基于激光雷達(dá)的周界立體安防監(jiān)測方法

摘 要：為了提高重要場所周界防護(hù)的安全性，本文研究一種基本于激光雷達(dá)的周界立體安防監(jiān)測方法。該方法設(shè)計(jì)了以激光雷達(dá)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)架構(gòu)，引用先進(jìn)激光雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)、立體坐標(biāo)標(biāo)定技術(shù)、視頻自動跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對周界的立體安防監(jiān)測。在重要場所圍墻內(nèi)外側(cè)、上方可形成一個(gè)立體空間防護(hù)警戒區(qū)域，進(jìn)行全方位立體的報(bào)警監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可精準(zhǔn)定位入侵目標(biāo)位置，聯(lián)動視頻跟蹤并報(bào)警，形成了周界立體防護(hù)效果，大大提升安防等級水平，可應(yīng)用于重要場所的周界安防。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；周界；立體安防

中圖分類號：TU 855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

傳統(tǒng)的重要場所，例如核電站、監(jiān)所等周界防護(hù)技術(shù)手段大多采用電子圍欄、紅外對射、激光對射、泄漏電纜等，是以“線”的監(jiān)測方式進(jìn)行監(jiān)測的，警戒區(qū)域存在很多盲區(qū)，且定位不準(zhǔn)確，給安全管理帶來一定的隱患。本文采用無縫覆蓋“面”監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對圍墻外側(cè)通道、圍墻上方、內(nèi)側(cè)通道及空中的全覆蓋監(jiān)控，形成一個(gè)立體防護(hù)區(qū)域，達(dá)到對周界的無死角監(jiān)控，對入侵目標(biāo)精準(zhǔn)跟蹤，大大提高了安全智能化程度及保障水平[1-3]。

1 激光雷達(dá)立體安防系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)基于C/S構(gòu)架，采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)。建設(shè)的激光雷達(dá)立體安全系統(tǒng)可集中管理雷達(dá)數(shù)據(jù)、展示位置、報(bào)警及視頻等功能。激光雷達(dá)立體安防系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)架構(gòu)主要由終端應(yīng)用層、服務(wù)管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層及前端感知層組成。

1.1.1 終端應(yīng)用層

終端應(yīng)用層主要是完成用戶界面展示及配置管理功能，軟件程序放置在管理終端中。終端軟件采用平面電子地圖，可在電子地圖上展示所有監(jiān)控信息，例如目標(biāo)報(bào)警、軌跡、視頻報(bào)警畫面等，能夠從全局視角對入侵目標(biāo)進(jìn)行管理。

1.1.2 服務(wù)管理層

服務(wù)管理層主要是完成前端感知傳感器的接入、存儲、管理等功能，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給終端應(yīng)用層或者第三方接口。軟件程序主要放置在服務(wù)器中。

服務(wù)器程序由主控服務(wù)程序軟件模塊、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)軟件模塊、視頻服務(wù)軟件模塊及第三方接口程序模塊組成。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要是由交換機(jī)或者光收發(fā)器組成的以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)前端感知設(shè)備與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸功能。

1.1.4 前端感知層

前端感知層主要由激光雷達(dá)、高速球機(jī)、聲光告警等組成。

高速球形攝像機(jī)采用200萬像素以上的高清球形攝像機(jī)，具備夜視功能，可清晰看清監(jiān)控區(qū)域，并接收激光雷達(dá)的指令高速跟蹤運(yùn)動目標(biāo)。

激光雷達(dá)采用探測角度不小于270°、探測頻率不小于50Hz、探測半徑30m/60m/100m等不同距離的雷達(dá)。

聲光告警采用室外高分貝的告警設(shè)備，將告警信息接入激光雷達(dá)I/O口，實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 防區(qū)全覆蓋、監(jiān)控?zé)o死角、形成立體防護(hù)

采用激光平面掃描技術(shù)，在警戒區(qū)域安裝激光雷達(dá)裝置，實(shí)現(xiàn)對地面、圍墻及空中的全覆蓋、無死角的立體無縫防護(hù)。

1.2.2 精準(zhǔn)定位、軌跡跟蹤

采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)，完全不同于傳統(tǒng)安防技術(shù)，定位精度高，可達(dá)到厘米級的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)對入侵目標(biāo)的軌跡跟蹤、實(shí)時(shí)距離顯示[4]。

1.2.3 斷電斷網(wǎng)下獨(dú)立工作，防止突發(fā)事件

激光雷達(dá)裝置內(nèi)置嵌入式模塊及電池，可實(shí)現(xiàn)在斷網(wǎng)、不聯(lián)網(wǎng)的情況下獨(dú)立工作，針對發(fā)生的突發(fā)事件，具有本地聲光告警功能[5]。

1.2.4 防區(qū)、人員出入綠色通道靈活設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境，支持不同規(guī)則形狀、不同數(shù)量的防區(qū)，可根據(jù)工作業(yè)務(wù)流程智能劃定預(yù)警區(qū)、報(bào)警區(qū)以及人員綠色通道區(qū)域；在不增加前端感知終端數(shù)量的情況下，解決現(xiàn)場復(fù)雜問題。

1.2.5 多目標(biāo)檢測、報(bào)警自動視頻跟蹤

具有多目標(biāo)檢測、實(shí)時(shí)視頻跟蹤功能；當(dāng)發(fā)現(xiàn)入侵目標(biāo)時(shí)，可聯(lián)動攝像機(jī)自動跟蹤，不需要人員參與操作，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警畫面自動彈出、視頻智能跟蹤功能。

1.2.6 全天候工作

采用激光雷達(dá)為探測傳感器，發(fā)送主動激光進(jìn)行目標(biāo)探測，在夜間也可正常工作，不需要照明補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)全天候的監(jiān)控；采用905nm紅外激光，人眼不可見，人眼安全，即安全又隱蔽。

1.3 主要性能設(shè)計(jì)

本文研究的基礎(chǔ)設(shè)備為激光雷達(dá)，設(shè)計(jì)的主要性能參數(shù)如下。1）探測可達(dá)半徑30m/60m/100m等不同距離。2）探測角度可達(dá)270°，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域無盲區(qū)覆蓋。3）角分辨率支持0.25°/0.5°。4）安全等級1級，對人眼安全。5）掃描頻率25Hz/50Hz。6）通信接口采用有線通信。7）斷電斷網(wǎng)情況下獨(dú)立工作，前端監(jiān)測裝置具有嵌入式算法能力，在突發(fā)斷電、斷網(wǎng)的情況下，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并驅(qū)動聲光報(bào)警。8）報(bào)警區(qū)域自由設(shè)定，根據(jù)工作區(qū)可設(shè)置綠色通道、報(bào)警區(qū)、預(yù)警區(qū)，同時(shí)可按時(shí)間段自動布撤防。9）控制面板上具備布撤防按鈕、報(bào)警按鈕、取消報(bào)警按鈕。

2 激光雷達(dá)立體安防系統(tǒng)模塊構(gòu)建

本文立體安防系統(tǒng)主要包括激光雷達(dá)目標(biāo)識模塊、視頻跟蹤模塊及軟件平臺展示模塊。

2.1 激光雷達(dá)目標(biāo)識別模塊

激光雷達(dá)是一種采用“光速—時(shí)間”飛行原理，通過高速掃描對二維場景（平面）進(jìn)行復(fù)現(xiàn)的技術(shù)。設(shè)備將脈沖激光發(fā)射并接收反射信號，通過時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)物的距離；此測量過程在高速旋轉(zhuǎn)過程中不斷重復(fù)，得到多組不同角度下目標(biāo)物距離數(shù)據(jù)。激光束發(fā)射的頻率可達(dá)上萬個(gè)脈沖，可獲得目標(biāo)距離、方位、速度甚至形狀等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別[6-7]。

本方法的目標(biāo)識別模塊主要是基于雷達(dá)點(diǎn)云，通過樣本采集、特征提取、工程化設(shè)計(jì)完成目標(biāo)識別算法。基于激光雷達(dá)點(diǎn)云的目標(biāo)識別，對一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類并提取目標(biāo)線段，采集的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取各類目標(biāo)的特征值參考區(qū)間，然后通過特征匹配的方式完成目標(biāo)類別的識別[8]。形成初步目標(biāo)識別算法后，再根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境提取各種干擾因素，進(jìn)行過濾，形成最終的可應(yīng)用的目標(biāo)識別算法。具體的技術(shù)路線如下。1）點(diǎn)云樣本采集。利用激光雷達(dá)采集場景點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、基本濾波操作，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和清晰度，再對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，提取目標(biāo)并進(jìn)行特征計(jì)算，包括大小、形狀、類型等。2）卡爾曼濾波應(yīng)用?？柭鼮V波是一種常用的濾波算法。采用卡爾曼濾波對動態(tài)目標(biāo)的位置和速度進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，可以對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，提取目標(biāo)的軌跡、速度等信息。3）聚類算法。采用改進(jìn)的聚類算法對前景點(diǎn)進(jìn)行聚類。由于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)具有離散性，且前景點(diǎn)中除了目標(biāo)數(shù)據(jù)還存在噪聲點(diǎn)，因此在聚類后需要進(jìn)一步判斷分析。

2.2 視頻跟蹤模塊

本方法采用高速網(wǎng)絡(luò)球機(jī)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，接收激光雷達(dá)的定位數(shù)據(jù)對目標(biāo)物進(jìn)行鎖定和持續(xù)的跟蹤和監(jiān)控。平臺接收激光雷達(dá)定位數(shù)據(jù)，通過三點(diǎn)標(biāo)定法獲取目標(biāo)在攝像機(jī)中的坐標(biāo)并控制網(wǎng)絡(luò)球機(jī)和報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)整體的控制和管理。激光雷達(dá)和網(wǎng)絡(luò)球機(jī)的世界坐標(biāo)變換三點(diǎn)標(biāo)定算法如下。1）選取三個(gè)坐標(biāo)位置，對應(yīng)球機(jī)和雷達(dá)的坐標(biāo)分別如下。第一個(gè)點(diǎn)，（x1，y1，z1），（X1，Y1，Z1）；第二個(gè)點(diǎn)，（x2，y2，z2），（X2，Y2，Z2）；第三個(gè)點(diǎn)，（x3，y3，z3），（X3，Y3，Z3）。2）計(jì)算變換參數(shù)。坐標(biāo)變換的參數(shù)計(jì)算如公式（1）～公式（12）所示。3）球機(jī)坐標(biāo)（x，y，z）與雷達(dá)坐標(biāo)（X，Y，Z）的變換過程如公式（13）～公式（15）所示。

（1）

（2）

t2=0 （3）

t3=x1-t0×X1-t1×Y1 （4）

（5）

（6）

t6=0 （7）

t7=y1-t4×X1-t5×Y1 （8）

t8=0 （9）

t9=0 （10）

t10=-1 （11）

t11=Z1+z1 （12）

x=t0×X+t1×Y+t2×Z+t3 （13）

y=t4×X+t5×Y+t6×Z+t7 （14）

z=t8×X+t9×Y+t10×Z+t11 （15）

通過3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)把激光雷達(dá)和網(wǎng)絡(luò)球機(jī)標(biāo)定到世界坐標(biāo)系中，完成激光雷達(dá)和網(wǎng)絡(luò)球機(jī)的坐標(biāo)標(biāo)定。當(dāng)激光雷達(dá)檢測到警戒區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)時(shí)，通過球機(jī)坐標(biāo)和雷達(dá)坐標(biāo)的變換公式把目標(biāo)物在激光雷達(dá)中的坐標(biāo)變換為目標(biāo)物在球機(jī)中的坐標(biāo)，驅(qū)動球機(jī)跟蹤目標(biāo)物，完成云臺全方位（左右/上下）移動及鏡頭變倍、變焦控制，使目標(biāo)物完全展示在網(wǎng)絡(luò)球機(jī)的圖像中。

2.3 軟件平臺展示模塊

本系統(tǒng)平臺軟件檢測到入侵目標(biāo)會觸發(fā)報(bào)警，聯(lián)動聲光威懾，在全局地圖上進(jìn)行入侵目標(biāo)軌跡顯示，語音報(bào)警提示，并聯(lián)動監(jiān)控視頻進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤。系統(tǒng)平臺軟件功能如下。1）入侵目標(biāo)監(jiān)測功能，通過激光雷達(dá)掃描人員、車輛軌跡進(jìn)行路線及位置的精準(zhǔn)定位；監(jiān)測中心可在電子地圖上實(shí)時(shí)看到人員所處位置、軌跡、分布情況等內(nèi)容[9-10]。2）視頻聯(lián)動功能，激光雷達(dá)檢測到目標(biāo)后通過內(nèi)置算法，實(shí)現(xiàn)與球機(jī)聯(lián)動控制，對入侵目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，確保入侵目標(biāo)在視頻畫面中。3）全景地圖功能，終端界面采用全景地圖方式，在全景地圖上展示入侵目標(biāo)位置、視頻、報(bào)警信息等。4）查詢功能，可查詢?nèi)我鈺r(shí)間的歷史告警數(shù)據(jù)、軌跡、視頻信息等。5）運(yùn)行狀態(tài)巡檢功能，系統(tǒng)具備自動檢測功能，當(dāng)監(jiān)測裝置出現(xiàn)故障時(shí)，在終端軟件提示告警信息。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)激光雷達(dá)監(jiān)測方式不同，采用2種方式進(jìn)行現(xiàn)場安裝試驗(yàn)并進(jìn)行效果測試，記錄分析結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)環(huán)境—水平掃描方式

水平掃描方式主要將激光雷達(dá)的掃描面平行于水平面進(jìn)行監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對圍墻內(nèi)側(cè)通道上方空間區(qū)域、內(nèi)側(cè)通道下方區(qū)域的監(jiān)測。水平掃描示意圖如圖2所示。

3.1.1 內(nèi)側(cè)通道上方空間區(qū)域

在圍墻上方空間區(qū)域形成一面不可見無縫的監(jiān)測面，實(shí)現(xiàn)對攀爬墻、屋頂入侵目標(biāo)的精準(zhǔn)定位及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)上空的覆蓋。

3.1.2 內(nèi)側(cè)通道下方空間區(qū)域

在圍墻內(nèi)側(cè)通道下方空間區(qū)域形成一面不可見無縫監(jiān)測面，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)側(cè)通道入侵行為的精準(zhǔn)定位及報(bào)警。

3.1.3 報(bào)警區(qū)域自由設(shè)置

可根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境（人員通道、車輛通道等）劃分告警區(qū)與不告警區(qū)。針對日常活動區(qū)域，按時(shí)間段自動布防及撤防。同時(shí)，根據(jù)工作需要設(shè)置綠色通道區(qū)域。

3.2 試驗(yàn)環(huán)境—垂直掃描方式

垂直掃描方式主要將激光雷達(dá)的掃描面垂直于水平面進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對圍墻上方空間區(qū)域、圍墻下方區(qū)域的檢測。垂直掃描示意圖如圖3所示。

3.2.1 圍墻上方空間區(qū)域

在圍墻上方空間區(qū)域形成一面不可見約0.5m～1m（可自由設(shè)置）的監(jiān)測面，實(shí)現(xiàn)對攀爬墻、墻面行走人員的精準(zhǔn)定位及報(bào)警。

3.2.2 圍墻下方空間區(qū)域

在圍墻下方空間區(qū)域形成一面不可見至地面的監(jiān)測面。實(shí)現(xiàn)對墻下活動人員、穿墻入侵行為的精準(zhǔn)定位及報(bào)警。紅外對射、電子圍欄不具備此功能。

3.2.3 報(bào)警區(qū)域自由設(shè)置

可根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境（樹木、雜草等）劃分告警區(qū)和不告警區(qū)。針對墻下活動區(qū)域，按時(shí)間段自動布防及撤防。同時(shí)，根據(jù)工作需要設(shè)置綠色通道區(qū)域。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

此次為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選擇監(jiān)獄圍墻通道進(jìn)行試驗(yàn)，圍墻已安裝了紅外對射、電子圍欄及振動光纖傳感器，進(jìn)行4種傳感對比測試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

將本文方法與其他傳感器進(jìn)行對比試驗(yàn)測試。從表1中可以準(zhǔn)確看出，基于激光雷達(dá)的立體監(jiān)測方法可適于水平面、垂直面等不同平面的掃描，形成立體空間防護(hù)，其他傳感器不具備此條件。激光雷達(dá)具備精準(zhǔn)定位、視頻自動跟蹤功能，其他傳感器僅有防區(qū)報(bào)警，只能預(yù)置位聯(lián)動，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位及視頻跟蹤。激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)、精準(zhǔn)定位入侵目標(biāo)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)圍墻周界的立體防護(hù)，解決圍墻盲區(qū)隱患問題。因此，基于激光雷達(dá)的立體安防系統(tǒng)監(jiān)測方法具有較高的實(shí)用性及推廣價(jià)值。

4 結(jié)語

本文基于激光雷達(dá)的周界立體安防監(jiān)測方法的研究解決了傳統(tǒng)傳感器只能以“線”監(jiān)測技術(shù)的缺陷，采用無縫覆蓋“面”監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對警戒區(qū)域進(jìn)行全覆蓋的立體感知，具備軌跡跟蹤、視頻聯(lián)動、綠色通道、防區(qū)靈活設(shè)置等優(yōu)勢，提升了安全性及管理水平。本文旨在為重要場所周界安防提供更可靠、更有效的技術(shù)手段，也能促進(jìn)激光雷達(dá)在重要場所圍墻安防的推廣及應(yīng)用。

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