臺。

　　從以上的幾個應用可以看出，振動信號作為一種地震波信號，能夠通過多種方式應用，腳步振動信號，不僅有著振動信號的優勢，還有著人行為的復雜性，這即為信號增加了復雜性，也同時為智能化報警提供了一個契機。

　　2 理論分析

　　振動是物體在其平衡位置附近所作的往復運動。

　　振動波包括體波、面波，體波又分為橫波、縱波。振動波是一種能量的傳輸過程，當振動波通過某一質點時，質點的運動規律就是振動。

　　振動信號是一個數字信號的概念，當物體振動時，它的加速度或者說速度是一個不斷變化的過程，正好體現了通過此物體的振動波的波動情況。通過附在物體上的傳感器以電壓變化的方式把這種振動過程體現出來，得到的一系列數字化的數據，就是我們所要研究的振動信號。

　　振動波在固體里傳輸，是同時存在兩種體波，而且波在固體的傳播速度快，由于彈性系數高，衰減小，傳播距離更遠也更靈敏。當振動波傳播到固體與其它介質的分界面時，比如說空氣，由于空氣的彈性系數比較低，沒有了高彈性物質的壓制，振動波在交界面上會產生大于在固體中振幅的面波，同時產生劇烈的能量損失。

　　聲波也是振動波（彈性波）的一種，由于空氣中不存在切應力，在空氣中只能傳播縱波，從空氣中采到的聲音信號是振動波在空氣中的傳輸。

　　我們的報警裝置設定是在腳步震源附近采集信號，傳感器貼于地面，得到的是強烈的面波、淺層的反射波，淺層的直達橫波共同疊加的振動波。

　　而我們要研究的就是，此振動波的頻率范圍、振幅表現。以及多少時間才能采集到一個完整的、保存著明顯腳步振動信號特征的振動信號。

　　3 實驗分析

　　結合上述問題，翻閱了大量的文獻資料。地震波是多種波的疊加，它一般是指在地面以下，高彈性介質中傳播的體波，它的頻率較低，在10-100Hz 之間[5]。

　　在工程物探中常用錘擊法人工獲得震源，這個方法與腳步振動信號的方法相近，在陸地聲納的資料中，經錘擊能夠激發和接收到10-4000Hz 頻帶的波，不同的應用再進行不同的濾波處理[3]。

　　在得不到準確答案的情況下，設計了一個實驗：

　　采用流行的麥克風和專業音頻編輯軟件Cooledit 進行腳步聲波信號的錄制，麥克風的頻率響應范圍是20Hz-20KHz。Cooledit 采樣率設為44100、單聲道、32 位。把麥克風貼放于地面，在麥克風前做聲波測試。

　　我們得到的撞擊的聲波信號，可以說是振動產生的縱波傳遞給空氣引起空氣振動的波形信號，根據波的傳播的理解，我們知道波在不同介質中的傳播，頻率不變�？梢哉f由聲波信號算出的頻率于振動信號頻率相對應，而且還能得到振幅的變化特征，并能得到具有明顯振動波形的信號長度。

　　中選中部分為34ms 經過估算能最大表現出振動信號的特征的頻率在20-60Hz，更高頻的振動不是不存在，而是對波形信號的表現上沒有什么太大的幫助如放大的所示。

　　因為實驗中麥克風的頻率響應范圍最低是20Hz 所以我們取地震波頻率的下限10Hz。

　　我們要能得到 10-60Hz 的振動信號，就能夠重現振動波形。根據奈奎斯特采樣定理[6](1927 年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續信號（模擬信號）進行抽樣，且在抽樣率達到一定數值時，根據這些抽樣值可以在接收端準確地恢復原信號。為不使原波形產生“半波損失”，采樣率至少應為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。）采樣率至少應該為最高頻率的2 倍，但是要能夠工程應用使波形重現，采樣率應該合理的設為4-5 倍，當然采樣率越大越能完美的重現。所以我們的采樣率最好能設為50-300Hz，即3.3ms 獲得一個采樣數據。對現在的AD 轉換器來說不成問題。

　　當物體敲擊地面時，是一個很干脆的過程，所以持續時間很短，但是當人在走路時并不是簡單的拿鞋去敲擊地面。而是一個過程，先是腳跟著地，再過渡到腳尖。（這就是為什么穿皮鞋時一腳下去會聽到兩個聲音的原因。）當人們的心情不同也就是說著急情況不同時，這個過程是不一樣的，心情越急，腳跟到腳尖的過渡越快，甚至一起，當人們跑起來時，腳跟甚至不著地，直接以腳尖著地。

　　為踏步信號，圖中所選部分為88ms。經多次實驗比較得出，具有腳步信號特征的信號長度在50-100ms 比普通重物撞擊地面的時長要長。從頻率上看沒有什么變化，但是從振幅上看，腳步信號的振幅擁有更多的極值波峰或者波谷，最大振幅比之撞擊要小。如上所述，在上述采樣率下采集時間最好在100ms，才能夠得到完整的腳步振動信號。

　　虛警排除算法

　　1. 對于平衡的環境信號，在系統啟動的時候，采集定量的數據，求均值，做為信號的平衡位置，同時也做為信號采集的門限值的基礎。

　　2. 對于突然發生的，物體落地或者單一振動信號，能夠超越門限值引發信號采集的信號，求取整個信號時長內的均差。超過某個值的信號才有可能是腳步振動信號。

　　3. 對于滿足前兩步條件的信號，引發一個計數一人計時程序，同時采集端斷續工作。在2秒內計數超過5次或者低于2次的信號丟棄，不符合人的行為。滿足條件的可以上傳到上位機進行進一步的分析，也可同時引發報警。

　　4 結論與展望

　　腳步振動信號作為本研究的主要對象，作為振動波本身來說，它的頻率屬于低頻頻帶，作為一個報警系統的信號源，我們所要采集的頻率范圍處在10-60Hz 之間。振幅同時也反映了振動的強度，它的確定要因環境而異不是一個確定的值。特征信號長度為100ms。作為人的行為來說，腳步振動信號又受到人的心情、鞋的材質等諸多因素的影響。其中最重要的就是，人的腳步不自覺的是一個有節奏的狀態，人不同在一秒中走上十幾步。這也是智能報警系統中虛警排除算法中非常重要的一環。

　　作為腳步振動信號智能報警系統的理論研究工作，我們得到了幾個在應用中非常重要的數據，為整個報警系統下位機智能采集和自主虛警處理設計了幾種算法。時域內的特征用來完成采集系統的智能化，對于個體的識別，則需要更多的特征值和算法。

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　　[參考文獻] (References)

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　　[3] 鐘世航 淺層高分辨率勘查中的陸地聲納法[J] Application of Landsonar Method in ShallowwhighResolution Survey[J]工程地球物理學報，2004，第1 卷，第1 期：31～37

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　　[5] 孔飛 基于多通道傳感器的人員腳步信號的探測與跟蹤[M] based on the multi-channel sensor pace signaldetection and tracking[M] 南京：南京理工大學，2006

　　[6] 胡x平，王晶杰數字傳感器信號采樣技術研究[J] Digital sensor signal sampling technique[J] 計算機工程與設計，2012,30(24)，5739-5742

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