一種多設備融合周界入侵監(jiān)測方法

摘 要：當前周界入侵監(jiān)測中常用的設備包括雷達、智能圍網(wǎng)、視頻目標監(jiān)測設備，不同設備有自己優(yōu)點和擅長領(lǐng)域，但是又各自有其局限性，普遍存在漏報和誤報現(xiàn)象，達不到全方位智能監(jiān)測的要求。因此本文研究一種多設備聯(lián)動融合監(jiān)測方法，根據(jù)各個設備的擅長領(lǐng)域進行融合使用，充分利用各自的優(yōu)勢，形成一套更加立體、智能、靈活的入侵監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：入侵監(jiān)測；雷達；視頻識別；智能圍網(wǎng)；智能防范；融合技術(shù)

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

當今用于周界入侵監(jiān)測的技術(shù)手段主要包括小目標雷達、智能圍網(wǎng)（微振動監(jiān)測、微波探測、紅外探測）、電子單兵、視頻目標監(jiān)測等[1-5]。根據(jù)實際情況本次研發(fā)測試選用小目標雷達+振動圍網(wǎng)+視頻目標識別。雷達負責目標預警與跟蹤，因為雷達的1°誤差，距離誤差可能達到17.44 m，所以需要智能圍網(wǎng)判斷目標是否越界，但是如果有動物或大風吹起的漂浮物會造成誤報，所以采用視頻進行目標識別，將非防范目標過濾掉。

1 系統(tǒng)總體設計

多設備聯(lián)動控制系統(tǒng)的業(yè)務流程為：當有活動目標進入布防區(qū)域時，檢測設備開始檢測活動目標，產(chǎn)生周界防范預警事件，并將事件上報給中心平臺；綜合安防監(jiān)控管理平臺報警系統(tǒng)接收到事件后，可進行事件查看；平臺通過不同的入侵區(qū)域和類型，觸發(fā)不同的聯(lián)動方式，例如雷達和光電聯(lián)動、微波和監(jiān)控聯(lián)動等多種組合聯(lián)動。其中，視頻周界防范會自動抓拍錄屏并將報警事件發(fā)送到智能分析設備進行分析，分析目標是否為人后再觸發(fā)報警事件。

2 功能描述

2.1 雷達和光電聯(lián)動服務

雷達和振動光纖等檢測系統(tǒng)，在給出目標的位置信息后，在智能算法的支持下，聯(lián)動控制轉(zhuǎn)臺方位移動；通過深度學習算法，對目標進行識別，可以有效濾除誤報，并對真實目標自動追蹤、跟蹤。當目標躲藏或丟失，基于深度學習跟蹤算法的光電系統(tǒng)可快速實現(xiàn)或恢復對目標的二次跟蹤。

系統(tǒng)依據(jù)不同地形、不同需求布防不同傳感器，采用高點掌控整體情況，低點查看監(jiān)控細節(jié)，進行大范圍布設和部分地區(qū)的補盲建設，充分利用雷達的大范圍搜索、光電設備的智能預警以及振動傳感器的隱蔽性，對邊境一線實現(xiàn)無縫覆蓋。

2.1.1 聯(lián)動流程

雷達和光電聯(lián)動流程如圖1所示。

2.1.2 聯(lián)動原理

雷達監(jiān)控器探測范圍寬、距離遠且反應靈敏[6-8]，當有入侵者進入雷達監(jiān)控區(qū)域時，雷達就會發(fā)出預警信息，提示有入侵者進入。但是，雷達監(jiān)控器不能夠區(qū)分或識別入侵者的類型[9-11]，因而容易造成誤報。視頻監(jiān)控采集的圖像信息豐富，可以對檢測內(nèi)容進行識別，但是其普遍存在著監(jiān)控范圍小、監(jiān)視盲區(qū)多、目標定位跟蹤困難等問題，顯然不能滿足現(xiàn)代安防監(jiān)控的智能化需求[12]。因此，采取雷達和視頻融合，由雷達監(jiān)控器實時獲取雷達監(jiān)控區(qū)域內(nèi)入侵者的位置坐標、運動速度等信息，視頻監(jiān)控器則用于獲取監(jiān)控區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，能夠結(jié)合雷達監(jiān)控器和視頻監(jiān)控器兩者的優(yōu)勢實現(xiàn)互補，獲取全面的檢測信息，避免因單個監(jiān)控器獲得信息不全面或者受外界環(huán)境的影響導致誤報。根據(jù)預先建立的雷達監(jiān)控器所監(jiān)測到的目標在視頻監(jiān)控器所采集的圖像平面中的坐標對應關(guān)系，將雷達監(jiān)控器監(jiān)測到的入侵目標的三維位置坐標映射為在同步圖像中的位置坐標。坐標對應關(guān)系的建立步驟為：利用標定技術(shù)計算視頻監(jiān)控器的內(nèi)部參數(shù)，建立視頻監(jiān)控器坐標模型；根據(jù)視頻監(jiān)控器坐標模型以及雷達監(jiān)控器與視頻監(jiān)控器之間的位置關(guān)系，建立世界坐標系下雷達監(jiān)控器所監(jiān)測到的目標在視頻監(jiān)控器所采集的圖像平面中的坐標對應關(guān)系。

2.1.3 聯(lián)動實現(xiàn)

雷光聯(lián)動服務具備光電設備對雷達識別的目標持續(xù)跟蹤功能。任何目標物進入雷達探測范圍內(nèi)并觸發(fā)系統(tǒng)告警時，系統(tǒng)即使用雷達監(jiān)測目標的坐標數(shù)據(jù)聯(lián)動就近的遠程、中程、近程光電系統(tǒng)指向目標，開始進行視頻監(jiān)控。如果確認目標為可疑目標，則在三維地圖上對目標物進行標注鎖定，系統(tǒng)自動將目標信息推送至周圍距離最近的雙光譜熱成像網(wǎng)絡云臺攝像機或球機（視天氣雨霧可見度影響、目標距離而定），雷達可以對應多臺雙光譜熱成像網(wǎng)絡云臺攝像機和球機。同時，告警信息和監(jiān)視視頻將被送往管理員終端，提示予以處置。整個過程的告警觸發(fā)事件、引導數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)都被系統(tǒng)實時記錄，方便隨時調(diào)用回放。管理員也可使用態(tài)勢終端人工引導光電進行主動監(jiān)視。雷光聯(lián)動如圖2所示。

雷達目標接入：支持對雷達識別目標的接入功能，可通過雷達的目標協(xié)議或者SDK等方式實現(xiàn)對接。云臺鏡頭控制：支持對云臺鏡頭協(xié)議的集成，或者與視頻系統(tǒng)的接口對接功能，實現(xiàn)對云臺、鏡頭的控制。雷光聯(lián)動算法：具備光電設備對雷達目標的持續(xù)跟蹤以及方位、視野調(diào)整等能力。

2.2 微波探測和監(jiān)控聯(lián)動服務

微波入侵報警設備與視頻監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)，包括多個微波對射探測器，多個微波對射探測器的監(jiān)測空域相連呈環(huán)形或相連成一片；每個微波對射探測器的監(jiān)測空域附近分別設有攝像頭，該攝像頭的監(jiān)測空域可覆蓋對應的微波對射探測器的監(jiān)測空域；每個微波對射探測器分別與硬盤錄像機和對應的監(jiān)測空域現(xiàn)場報警裝置相連；每個攝像頭分別與視頻監(jiān)控設備相連，硬盤錄像機與視頻監(jiān)控設備相連，視頻監(jiān)控設備與計算機的視頻監(jiān)控處理模塊相連，計算機的視頻監(jiān)控處理模塊與機房報警裝置相連。本研究的目的在于提供一種響應速度快、能實時追蹤到微波對射探測器發(fā)出警報現(xiàn)場畫面的微波周界與視頻監(jiān)控聯(lián)動系統(tǒng)。

2.2.1 聯(lián)動流程

微波和監(jiān)控聯(lián)動流程如圖3所示。

2.2.2 聯(lián)動原理

當檢測到有目標入侵時，微波入侵探測系統(tǒng)發(fā)送報警信號至報警主機，報警主機接收后將報警信號傳送給平臺服務器；平臺接收到報警數(shù)據(jù)后，立刻調(diào)出距離最近的雙光譜熱成像網(wǎng)絡云臺攝像機或球機，將鏡頭轉(zhuǎn)向調(diào)校好的預置位或者巡航路徑來監(jiān)視相關(guān)的防區(qū)。當監(jiān)控平臺接收到周界報警信息時，會根據(jù)后臺設置的報警時間鳴響報警聲，及自動彈出發(fā)生報警位置的監(jiān)控畫面。

2.2.3 聯(lián)動實現(xiàn)

微波入侵探測系統(tǒng)與監(jiān)控的聯(lián)動方式通常有以下兩種：

（1）前端物理連接聯(lián)動（通過485信號傳輸），微波入侵探測系統(tǒng)報警信號（開關(guān)量）直接接入對應的攝像機報警輸入接口。這樣連接的優(yōu)點是：由于信號傳輸距離短，聯(lián)動反應快，不會出現(xiàn)延遲。

（2）微波入侵探測報警信號傳輸至控制中心后通過報警主機控制軟件來實現(xiàn)聯(lián)動（通過網(wǎng)絡傳輸）。

網(wǎng)絡TCP/IP傳輸是如今較為常見的傳輸方式，軟件控制界面較為清晰，可選擇的功能設置較多，如可以設置自動錄像、自動抓拍、自動存儲等。微波和視頻聯(lián)動如圖4所示。

3 算法設計

3.1 入侵場景

三種入侵場景如下：

（1）雷達+電子圍網(wǎng)：攀爬、觸網(wǎng)；

（2）雷達+電子圍網(wǎng)：翻越、鉆網(wǎng)；

（3）雷達+光電：穿越阻斷圍欄。

3.2 雷達+電子圍網(wǎng)：攀爬、觸網(wǎng)

根據(jù)雷達提供的圍網(wǎng)外側(cè)最后一個航跡點，結(jié)合電子圍網(wǎng)的報警信息，獲取第x號主機n防區(qū)，判斷該航跡點是否落在報警防區(qū)的范圍內(nèi)。如果是則取該點在圍網(wǎng)的投影點為入侵位置，否則取圍網(wǎng)中點。假設雷達航跡信號在圍網(wǎng)附近丟失前的最后一個點P1提供的方位角為θ1和目標距離為m1，雷達所在經(jīng)緯度為（lon_lei，lat_lei），雷達初始方位角為θ_lei。單個報警主機對應50個防區(qū)，距離2 km，每個防區(qū)精度40 m，從圍網(wǎng)起點開始，每40 m放置一個柱子，已知每個柱子的經(jīng)緯度。在米勒投影的地圖上，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為平面坐標的算法如下：

L=6 381 372*π*2;//地球周長

W=L;//平面展開后，x軸等于周長

H=L/2;//y軸約等于周長一半

mill=2.3;//米勒投影中的一個常數(shù)，范圍大約在±2.3

之間

dToRadar=cos（abs（θ1）*π/180）*distance;//計算目標點距離雷達的水平距離

firstNum=（x-1）*50+n;

secondNum=（x-1）*50+n+1;//計算報警防區(qū)2個柱子的編號（從1開始）

（firstNum-1）*40lt;dToRadarlt;firstNum*40//判斷目標點是否在防區(qū)范圍內(nèi)

若在范圍內(nèi)，則計算投影點經(jīng)緯度。

計算角距離：δ=m1/R。

計算經(jīng)緯度：

lat=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（lat_lei）*sin（δ）*cos（θ_lei）），

lon=lon_lei+atan2（sin（θ_lei）*sin（δ）cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat））

若不在范圍內(nèi)，則計算圍網(wǎng)中點。使用米勒投影算法將該防區(qū)的起止經(jīng)緯度轉(zhuǎn)平面直角坐標。

轉(zhuǎn)弧度：x=經(jīng)度*π/180，y=緯度*π/180

米勒投影轉(zhuǎn)換：y=1.25*log（tan（0.25*π+0.4*y））。

弧度轉(zhuǎn)實際距離：

x=（W/2）+（W/（2*π））*x，y=（H/2）-（H/（2*mill））*y

由此得出起點（x1， y1）、終點（x2， y2）。

獲取兩點之間的中點：（x3， y3）=（x1+x2）/2+（y1+y2）/2。

將中點轉(zhuǎn)經(jīng)緯度：

弧度_x3=（x3-W/2）*2π/W，

弧度_y3=（（H/2-y）*2*mill）/H，

弧度_y3=（atan（exp（lat/1.25））-0.25*π）/0.4

計算圍網(wǎng)中點經(jīng)緯度：

lon=弧度_x3*180/π，lat=弧度_y3*180/π

3.3 雷達+電子圍網(wǎng)：翻越、鉆網(wǎng)

該場景電子圍網(wǎng)不會觸發(fā)報警，由雷達在圍網(wǎng)外側(cè)最后一個航跡點和入侵后在圍網(wǎng)內(nèi)測的第一個點跡來構(gòu)成報警條件，最終以入侵后在圍網(wǎng)內(nèi)測的第一個點跡在圍網(wǎng)的投影點作為入侵位置。

假設雷達航跡信號在圍網(wǎng)附近丟失前的最后一個點P1提供的方位角為θ1和目標距離為m1，入侵后的第一個點P2提供的方位角為θ2和目標距離為m2，雷達所在經(jīng)緯度為（lon_lei，lat_lei），雷達初始方位角為θ_lei。判斷是否入侵將在后文進行介紹。

地球赤道半徑近似值：R=6 371 393 m。

同3.2節(jié)，先將各種經(jīng)緯度轉(zhuǎn)弧度后再進行以下計算。

計算角距離：δ=m1/R。

計算P1經(jīng)緯度：

lat_p1=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（lat_lei）*sin（δ）*cos（θ1）），

lon_p1=lon_lei+atan2（sin（θ1）*sin（δ）*cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat_p1））

同理可得P2經(jīng)緯度（lon_p2， lat_p2）。

計算P1和P2兩點間的距離：

cos=cos（lat_p1）*cos（lat_p2）*cos（lon_p1-lon_p2）+sin（lat_p1）*sin（lat_p2）， d=acos（cos）*R

若d超過系統(tǒng)設定的某個最大距離，則認為該數(shù)據(jù)無效，不構(gòu)成報警條件；若d在距離范圍內(nèi)，則計算P2在圍網(wǎng)的投影點P3。

計算目標點與雷達的水平距離：

dToRadar=cos（abs（θ1）*π/180）*distance

計算角距離：δ=dToRadar/R。

計算投影點經(jīng)緯度：

弧度_lat_p3=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（1at_lei）*sin（δ）*cos（θ_lei）），

弧度_lon_p3=lon_lei+atan2（sin（θ_lei）*sin（δ）*cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat）），

lon_p3=弧度_lon_p3*180/π，

lat_p3=弧度_lat_p3*180/π

3.4 雷達+光電：穿越阻斷圍欄

雷達發(fā)現(xiàn)目標之后，根據(jù)雷達提供的方位角θ_hor和目標距離m1計算此時雷達的俯仰角θ_ver；根據(jù)目標距離m1和目標高度h1計算視場角θ_fov；光電根據(jù)θ_hor、θ_ver、θ_fov三個角度，控制云臺對目標進行定位。定位之后對目標進行檢測，如果目標為人，結(jié)合雷達提供的目標信息計算到目標已經(jīng)入侵之后，以該點作為入侵位置進行報警。

雷達默認距離地面高度為7.5 m，光電默認距離地面高度為8 m。假設雷達所在的經(jīng)緯度為（lon_a，lat_a），目標經(jīng)緯度為（lon_b，lat_b），計算光電的絕對方位角：θ_光電=光電初始方位角+光電鏡頭此時的水平角；計算目標的絕對方位角：

lat_a=lat_a*Math.PI/180，

lng_a=lng_a*Math.PI/180，

lat_b=lat_b*Math.PI/180，

lng_b=lng_b*Math.PI/180，

θ_目標=sin（lat_a）*sin（lat_b）+cos（lat_a）*cos（lat_b）*cos（lng_b-lng_a），

θ_目標=sqrt（1-θ_目標*θ_目標），

θ_目標=cos（lat_b）*sin（lng_b-lng_a）/θ_目標，

θ_目標=asin（θ_目標）*180/π

得出光電水平所需偏轉(zhuǎn)角：

θ_偏轉(zhuǎn)=θ_目標-θ_光電

計算光電的水平角：

θ_hor=光電鏡頭此時的水平角+θ_偏轉(zhuǎn)

計算光電的俯仰角：θ_ver=asin（8/m1）。

計算光電的視場角：θ_fov=（atan（h1/m1）*180/π）*2*100。

判斷雷達目標點位是否入侵時，采用射線法，從目標點出發(fā)引一條射線，計算這條射線和多邊形所有邊的交點數(shù)目，如圖5所示。若結(jié)果是奇數(shù)，則說明在區(qū)域（多邊形）內(nèi)；若結(jié)果是偶數(shù)，則說明在區(qū)域（多邊形）外。

同3.2節(jié)，先將各種經(jīng)緯度轉(zhuǎn)弧度后再進行以下計算。

假設：循環(huán)操作，每次取多邊形的任意一條邊，邊上兩點分別為（x1， y1）、（x2， y2），雷達目標點為（x0， y0），交點數(shù)目為nCross=0

若同時滿足以下2個條件，則nCross+1。

條件1：x1≤x0＜x2或x2≤x0＜x1；

條件2：y0lt;（y2-y1）/（x2-x1）*（x0-x1）+y1。

最后判斷若nCross%2≠0，說明是奇數(shù)，則該點落在區(qū)域內(nèi)。同3.3節(jié)，通過該點計算入侵點的位置經(jīng)緯度。

4 結(jié) 語

本文通過小目標雷達+震動圍網(wǎng)+視頻目標識別多設備融合實現(xiàn)了周界入侵監(jiān)測0漏報、0誤報/每日監(jiān)測目標 ，在測試環(huán)境下實行0漏報、0誤報，有效提高周界安防技術(shù)水平。

參考文獻

[1]冉營麗.用于空中監(jiān)視和防御的現(xiàn)代雷達技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達，2022，44（7）：102-104.

[2]王建明.面向下一代戰(zhàn)爭的雷達系統(tǒng)與技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達，2017，39（12）：1-11.

[3]王國宏，何友，裴曉黎.多雷達系統(tǒng)描述和相關(guān)及分析的模糊圖方法[J].雷達與對抗，1995，15（1）：5.

[4]吳雙彤，劉兆華.基于嵌入式計算機及網(wǎng)絡技術(shù)的雷達系統(tǒng)軟件的設計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，5（23）：65.

[5]占尹秀.激光雷達數(shù)據(jù)過濾算法開展階層式分類研究[J].四川建材，2019，45（7）：66-67.

[6]胡士強，張?zhí)鞓?基于雷達和光電傳感器的融合跟蹤[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24（8）：31-33.

[7]杜子亮.雙（多）基地雷達系統(tǒng)應用分析[J].雷達與對抗， 2016，36（4）：5-7.

[8]麻文斌，鄭維彥. 一種雷達和光電聯(lián)動的控制系統(tǒng)及方法：CN113362550A [P]. 2021-09-07.

[9]虞志堅，張軍，陶潤文，等. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子圍欄聯(lián)動系統(tǒng)：CN209993060U [P]. 2020-01-24.

[10]陳甜甜，趙洋.國外領(lǐng)先安防巡邏機器人發(fā)展現(xiàn)狀概述[J].中國安防，2021，16（11）：109-116.

[11]殷琪林，王金偉.深度學習在圖像處理領(lǐng)域中的應用綜述[J].高教學刊，2018，4（9）：72-74.

[12]汪新坤，曹樂，闞秀，等.基于iForest與KDE的雷達目標最優(yōu)距離門估計[J].導航定位學報，2022，10（3）：78-86.

作者簡介：婁占磊（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向為安防系統(tǒng)集成。

雒崇安（1986—），男，本科，高級工程師，研究方向為安防系統(tǒng)集成。

王柳彭（1989—），男，本科，工程師，研究方向為安防系統(tǒng)集成。

夏 博（1993—），男，本科，工程師，研究方向為軟件開發(fā)。