基于回波包络技术的多维驻波探测器浅释
-- 基于回波包络技术的多维驻波探测器浅释--
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源文稿信诚安防企划组:Alwend
根值探测，专注防盗。历经十多年的持续沿革，全国众多展馆的量化应用反馈，我们自主研发的多维驻波探测器，通过全赋能优化精简编码指令，搭载高性能、低功耗MAGEL48处理器，极具抗干扰能力，拥有双色报警状态指示灯，对断线、短接、破坏、低压、过压、信号干扰、信号强弱、信号丢失等均能清晰呈现。我们的多维驻波探测器不会穿透玻璃，不会影响文物展出和观众参观，可以二十四小时无障碍值防，有效地防止文物珍品的盗、砸、抢。
我们自主研发的多维驻波探测器， 是一种以40KHz的机械波为媒介，通过一个发送端发出超声波，超声波充斥整个密闭空间，形成一个类似于磁场的稳定物量空间（我们称之为波场，下文同），处理器实时分析、处理并记录接收端接收到的回波包络信息，当这个波场遭到破坏时（如展柜玻璃被划开 、 玻璃被打碎等 ）必然会导致稳定的波场遭到破坏，从而会在接收端接收到一个变化了的信号量，处理器通过对这个变化信号量与ROM中存储的稳定信号量进行实时赋能算法对比、分析，结合报警阀值的设置参数确定是否需要输出报警信号。
虽然我们的数字多维驻波探测器已在全国众多博物馆中普及实战，但仍有不少工程技术人员或业主对其探测原理不是很了解，我现值此机会向大家再做点粗略浅释，以达抛砖引玉之力，如有不妥之处也恳请大家指正。
基于声波物量媒介，目前市面几种常见探测技术分析：
1.基于测距法的超声波入侵探测
顾名思义，基于测距法的入侵探测器，是通过检测声波发生器到反射物体的距离来判断是否有物体入侵。其原理如图1所示。无入侵时接受到的回波主峰为发生器正对着的墙面反射的回波（如图1(a)所示），当有物体入侵时，由于物体介于声波发生器和主反射面之间，使得接收到的主回波变为入侵物体反射的回波（如图1(b)所示）。假设回波的到达时间为t，则探测距离 ，其中c为超声波在空气中的传播速度。
图1 基于测距法的超声波入侵探测原理图
缺点：若入侵物体表面对回波的吸收效果很好，则可能导致第一个回波波峰很小甚至消失，使得该方法失效；若入侵物体所处的位置并不是发生器正对的墙面，而是有所偏移，则接收到的主回波仍为无入侵时墙面的反射波，从而引起漏报。
2.利用声波回波信号分析
采用超声波序列脉冲向防范区域内进行发射，在这一特殊的超声场中，由于内部不同物体的反射波和射入波的干涉，从而形成了不同的信号波形。如果防范区域内物体的摆放位置不变或无物体入侵时，该波形处于一个稳定的状态。当有物体进入该区域时，该物体同时也做为超声波的一个反射面，改变超声波的反射次数，以及物体表面物质对超声波的吸收，使得回波到达接收端的时间及幅度有所差异，从而使得不同的反射分量在时域上叠加，导致回波信号时域波形的变化。因此可通过比较接收到的回波波形与无入侵时的回波波形的差异来判断是否有物体入侵该防范区域。
发射出的超声信号经过不同的发射面反射后，在不同的时刻到达接收器。根据回波的特点，不同时刻到达的回波信号除了幅度上有所变化之外，波形基本相似。因此，一个典型的回波信号可以建模为[1]：
（1）
其中 为探测器接收到的信号， 为延迟时间， 为单个回波信号， 为经过k次反射后回波的衰减系数。由于窄带超声回波信号可以建模为具有高斯包络的正弦调制信号，因此 可以用下式表达：
（2)其中， 为宽带因子， 为震荡频率， 为初始相位。
3.回波包络分析
对回波信号进行如图2所示的处理
图2回波处理过程示意图
由上文的分析可知，回波波形的起伏特性可以反映在其包络上。波形发生变化，其包络也随之改变。通过检测回波包络的变化，能够有效地判断其对应的回波是否发生变化。我们可将包络的波峰和波谷设为特征点，若这些特征点发生改变（如：偏移、减少、增加等），则认为包络发生变化，判断为有入侵。采用小波变换来提取包络的特征点。
在实际的应用当中，由于观察到的信号都是离散的，所以信号处理中通常是用离散小波变换（DWT）。对任一信号 ，第一步从原始信号开始，产生两组参数，一组是作用低通滤波器得到的近似部分(低频部分)，另一组是作用高通滤波器得到的细节部分(高频部分)。第二步，对近似部分再进行相似运算，依次进行到所需要的尺度。
在物理信号中，低频部分是表征信号本身特征点，而高频部分则是表征信号的细微差别。因此，对回波包络进行离散小波变换后，其细节部分可以反映出包络的细节特征。
图3 算法仿真结果
图3中，X1(n)为无入侵时的仿真信号、X2(n)为有入侵时的仿真信号， a1(n)、 a2(n)分别为X1(n)、X2(n)的包络。由图3可以看出，在无入侵时，包络在0.1、0.25、0.4时刻分别出现了峰值，而细节系数很好的给出了其峰值点的位置。有入侵后，检测到的包络发生变化，其特征点(峰值点)也发生了变化，其变化也反映在了小波变换的细节部分。因此，小波变换细节部分能够很好的反映出包络特征点的位置。
例如我们采用收发一体的超声波发射器，向防范区域内发射40 KHz的脉冲序列（脉冲序列的持续时间为6 ms，发射周期为56 ms，如图4所示），对接收到的回波信号用50 ms的矩形窗进行时域截短，得到50 ms的回波波形，如图5所示，其中(a)为无入侵时的回波波形，(b)~(g)为有人入侵防范区域，并处于不同位置以及以不同速度移动时检测到的回波波形。(h)是将小物体（纸箱）放入防范区域内检测到的回波波形。由于实验采用的是40KHz的脉冲信号，接收到的回波信号的频率也为40KHz，所以对回波进行30～50KHz的带通滤波（考虑多普勒效应）。对滤波后的回波信号进行包络提取，并对提取到的包络进行小波分析，结果如图6所示。
图4 脉冲串与回波的时序波形图
图5 时域回波波形
(横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示幅度，单位为V)
采用超声波序列脉冲向防范区域内进行发射，在这一特殊的超声场中，由于内部不同物体的反射波和射入波的干涉，从而形成了不同的信号波形。如果防范区域内物体的摆放位置不变或无物体入侵时，该波形处于一个稳定的状态。当有物体进入该区域时，该物体同时也做为超声波的一个反射面，改变超声波的反射次数，以及物体表面物质对超声波的吸收，使得回波到达接收端的时间及幅度有所差异，从而使得不同的反射分量在时域上叠加，导致回波信号时域波形的变化。因此可通过比较接收到的回波波形与无入侵时的回波波形的差异来判断是否有物体入侵该防范区域。
发射出的超声信号经过不同的发射面反射后，在不同的时刻到达接收器。根据回波的特点，不同时刻到达的回波信号除了幅度上有所变化之外，波形基本相似。因此，一个典型的回波信号可以建模为[1]：
图6 时域包络与小波变换对照结果
其中 为探测器接收到的信号， 为延迟时间， 为单个回波信号， 为经过k次反射后回波的衰减系数。由于窄带超声回波信号可以建模为具有高斯包络的正弦调制信号，因此 可以用下式表达：
（2） 其中， 为宽带因子， 为震荡频率， 为初始相位。
在图6当中，小波变换的细节部分很好的反映了时域包络的微弱变化，与理论分析相一致。所以，小波分析有效地提供了时域包络特征点的变化信息，通过判断回波包络特征点的变化情况，能够准确的判断是否有入侵。
从以上的分析数据我们可以看出：基于回波包络技术的数字多维驻波，当有入侵时，接收到的回波波形发生变化，引起其包络的特征点发生改变。利用小波变换能够快速、有效地检测出包络特征点的位置。通过判断包络特征点的变化情况，可以对否有入侵做出有效判断。