基于HHT的泄漏電纜周界入侵信號(hào)的檢測(cè)方法

王明吉 李婉寧 朱 磊 李玉爽

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

為阻止并及早發(fā)現(xiàn)銀行、油庫、監(jiān)獄、電站及軍事設(shè)施等重要目標(biāo)和場(chǎng)所的非法入侵，最有效的方法是安裝周界入侵防盜報(bào)警系統(tǒng)[1]。到目前為止，相對(duì)于其他類型的周界入侵檢測(cè)系統(tǒng)而言，泄漏電纜周界入侵檢測(cè)系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、錯(cuò)報(bào)率低、適用環(huán)境廣闊、安裝地點(diǎn)不限及不易受外界干擾等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[2]。衡量周界入侵檢測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量主要有：錯(cuò)報(bào)率(FAR)、誤報(bào)率(NAR)、檢測(cè)率(PD)和漏報(bào)率(VD)[3]，而這四項(xiàng)指標(biāo)又直接與入侵信號(hào)的檢測(cè)方法密切相關(guān)。傳統(tǒng)的周界入侵信號(hào)檢測(cè)方法有信號(hào)對(duì)比、傅里葉變換和正交分解3種[4]，三者都將入侵信號(hào)當(dāng)作周期信號(hào)進(jìn)行處理，但周界入侵信號(hào)的特點(diǎn)是非線性和非平穩(wěn)，因此它們無法對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，無法滿足實(shí)際需要。對(duì)于非線性和非平穩(wěn)信號(hào)最直接、快速和準(zhǔn)確的分析方法是時(shí)頻分析法，常規(guī)的時(shí)頻分析方法主要有STFT、Gabor變換、小波變換和Wigner分布[5,6]，其實(shí)質(zhì)都是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上加時(shí)間窗的變換，對(duì)于非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的分析存在局限性，不能靈敏地反映信號(hào)的異常變化。

為此，近年來發(fā)展了一種希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform，HHT)，HHT不但可以清晰表達(dá)時(shí)頻信息還可以表達(dá)在瞬時(shí)參數(shù)上的詳細(xì)信息，具有實(shí)際的物理意義，能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏電纜周界入侵信號(hào)檢測(cè)的目的。在此，筆者主要對(duì)不同入侵信號(hào)進(jìn)行HHT分析。

HHT是由Huang N E等于1998年提出的一種非線性和非平穩(wěn)信號(hào)的分析處理方法[7]。該方法首先利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)篩選，將其分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)(IMF)，然后對(duì)每個(gè)固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，從每個(gè)分量的Hilbert變換中提取出分量的瞬時(shí)時(shí)頻特征和頻率能量特征，從而提取到信號(hào)的全部信息。運(yùn)用HHT進(jìn)行信號(hào)分析的基本步驟如下：

a. 用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將信號(hào)分解成一組模態(tài)函數(shù)(imf)分量，從而使瞬時(shí)頻率這一概念具有實(shí)際的物理意義。把信號(hào)分解為模態(tài)分量的EMD算法又稱為篩選過程，篩選出第一個(gè)imf分量(imf1)，再將imf1作為新的輸入信號(hào)，依次可篩選出其余的imf分量。

以上的EMD算法和Hilbert譜分析方法統(tǒng)稱為Hilbert-Huang變換(HHT)[8,9]。

2 泄漏電纜周界入侵信號(hào)的提取

為了用HHT變換對(duì)泄漏電纜周界入侵信號(hào)進(jìn)行分析，必須提取出在各種入侵方式下的實(shí)際入侵信號(hào)[10]。

2.1 系統(tǒng)組成

周界入侵信號(hào)提取系統(tǒng)(圖1)主要由平行鋪設(shè)的發(fā)射電纜和接收電纜、信號(hào)發(fā)射與接收單元以及信號(hào)顯示和記錄單元4部分組成，其中信號(hào)發(fā)射與接收單元由供電模塊、碼元+載波信號(hào)模塊、濾波模塊、發(fā)射模塊及接收模塊等部分組成。

圖1 周界入侵信號(hào)提取系統(tǒng)框圖

信號(hào)發(fā)射與接收單元為發(fā)射電纜提供經(jīng)編碼調(diào)制的發(fā)射信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電纜在其周圍空間建立起穩(wěn)定的電磁場(chǎng)，形成警戒區(qū)，接收電纜處于該警戒區(qū)內(nèi)，能夠接收該電磁場(chǎng)的部分能量。當(dāng)發(fā)生非法入侵時(shí)，該電磁場(chǎng)被擾動(dòng)，該擾動(dòng)信號(hào)由接收電纜傳輸?shù)叫盘?hào)發(fā)射與接收單元，經(jīng)簡單處理后，即可獲得入侵信號(hào)，同時(shí)送到信號(hào)顯示和記錄單元進(jìn)行記錄和顯示。

2.2 入侵方式和入侵信號(hào)

為了檢驗(yàn)HHT變換對(duì)周界入侵信號(hào)分析的有效性，設(shè)計(jì)人慢步、稍慢行走、稍快行走、碎步行走、大踏步跳躍及物體入侵等多種入侵方式，在各種入侵方式下提取到的入侵信號(hào)如圖2所示。

圖2 不同方式下的入侵信號(hào)

由圖2可得不同入侵信號(hào)的幅值特征，見表1，運(yùn)動(dòng)幅度和速度決定信號(hào)幅值的范圍，速度越慢最大幅值越??；速度越快最大幅值越大。同樣，動(dòng)作幅度越大幅值范圍越大；動(dòng)作幅度越小幅值范圍越小。

表1 信號(hào)幅值特征 mV

根據(jù)圖2和表1可以獲知，無論是人的行為還是其他方式的入侵，入侵信號(hào)都是非周期且非平穩(wěn)的突變信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)函數(shù)是隨著時(shí)間而改變的量。人為入侵的幅值范圍大致在1.50～9.50mV，具體大小由人的動(dòng)作幅度和運(yùn)動(dòng)速度決定。

3 泄漏電纜周界入侵信號(hào)的HHT檢測(cè)

為了檢測(cè)信號(hào)的有用信息，以人慢步信號(hào)為例詳細(xì)分析HHT變換的時(shí)頻圖。選取人慢步信號(hào)進(jìn)行HHT變換后，得到的頻譜圖如圖3所示，頻率在0.149 9、0.299 7、0.599 4Hz處有明顯的脈沖尖峰。由于這3個(gè)脈沖尖峰的頻率皆在0.1～0.6Hz之間，變化十分微小，由此可以推測(cè)出原信號(hào)是頻率與幅值變化很小的信號(hào)，這與人慢步的信號(hào)幅值變化小相對(duì)應(yīng)，印證了HHT變換頻譜圖的正確性。

圖3 人慢步信號(hào)頻譜圖

利用HHT變換的分解特性和局部詳細(xì)特性，從中又可以提取出一些特征信息，如圖4所示。圖4a是人慢步信號(hào)的多個(gè)imf，圖中顯示原信號(hào)時(shí)間-幅值、imf1～imf4和剩余分量r4；圖4b顯示的是在EMD分解完成后各imf分量的瞬時(shí)振幅與瞬時(shí)相位，第一列為瞬時(shí)振幅，第二列為瞬時(shí)相位，其中的imf1～imf4與圖4a一一對(duì)應(yīng)。imf1代表入侵信號(hào)的高頻成分，imf2～imf4可以表達(dá)信號(hào)的細(xì)節(jié)頻率特點(diǎn)，r4為信號(hào)的平均成分。

通過以人慢步為例進(jìn)行HHT檢測(cè)可知，HHT變換可明確地得出入侵信號(hào)的頻率、幅值及相位等特征。將HHT變換應(yīng)用到其他幾種人入侵方式中可得到如圖5所示的數(shù)據(jù)，圖中各數(shù)據(jù)是各入侵信號(hào)進(jìn)行EMD后得到的imf1的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率。

圖4 人慢步信號(hào)imf

圖5 信號(hào)瞬時(shí)參數(shù)

通過對(duì)上述其中典型入侵信號(hào)HHT分析，得到以下結(jié)論：

a. 瞬時(shí)振幅是入侵物體強(qiáng)度的量度。入侵幅度越大，瞬時(shí)振幅就越大；物體強(qiáng)度越強(qiáng)，入侵物體相對(duì)較大。通過對(duì)圖5中數(shù)據(jù)的分析可知，人跳躍時(shí)的瞬時(shí)振幅最大，約3.4mV；其他情況的瞬時(shí)振幅在0.1～0.4mV之間，按照目標(biāo)識(shí)別與分類可將瞬時(shí)振幅在0.1～0.4mV之間的入侵定義為一般入侵(成年人入侵)。

b. 瞬時(shí)相位是泄漏電纜入侵檢測(cè)系統(tǒng)電磁場(chǎng)連續(xù)性的量度。當(dāng)不存在擾動(dòng)信號(hào)時(shí)其相位是連續(xù)的，有異常信號(hào)存在時(shí)其相位將在異常位置發(fā)生顯著變化，呈明顯的不連續(xù)性。通過對(duì)圖5中數(shù)據(jù)的分析可知，以磁干擾方式入侵時(shí)瞬時(shí)相位最大，約89.9rad/s，說明此時(shí)影響范圍最大，入侵位置相對(duì)較遠(yuǎn)；其他情況的瞬時(shí)相位在50～80rad/s之間，入侵位置相對(duì)較近，按照目標(biāo)識(shí)別與分類可將瞬時(shí)相位在50～80rad/s之間的入侵定義為一般入侵(成年人入侵)。

c. 瞬時(shí)頻率是物體入侵速度的量度。入侵物體速度越快瞬時(shí)頻率越快。通過對(duì)圖5中數(shù)據(jù)的分析可知，人碎步行走時(shí)瞬時(shí)頻率最大(大約為73.5kHz)，而跳躍和稍快行走次之，分別為65.3、61.7kHz；其他情況的瞬時(shí)頻率在5～25kHz，按照目標(biāo)識(shí)別與分類可將瞬時(shí)頻率在5～25kHz的入侵定義為一般入侵(成年人入侵)。

4 結(jié)束語

泄漏電纜周界入侵防盜系統(tǒng)的入侵信號(hào)具有非線性和非平穩(wěn)性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法無法實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確和多信息識(shí)別，不能滿足實(shí)際需求。筆者將HHT變換首次應(yīng)用于泄漏電纜周界入侵探測(cè)，通過對(duì)7種典型入侵信號(hào)進(jìn)行HHT檢測(cè)，可直觀地觀察到入侵信號(hào)在瞬時(shí)參數(shù)上的詳細(xì)信息，滿足了入侵信號(hào)的檢測(cè)要求。同時(shí)，通過對(duì)不同入侵信號(hào)的瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步判斷出入侵物體的體積、位置和速度，從而突出入侵物體特征，使得對(duì)入侵物體的檢測(cè)和識(shí)別將更加準(zhǔn)確和詳細(xì)。說明HHT變換檢測(cè)結(jié)果精確，是目前泄漏電纜周界入侵信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中最有效的檢測(cè)方法，可以使參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)的分類與識(shí)別變得更簡單、方便和準(zhǔn)確。

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