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應用于智能報警系統的腳步振動(dòng)信號的研究
引言
基于腳步振動(dòng)信號的智能報警系統，在安全領(lǐng)域是一個(gè)新的課題。若要實(shí)現報警效果的智能化，深入對腳步振動(dòng)信號的認知是一個(gè)必不可少的過(guò)程。由于此報警系統含有上位機和下位機兩個(gè)模塊，智能化不可避免的要同時(shí)在兩個(gè)部分都有實(shí)現才更加合理，即一個(gè)智能化采集報警下位機裝置、一個(gè)智能化上位機信號分析系統。腳步振動(dòng)信號的一些時(shí)域特征是實(shí)現下位機部分智能化的關(guān)鍵，也是本研究的出發(fā)點(diǎn)。論文將從振動(dòng)信號的應用現狀來(lái)闡述振動(dòng)的信號的應用前景，并從振動(dòng)及振動(dòng)信號的基本理論出發(fā)，得出腳步振動(dòng)信號的那些能夠智能化的特征參數。希望研究能為后續工作的展開(kāi)做好理論支持，并且能夠得到后續工作的支持。
1 應用現狀
振動(dòng)信號的應用在計算機應用領(lǐng)域并不是很廣泛，人們更多的關(guān)注的是語(yǔ)音等音頻信號。但是在其它領(lǐng)域振動(dòng)信號得到了廣泛的應用，比如設備故障監測、工程物探、質(zhì)量檢測、戰場(chǎng)監控等。下面將從這幾個(gè)方面來(lái)詳細論述：
在機器的運行過(guò)程中，機器的運轉要產(chǎn)生振動(dòng)，不斷的振動(dòng)就是一系列振動(dòng)信號，在正常情況下從機器上得到的振動(dòng)信號是一種復雜的周期性振動(dòng)，對于每個(gè)周期而言，它的振動(dòng)是隨機的，但是對于同一種設備來(lái)說(shuō)，這個(gè)隨機又是確定，所以說(shuō)這個(gè)振動(dòng)應該說(shuō)是一個(gè)確定的周期性振動(dòng)，一旦發(fā)生機器的某一部分運轉不正常，這個(gè)振動(dòng)信號的每個(gè)周期就會(huì )出現不同的波動(dòng)反應[1]。從而與實(shí)踐聯(lián)系就能得到設備是否發(fā)生故障，是哪部分發(fā)生故障。在這方面技術(shù)可以說(shuō)技術(shù)已經(jīng)很成熟。但是對我們所要研究的信號似乎沒(méi)有什么幫助[1]。
在工程物探和質(zhì)量檢測上，這兩個(gè)分類(lèi)其實(shí)可以說(shuō)是一個(gè)只是同樣的儀器用在了不同的作用上而已。在工程物探非性手段中，利用彈性波理論的儀器大量出現，甚至在煤，石油的勘查中用到的儀器，也多是人工產(chǎn)生震源，采集地震波信號，用來(lái)分析得出結論[2]。在淺層物探和質(zhì)量檢測中，方法也是大同小異。在我最熟悉的陸地聲納法中，采用的就是對人工錘擊振動(dòng)信號的采集，分析地下或者掌子面前方的地質(zhì)情況[3]。在質(zhì)量檢測上，就是得出混凝土的厚度、中間是否有空洞、鋼筋含量是否足夠等結論[4]。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，采集裝置應當是我們的參考，便是關(guān)于智能化采集還要靠進(jìn)一步的研究工作。
另一個(gè)方面的應用，雖說(shuō)有人的參與但是從現在戰爭來(lái)看似乎更多的是機械的參與。不過(guò)在戰場(chǎng)偵察中振動(dòng)信號的偵測還是很有效的，振動(dòng)信號本身具有靈敏性高、傳播距離遠等特性[5]。使得振動(dòng)信號在戰場(chǎng)上有了更廣闊的舞臺。
從以上的幾個(gè)應用可以看出，振動(dòng)信號作為一種地震波信號，能夠通過(guò)多種方式應用，腳步振動(dòng)信號，不僅有著(zhù)振動(dòng)信號的優(yōu)勢，還有著(zhù)人行為的復雜性，這即為信號增加了復雜性，也同時(shí)為智能化報警提供了一個(gè)契機。
2 理論分析
振動(dòng)是物體在其平衡位置附近所作的往復運動(dòng)。
振動(dòng)波包括體波、面波，體波又分為橫波、縱波。振動(dòng)波是一種能量的傳輸過(guò)程，當振動(dòng)波通過(guò)某一質(zhì)點(diǎn)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)規律就是振動(dòng)。
振動(dòng)信號是一個(gè)數字信號的概念，當物體振動(dòng)時(shí)，它的加速度或者說(shuō)速度是一個(gè)不斷變化的過(guò)程，正好體現了通過(guò)此物體的振動(dòng)波的波動(dòng)情況。通過(guò)附在物體上的傳感器以電壓變化的方式把這種振動(dòng)過(guò)程體現出來(lái)，得到的一系列數字化的數據，就是我們所要研究的振動(dòng)信號。
振動(dòng)波在固體里傳輸，是同時(shí)存在兩種體波，而且波在固體的傳播速度快，由于彈性系數高，衰減小，傳播距離更遠也更靈敏。當振動(dòng)波傳播到固體與其它介質(zhì)的分界面時(shí)，比如說(shuō)空氣，由于空氣的彈性系數比較低，沒(méi)有了高彈性物質(zhì)的壓制，振動(dòng)波在交界面上會(huì )產(chǎn)生大于在固體中振幅的面波，同時(shí)產(chǎn)生劇烈的能量損失。
聲波也是振動(dòng)波（彈性波）的一種，由于空氣中不存在切應力，在空氣中只能傳播縱波，從空氣中采到的聲音信號是振動(dòng)波在空氣中的傳輸。
我們的報警裝置設定是在腳步震源附近采集信號，傳感器貼于地面，得到的是強烈的面波、淺層的反射波，淺層的直達橫波共同疊加的振動(dòng)波。
而我們要研究的就是，此振動(dòng)波的頻率范圍、振幅表現。以及多少時(shí)間才能采集到一個(gè)完整的、保存著(zhù)明顯腳步振動(dòng)信號特征的振動(dòng)信號。
3 實(shí)驗分析
結合上述問(wèn)題，翻閱了大量的文獻資料。地震波是多種波的疊加，它一般是指在地面以下，高彈性介質(zhì)中傳播的體波，它的頻率較低，在10-100Hz 之間[5]。
在工程物探中常用錘擊法人工獲得震源，這個(gè)方法與腳步振動(dòng)信號的方法相近，在陸地聲納的資料中，經(jīng)錘擊能夠激發(fā)和接收到10-4000Hz 頻帶的波，不同的應用再進(jìn)行不同的濾波處理[3]。
在得不到準確答案的情況下，設計了一個(gè)實(shí)驗：
采用流行的麥克風(fēng)和專(zhuān)業(yè)音頻編輯軟件Cooledit 進(jìn)行腳步聲波信號的錄制，麥克風(fēng)的頻率響應范圍是20Hz-20KHz。Cooledit 采樣率設為44100、單聲道、32 位。把麥克風(fēng)貼放于地面，在麥克風(fēng)前做聲波測試。
我們得到的撞擊的聲波信號，可以說(shuō)是振動(dòng)產(chǎn)生的縱波傳遞給空氣引起空氣振動(dòng)的波形信號，根據波的傳播的理解，我們知道波在不同介質(zhì)中的傳播，頻率不變�？梢哉f(shuō)由聲波信號算出的頻率于振動(dòng)信號頻率相對應，而且還能得到振幅的變化特征，并能得到具有明顯振動(dòng)波形的信號長(cháng)度。
中選中部分為34ms 經(jīng)過(guò)估算能最大表現出振動(dòng)信號的特征的頻率在20-60Hz，更高頻的振動(dòng)不是不存在，而是對波形信號的表現上沒(méi)有什么太大的幫助如放大的所示。
因為實(shí)驗中麥克風(fēng)的頻率響應范圍最低是20Hz 所以我們取地震波頻率的下限10Hz。
我們要能得到 10-60Hz 的振動(dòng)信號，就能夠重現振動(dòng)波形。根據奈奎斯特采樣定理[6](1927 年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時(shí)間連續信號（模擬信號）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達到一定數值時(shí)，根據這些抽樣值可以在接收端準確地恢復原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應為信號最高頻率的兩倍，這就是著(zhù)名的奈奎斯特采樣定理。）采樣率至少應該為最高頻率的2 倍，但是要能夠工程應用使波形重現，采樣率應該合理的設為4-5 倍，當然采樣率越大越能完美的重現。所以我們的采樣率最好能設為50-300Hz，即3.3ms 獲得一個(gè)采樣數據。對現在的AD 轉換器來(lái)說(shuō)不成問(wèn)題。
當物體敲擊地面時(shí)，是一個(gè)很干脆的過(guò)程，所以持續時(shí)間很短，但是當人在走路時(shí)并不是簡(jiǎn)單的拿鞋去敲擊地面。而是一個(gè)過(guò)程，先是腳跟著(zhù)地，再過(guò)渡到腳尖。（這就是為什么穿皮鞋時(shí)一腳下去會(huì )聽(tīng)到兩個(gè)聲音的原因。）當人們的心情不同也就是說(shuō)著(zhù)急情況不同時(shí)，這個(gè)過(guò)程是不一樣的，心情越急，腳跟到腳尖的過(guò)渡越快，甚至一起，當人們跑起來(lái)時(shí)，腳跟甚至不著(zhù)地，直接以腳尖著(zhù)地。
為踏步信號，圖中所選部分為88ms。經(jīng)多次實(shí)驗比較得出，具有腳步信號特征的信號長(cháng)度在50-100ms 比普通重物撞擊地面的時(shí)長(cháng)要長(cháng)。從頻率上看沒(méi)有什么變化，但是從振幅上看，腳步信號的振幅擁有更多的極值波峰或者波谷，最大振幅比之撞擊要小。如上所述，在上述采樣率下采集時(shí)間最好在100ms，才能夠得到完整的腳步振動(dòng)信號。
虛警排除算法
1. 對于平衡的環(huán)境信號，在系統啟動(dòng)的時(shí)候，采集定量的數據，求均值，做為信號的平衡位置，同時(shí)也做為信號采集的門(mén)限值的基礎。
2. 對于突然發(fā)生的，物體落地或者單一振動(dòng)信號，能夠超越門(mén)限值引發(fā)信號采集的信號，求取整個(gè)信號時(shí)長(cháng)內的均差。超過(guò)某個(gè)值的信號才有可能是腳步振動(dòng)信號。
3. 對于滿(mǎn)足前兩步條件的信號，引發(fā)一個(gè)計數一人計時(shí)程序，同時(shí)采集端斷續工作。在2秒內計數超過(guò)5次或者低于2次的信號丟棄，不符合人的行為。滿(mǎn)足條件的可以上傳到上位機進(jìn)行進(jìn)一步的分析，也可同時(shí)引發(fā)報警。
4 結論與展望
腳步振動(dòng)信號作為本研究的主要對象，作為振動(dòng)波本身來(lái)說(shuō)，它的頻率屬于低頻頻帶，作為一個(gè)報警系統的信號源，我們所要采集的頻率范圍處在10-60Hz 之間。振幅同時(shí)也反映了振動(dòng)的強度，它的確定要因環(huán)境而異不是一個(gè)確定的值。特征信號長(cháng)度為100ms。作為人的行為來(lái)說(shuō)，腳步振動(dòng)信號又受到人的心情、鞋的材質(zhì)等諸多因素的影響。其中最重要的就是，人的腳步不自覺(jué)的是一個(gè)有節奏的狀態(tài)，人不同在一秒中走上十幾步。這也是智能報警系統中虛警排除算法中非常重要的一環(huán)。
作為腳步振動(dòng)信號智能報警系統的理論研究工作，我們得到了幾個(gè)在應用中非常重要的數據，為整個(gè)報警系統下位機智能采集和自主虛警處理設計了幾種算法。時(shí)域內的特征用來(lái)完成采集系統的智能化，對于個(gè)體的識別，則需要更多的特征值和算法。
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