1、泄漏電纜周界入侵信號檢測方法及仿真研究寧晚（中鐵一局電務公司 陜西西安710004）摘要：周界入侵防盜報警系統而言，提高入侵信號的檢測率既是難點問題也 是熱點問題。目前所應用的泄漏電纜周界入侵探測報警系統，都是將入侵信號視 為平穩隨機信號，采用fft法來處理。然而，在自然界中存在的信號大都是非 平穩隨機信號，其特點是非平穩，統計量是時變函數，周界入侵信號也是如此。 因此，以傅里葉變換為基礎的分析方法無法獲得許多關鍵信息，難以滿足實際應 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

2、成為政府機要部門、銀行、監獄、廠礦、公 司等機構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中, 泄漏電纜周界入侵防盜報警系統具有漏報率最低、隱蔽性高、受環境影響小、適 應各種地理條件等特點，己經成為目前應用最廣、發展前景十分良好的一種技術 和產品。一、泄漏電纜周界入侵信號的特點產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 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、自然界對系統的影響，信號往往是非平穩的，其統計量是時 變函數。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計時間和頻率的聯合函數，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系 明確地表示出來，能更加清晰地分析吋變函數，更符合實際應用的需要。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信號假定為分段平穩的，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、如此就可能產生如下情況: 對于要分析的非平穩隨機信號，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 來適應于不同的時間段。2. gabor變換。gabor變換產生的吋頻圖較清晰，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 質都是傅里葉變換基礎上加吋間窗的變換

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果。它們都受制于海森堡測不準原理，一旦窗函數選定， 時頻分辨率便確定下來，使它對非平穩隨機信號的分析存在局限性，不能敏感地 反映信號的突變，只適應于對緩變信號的分析。3. hht變換。hht是一種非線性和非平穩信號分析處理方法。該方法首先利 用經驗模態分解對信號進行自適應篩選，將其分解為一系列固有模態函數，然后 對每個固有模態函數進行變換，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。用經驗模態分解對數據進行預處 理，將信號分解成一組模態函數分量，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。由于該系統在防護周界上是分成多個不同的防護區域, 每個防護區域對應不同頻率的電磁信號，因此仿真吋在防護周界上不妨設置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，進而確定出相應的那個區域 內有入侵事件發生。20個頻點的主頻點設置為45mhz,每個頻點的頻率間隔設 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設置。選用正弦信號產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，最后顯示仿真結果。由于計算45mhz信號1024點的快速 傅里葉變換數據量比較大，相應的計算時間就比較長。因此，可以先把所有信號 統一降頻后再進行快速傅里葉變換計算。為仿真方便，不妨設置各標準信號為降 頻后的低頻信號。根據上述分析，標準信號的頻率從100hz到2000 hz,每間隔 100hz設置一個頻點，共20個頻點，幅值均為5。

8、當擾動信號發生在三個頻點 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.仿真結果及結果分析。當擾動發生在200hz、300hz和400hz三個頻點上 吋，scope顯示的仿真結果如圖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，得到的仿真結果表明，把采集到的多點入侵擾動信號不經過 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 檢測任務的同時既可減少電路的硬件成本，又有利于電路的優化配置和電路的集 成化設計。(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 岀入侵警報。仿真研究結果證明，該方法的應用不僅可以實現對多點入侵擾動信 號的檢測，解決了周界入侵檢測方法與技術中對多個同吋入侵信號的檢測這