智能周界安全防护系统设计与实现

2018-12-27李小光郭彦斐

无线互联科技 2018年20期

李小光，郭彦斐，孙海

（中国人民解放军63726部队，宁夏银川 750004）

1 概述

周界防护系统广泛应用于各种企事业单位，比如政府办公场所、学校、工厂、养殖场、部队、监狱等。传统的周界安全防护系统包括物理防范的围栏、围墙以及电子围栏、震动传感器、视频等，容易受光学能见度影响，或者风、雨、雪、雾、冰雹、沙尘等恶劣天气影响，以及小动物、杂草丛生、树木等受复杂环境影响较大，导致安全防护系统漏报率高、误报率高，无法准确探测运动目标的距离、角度、速度等信息，造成周界防护系统形同虚设。因此，受诸多条件限制造成周界安全防护无法依赖于某一种安全防范技术，必须选择两种甚至两种以上的技术，将这些技术进行有机的融合，才能对周界实施有效的安全防范。

传统的周界安全防护系统只能被动触发，视频传感器只能提供大致的目标区域，无法探测目标的距离、角度和速度等信息，不具备在目标进入防区前的预警功能。采用最新相控阵雷达技术和激光雷达技术的探测器，能在目标进入防区前进行探测预警，可通过对目标的距离、角度和速度的测量来判断目标的行为和类别，能够最大可能地减少误报警。

2 系统特点

智能周界安全防护系统是针对周界安防的应用系统，采用多重独立的传感技术相互结合的复合式防入侵方式，雷达探测器主动探测目标，视频传感器采集目标视频并进行目标解算，实现更低误报率、更高识别率的多传感器周界报警系统。

智能周界安全防护系统可以和前端报警探测设备双向通信，报警数据可实时上传，而且还可以实现由计算机软件直接对智能相控阵探测雷达进行控制操作，如布防、撤防操作、修改防区、修改系统配置等，方便用户的操作和管理，一旦出现警情后，相控阵雷达可实时回传目标位置信息，自动指挥外置的PTZ摄像机自动跟踪目标，使值班人员能及时了解报警点的信息，缩短了出警时间，同时也可提供给硬盘录像机报警联动信号。

智能周界安全防护系统具有以下特性[1]：

（1）反应迅速。接警时间极短，前端检测到报警信号后在0.1 s内即可将报警信息上报至控制中心。

（2）高安全性。对所有在系统中传输的数据进行加密，防止数据泄密、伪造或篡改。

（3）直观性。通过防区的总平面图、各单元建筑、各建筑楼层的3层电子地图形式，直观显示警情确切位置与报警类型。

（4）开放性。采用开放式结构，可灵活地扩展为多级联网方式，提供友好的报警查询统计、警情显示、报警内容、解决方法等功能。

（5）实时性。24小时动态显示报警情况，以视频图像、声音和警灯多重报警手段进行控制。

（6）可靠性。通过权限设置、密码工作，使得操作员与管理员各司其职，以保证中心系统运作的安全。

（7）全中文界面。控制中心软件采用全中文图形界面，直观的屏幕提示，使界面友好美观，操作方便，普通的工作人员经过简单培训即可操作。

（8）报警响应。当发生报警时，控制中心电脑声光报警，并显示报警的区域，提示保安人员准确及时出警。

（9）布防方式灵活多样。可灵活设置布撤防时间段；可通过管理中心的计算机进行远程布防。

（10）系统提供完整的设备接口，第三方视频监控系统可以通过SOCKET接口调用雷达输出的目标数据目标信息（X/Y方位坐标/X/Y矢量速度/目标ID/目标分类/目标可信度/目标信噪比/目标反射截面/目标距离像/极化特性），来实现报警的联动跟踪。

3 系统设计

智能周界安全防护系统主要包括前端相控阵雷达、激光雷达、摄像机、计算机网络及布线、后端服务器及报警管理系统。安全警戒系统使用相控阵雷达、激光雷达加智能视频分析两种技术手段融合，来实现围墙安全防范报警。安全警戒软件在确定警情后，触发管理报警防区的声光报警设备，第一时间反馈给管理平台。

3.1 综合布线和网络传输系统

为提供严密的周界安全防护，需要在实体围墙至内外隔离网之间部署多套周界防护系统。如图1所示，即在实体围墙与内钢网之间的5 m间隔区域安装相控阵雷达智能安全防护系统。围墙防护系统必须就近设置配线箱，预留220 V电源接口和单模光纤接口，所需电源线和光纤可以从配线箱引出，引到地面立杆上的防水箱。建议采用地埋方式进行地面布线。光纤从配线箱到安保中心。整个系统基于网络传输，必须根据现场情况布置一定的室外网络，并通过光纤传输连接到报警中心。

图1 安装设计

3.2 相控阵雷达联合定位

通过视频智能分析功能和智能相控阵雷达划区域的联合定位，可以规避单一设备产生的系统误差，更准确地确认有效报警区域。相控阵雷达在发现目标后，会实时将计算出的目标数据，例如距离、角度、速度等参数与视频联动，结合视频自身视频智能分析功能对视频区域内的物体进行分析以确定目标，双重确认后再传输给后台服务器显示出来。

安全警戒系统软件整合视频、相控阵雷达测距测角测速数据，可以定位警情发生区域的准确位置，再将警情通知用户。

相控阵雷达自带2个摄像机（见图2），通过设备自带智能分析功能，来实现出现警情时的实时跟踪和精确拍摄。

图2 相控阵雷达

在视频软件报警中，视频分析主要使用目标侦测和大小检测过滤功能，还包括对树叶、草等摇摆的过滤。具体方式是在相控阵雷达触发报警后，视频监控摄像机会分析视频监管区域，如有异常物体移动，视频将产生报警信号，然后通过算法过滤功能确定是否是人的运动。

通过视频分析功能，能够更精确地保证系统准确性，弥补单一探测器的固有缺陷[2]。

3.3 智能周界安全防护系统

系统采用统一综合管理平台管理，通过多种方式主动探测各种入侵或逃越行为，联动安防指挥中心、分控中心报警，并统计记录各种警情和录像。安全警戒软件在收到报警后，会在平面上显示多种报警信息，通过语音、图标等提示值班人员。安全警戒软件在确定警情后，还可以和原有安防综合管理平台联动，将警情及相关信息传输到用户已有的安防平台，实现安防指挥中心对警情的处理。并且将警情传送到分控中心，协同分控中心值班人员处理警情。智能周界安全防护系统结构如图3所示。

系统由前端探测设备、信号采集与处理系统、网络传输与分析控制系统等组成，具备雷达视频信息与视频图像联动识别、运动目标跟踪监视、坐标方位地图标定、网络化传输、信息融合、主动预警等多功能的信息综合系统，解决了视频搜索速度慢、精度差、手工操控繁琐等问题，提高了远距离视频监控系统的使用效率，提高了目标搜索和跟踪的速度和精度，降低了执勤人员的工作强度，提高了系统的使用价值。智能周界安全防护系统如图4所示。

4 关键技术

4.1 相控阵雷达

相控阵雷达利用纳秒级电磁微波进行目标特征检测，具有探测距离远、抗干扰能力高、检测速度快、检测结果准确性高、操作简单直观、安装方便、实用性强等优点[3]。

图3 智能周界安全防护系统结构

图4 智能周界安全防护系统

4.1.1 相控阵雷达报警原理

相控阵雷达采用收发一体化技术，多天线相控阵复合结构，线性调频连续波体制。通过24G频段的电磁波对周界防区进行实时扫描，基于被测目标的距离域时延效应，速度域的多普勒效应，并结合多天线的相差，运用2FFT、目标聚类跟踪等多项数字信号处理技术，对防区内目标的距离、速度、角度进行精准测量，从而在周界防区内识别有效报警目标，并且将相关数据及警情信息上传到服务器。相控阵雷达的优势是不但能够发现防区内的目标，还能够精确给出目标的距离、角度、速度等参数，探测距离0～160 m。相控阵雷达原理如图5所示。

图5 相控阵雷达原理

相控阵电磁微波扫描是一定张角的区域，在应用到周界报警，需要控制报警信号在一定的区域。由于相控阵探测器能够测算距离和角度，所有可以建立以相控阵雷达为原点的极坐标系，在此基础上，可以根据现场情况，规划需要报警的防区，对规定区域外的信号不进行处理，防区以外的入侵目标，不会报警。

由于电磁微波的传播特性，相控阵雷达发射的电磁微波在近距离也能无死角地覆盖，从而相控阵雷达能够无死角地探测最近距离的目标。同时多个相控阵雷达首尾相接，互相之间有一部分重叠区域，从而保证周界防区无漏洞。

当相控阵雷达探测到目标后，输出目标相关信息给到控制模块，控制模块则启动视频分析模块，抽取视频进行分析。视频分析主要使用目标侦测和大小检测过滤功能，还包括对树叶、草等摇摆的过滤。具体方式是在相控阵雷达触发报警后，视频监控摄像机会分析视频监管区域，如有异常物体移动，视频将产生报警信号，然后通过算法过滤功能确定是否是人的运动。

4.1.2 相控阵雷达特点

（1）探测距离远。使用SiGe工艺的集成MMIC设计，在有效降低产品功耗的同时大大提高了灵敏度，有效动态范围≥60 dB。相较传统的分立式元件设计，系统一致性大大提高。空旷环境下探测距离不小于160 m。

（2）抗干扰能力高。多天线相控阵复合结构，电磁微波实时覆盖监测区域，信号处理算法会不停记录、更新地面背景杂波。采用背景对消原理，可以真正实现全天候工作，适应大风、大雨、大雪、大雾、沙尘等恶劣天气情况。适用于复杂地面环境中的运动目标探测。相控阵雷达抗干扰能力比对如图6所示。

相控阵雷达采用先进的同频异步信号过滤技术。即使相邻设备或附近24 GHz交通测速雷达有同频道干扰，也不会影响雷达正常工作。

（3）检测速度快。采用最先进的FPGA+双核ARM异构处理器，计算能力大幅领先市面同类产品。每秒对监视环境扫描不小于10次，支持对最多32个目标同时探测跟踪的能力，同时雷达支持≥10个目标同步输出，在最短时间内给出最精确的探测结果。

（4）准确性高。使用2FFT、目标聚类跟踪等多项数字信号处理技术，最低探测速度≤0.05 m/s，不论目标以何种姿势、任意位置闯入防区，都能被快速定位。同时具有模式识别技术，对飞鸟、猫等小动物进行识别，进一步降低虚警、漏警的概率。