检测人类入侵者的传感器和安全系统的利记博彩app

专利名称：检测人类入侵者的传感器和安全系统的利记博彩app
检测人类入侵者的传感器和安全系统技术领域
在周界，边境和自安全应用中，希望以高的正确检观赚率和低的 误检概率去检测入侵者。在任何安全应用程序中，错误警报是令人麻烦的，在 重要安全应用程序中更加如此。重要安全应用程序需要通过安全防护體或者 治安人员对任何检测至啲推定为人类的侵扰^iS行响应和/或调查。当检测错误 时，私人警卫或者当地警察仍然必须进行调查来核实错误。必须准备和传达错 误警报的汇报。根据人员响应时间，汇报的准备和传达给当地政府和房屋的所 有者或管理者，,昔误警报的操作从调查到汇报可能非常昂贵。有时更重要 的是，错误检测和错误传送人^A侵者而产生的错误警报可能降低安全系统中 客户的l言任度，或者与产生的错误警报有联系的安全系统人员。
当安全边界被突破时，传统的人类入侵者传感装置和系统可以使用 各禾中己知的传感器技术鄉行检测。传繊技术包括无源红外线(PIR)检测器， 微波检测器，震动检波器，超声波和其它人体运动检测器和系统。这些传感器 检测人体运动，但是也容易受影响以至于错误识别非人类运动，并且错误地将 非人凝动源认为是人类。当动物突破安顿界并错误地被检测射艮告为人类 入侵者时，错误警报会频繁地响起。就此而言， 统计显示通过传统基于运 动的周界和边境治安防卫系统产生的大多数入侵者检观嘟是动物运动/入侵的结 果，而不是人类。随之而来的是大多数显示人^A侵的警报都是错误警报(假正 (false positive))。
为此，这里描述和阐述的本发明包括双模态传感器，和利用双模态 传感器的安全系统。本发明的双模态传感器在周界，边境和皿安全应用程序 中，以非常低的错误报警报告概率精确地检观,辨别真正的人^A侵。双模态 传感器不仅仅对检测到的运动进行操作，还设法将检测到的运动与已知的人类 步^#性相关联。^ffl如人类步法这样的人类特性适合地核实检观倒的运动源 是真正的人类或可能是非人类，明显地将双模态传感器操作区别于传统的运动 传感器和安全系统。本发明的双模态传感器包括两个独立的传感模态，来自于 其的数据被合并在一起并被处理。将双信号信息合并和/或相关联允许处理核实 除了震动和皿f^外还存在人类步纟封寺性。如^ilil其它侵扰特征(signature) 核实步法特性，则该源是人类的概率非常高，并且人类检测是假正的概率非常 低。结合在双模态传感器里的两个传殿莫态分别是(l)震动脚步检测传感器和 鹏源声速轮廓传麟。
在一个实施例中，本发明包含包括命令中心和至少一个双模态传感 器的安全系统，和将命令中心电连接至IJ该至少一个双模态传感器的基于传输线 的或无线系统通信體。双模态传感器包括检测震动干扰(如人的脚步)并获 取检测至啲扰动的震动特征的震动传繊，和有源声传感器。在检测震动侵扰 时由震动传SI响应地激活有源声传感器以获得g扰动的声学特征。双模态 传感器可以包括微处理器或者微控制器以对震动传感器和声传感器数据执行合 并和域相关联操作。可替换地，或者另外地，安全系统可以包括电连接到震动 传感器和有源声传感器的系统处理器用于处理从那里接收的数据。处理接收到 的数据以使两个源相关联并核实在处理的数据中是否存在人类步法的特性。优 选地，双模态传感器包括被设置成与安全體的表面接触并将震动传感器禾陏 源声传KI容纳于其中的传感 卜壳。


参照附图，由下面对本发明的实施例的详细描述将更好地理解前述 和其它目的、方面和优点，其中6[OOOS]图1是4柳地震检波器随时间测量的步4话(人类步法)的震动特征曲线；
图2是步4亍者(人类步法)随时间的 $^廓图； [OOIO]图3是步4猪的标，其上叠加了当男子走向有源声传繊时期区 干，上肢和脚的速度向量；
图5是图1的震动脚步特征与和图4的有源声速轮廓或频谱的组合曲线；
图6是本发明的双模劍受扰传麟的一个实施例；
图7示出了本发明的双模态传麟的另一个实施例； [OOl习图8是强调本发明的双模态传繊的发明的传感操作的一种模式的 示意性方块图；以及
图9是包括本发明的至少一个双模态传自的安全系统的系统方块图。
具体实施方式
本发明的双模态传 及其操作将在这里结合附图进行描述，以传 达广泛的发明概念。具体地，这里的附图和描述不打算限制本发明的范围和精 神，或者以倒可方式限制所要求傲户的发明。
图1示出了由传统震动传繊或者震动换能器得到的步4猪(即人 类步法)的震动特征曲线。震动传感器耦合到地或者其它固体表面以检观綱如 由动物或人类脚步在该表面上产生的震动扰动。已知步行者的脚以通常在大约 ^H中80步到120步的范围内的速率撞击步行面(例如地)。每一脚对步行面的 撞击产生由撞击点的脚步沿所有方向传播开的震动波。传统的震动传感器在波 经过震动传感器位置时检测由每一个脚步产生的震动波或者扰动。震动传感器 经历脉冲激励，其产生与检测到的震动能量的量相关联的电信号。脚步序列产 生脉冲激励序列，其产生可测量的电信号。
图1中示出的特殊信号是响应于男子在地震检波器附近走动由地震 震动传感器(地震检波器)产生的。曲线限于在时间坐标(横坐标)上1.5秒到 4.8秒之间测量的六个(6)容易被检测到的震动脉冲mi]或者M7Vh (6)脚步 进行的检测。这样的地震检波器的典型尺寸大约为2厘米高且直径为2厘米。7该地震检波器可以通过传统的固定装置，如被固定到或包括传感器外壳的道钉(spike)，被耦合到地或者其它表面鄉行监测。道钉保持地震检波器的与表 面的震动耦合接触。尽管im地震检波器作为设想的用于本发明的)^模态传感 器的震动传感器，然而本发明并不限于使用地震检波器作为其震动传感装置。 本发明的双模态传感器可以包括本领域技术人员已知的任何使双模态传感器以 这里所述的方式进行操作的震动传感器^S。例如，加速度计等设备，可以用 于本发明中来检测震动扰动(例如人鄉步)并产生扰动的震动信号。
图1所示出的随时间的震动信号有两"1^寺性，该两^#性指示产生 信号的扰^ 源是否是人 步。第一特性是在时间上的脉冲信号间隔相对均匀， 表示正常的走动模式。第二特性是对应于上面提到的人类步行的典型范围，以 大约每分钟91步测飄步间隔。所述特性可以舰駄到传麟中的微控制器 或处理器实时地从震动信号中提取出来。具有这种处理能力的诸如地震检波器 的震动传感器可有效地对震动信号信眉进行分析以更好地从非人类震动扰动中 检测人类扰动，例如绊网震动传感器。基于绊网的震动传感器将在检观倒任何 震动瞬时现象时产生简单的检测信号。
但是，即使是更精密的地震检波器，正如之前描述的，也可能由于 错误的将非人类震动扰动源识别为人类，而误导发布错误的警报。这种可能误 导传统的地震检波器等的震动传感器的非人类震动能量产生器的实例包括在远 处的一连串爆炸，行使的火车，,工程周期性的重击，奔跑或者行走的动物 等等。为了避免这样的过失或假正检测，本发明的双模态传感器不仅包括震动 传感模态，还包括第二传感模态来确定震动扰动源的速度和步法。也就是说， 双模态传感器不仅仅要评估震动扰动，还要评估震动扰动源是否显示了与震动 脚步瞬时Jji^相关联的人^动皿特性。
下面描述支持本发明的双模态传感器的操作的物理原则(physical principle)。直立行走的男子或女子显现出相对均匀的并且接近fe/她的行，度 的躯干前S3I度。但是，行走的腿经历了一速度范围。也就是说，当头和臀随 着躯^BI度而移动时，随着每一步(脚步)，脚从零速度变为最域度，再回到零驗。最大行^i度大约为平均躯干鹏的2.5倍。ai上某个点，例如在大约髋关节和脚中间的膝盖处的速度，是介于脚的速度和躯干速度之间。平 均行^3I度和不同身体部分的速度可以很容易的通3^见^f亍走者的视频，或者舰声传繊等设备来辨别。
图2描述了由一个或多个男子行走者视频辨别出的速度信号曲线图;该速度信号是由男子的躯干，右足和左足(速度)得出的。该速度信号指示男子以大约2米每秒的速度(翻区干处)行走，显示出峰働鹏约为5米每秒，以及脚步速率约为120步每分钟。对速度曲线图的观察确定了在90到120步每射中的范围内4亍走需要)^短暂地处于零(0)速度，当，都在地上时。也可以fOT有源声传感器以图3图示中描述的以行走男子详细示出的配置来得到图2所示的速度信号。
也就是说，图3为走向有源声传感器的男子的描^^表示，fflii该有源声传自可以获得图2中的3M信号。图3的g示出了来自于有源声传感器(在本实例中为超声换能器)至U男子身体的声学信号束，并且用箭头标识出男子的脚，上肢和髋关节(其正以躯干速度移动)的速度。当处于发射模式时，声传感器发射超声波束，该波束的频率⑥是固定的。 一部分声能(超声波束的)从男子的躯干，上肢和脚反射回到传感器。被反射的声能由工作在接收模式下的有源声传感器接收或获取。由于多普勒效应，接收到的声能的频率成 分与发射的声能的固定频與ft)是不同的。这些偏移的频率成分携带了关于行走者的鹏特性的信息。
多普勒频率可以使用离散傅里叶变换(DFT)由接收的/反射的声信 号获得。在计穀几或者微处理器中^顿快速傅里叶变换(FFT)算法来实现DFT。 一旦可从计^m或者微处理器得到DFT， DFT幅自频率的曲线就容易转变为 DFT幅^t速度的曲线。DFT速度横坐标的值用以下公式由DFT频率横坐标值 计算得到VDFlKfDFr/frl)Vsound/ 2， 其中VDFr是男子行走步法的速度分量，或是在一身体部位检观倒的速度，fDFT 是由于多普勒效应由一身体部位偏移的频率，ft是超声发射机(发射的信号)的 频率，V,d是声音在空气中的鹏或速率。
图4是其脚步产生图1的震动特征曲线的行走男子的鹏轮廓的频 谱图。可以利用与图3所示类似的有源声传 |配置来获取所示的翻，其中 男子被表示为走向该有源声传感器。图4的速度频谱包括堆叠在一起的很多个 DFT曲线，其中每一堆叠表示在行^51程中的不同的时间点。每一DFT由垂直切片(vertical slice)表示，其中用颜色编码DFT幅度的对数值(logvalue)。在色标(频谱右侧的纵轴)上的差10对应于幅度差上的10倍。图4的曲线描述 了男子的大约7个定义明确的脚步，其中在时间t=5秒(横坐标)时的第8步没 有被明确定义，因为在行走(朝向传感器)第5秒时男子的位置几乎在传 之上。
图14 一起证明震动脚步检测器和有源声学步法检测器在单独作用 时，都容易错误的将非人类震动扰动和非人类运动识别为人类的。这些错误的 检测增加了上面提到的错误警报。本发明的双模态传感器通过结合由每一获得 的数据并进行关联操作来核实存在人类步法特性，克服了所述现有技术传感器 及其检测操作的缺点。也就是说，将震动数据和声学数据进行合并或者关联， 并只有在当合并的数据指示与震动干扰相关联的人类步法时才发出人^A侵者 检测警报。
图5表示了如在图1中所看到的行走男子的震动脚步特征(这里没有 按比例绘娜禾晒4中的声学被特征或频谱的组合曲线。双模态传繊利用震动信息和声学信息来试图将震动数据和声学数据与人类步法特性相关联。更具 体地，图5示出了当声学信号(得自有源声传 部分)处于局部最小值时，得自双模劍专感器的震动传感器部分的震动瞬时现象出现在有源声学峰值之间。这 是由于在当脚撞击行走表面时的时亥鹏的速度是零的事实。震动信号的波峰值 与速度信号的波谷值之间的相关性有力的表明信号是由行走的人产生的。也就 是说，在存在fflil处理合并的震动和速度特征发现的人类步^tf性的相关性时， 简单的推论支持震动瞬时现象不可能是由远方一连串的爆炸，或者有节奏的锤 打等产生的结论。这种震动扰动源不兽,解释在速度最小值或者波谷的有源声 学信号。可以进一步假设三只以一定速度移动的狗不会产生该声学特征，因为它无法解释震动瞬时现象的时序。因此，将所获取的震动特征和声学特征(图5) 相关联以很高的概率证实了是不是行走的人产生的该震动扰动。
图6示出了被布置在外壳105中的本发明的双模^[专感器100的一 个实施例。外壳105的外形尺寸大约为5cmx5cmx8cm。读者和技术人员应该 认识到描述的外壳尺寸只作为示例性目的，并不用于以任何方式限制传感器或 者外壳尺寸。双模态传感器100包括地震检波器110，有源声换能器120，带有 A/D转换器来获取和处理传^^信号的处理器130，用于给安^^令中心(在图 9实施例中所示的)发送警报信号和/或入侵者信息的，器135和天线140。还 包括用于将双模态传感器耦合到地或者其它表面的地道钉150，和电池160。为 了室内操作，还可包括一些不同于地道钉150的装置用于将双模态传感器固定 到室内表面，例如胶布。尽管电池操作是优选的，但是该设计的变型可以包括 电源接线器，和例如DC电源，用于允许独立的双模态传感器的硬接线的AC 操作。[(X)31]图7示出了双模态传 100'的替换实施例。在图7的实施例中， 传感器100'包括由多个位于传感器外壳105'的外围周围的有源声传感器12(T 构成的有源声换能器阵列125。在有源声传感器120'的位置如所示盼瞎况下， 在激活时，双模态传麟IOO，可以选出(poll)比如图6实施例所示的单个向 前测验的有源换能器120所覆盖的区鞭大的区域。双模劍专ii^卜壳105'可 以包括多种糊犬，其允许各个换能器或者声传^M20'會,，和接收。■ 地，榭专繊120'布置成以垂直于换能器120'的表面法线的角度方向进行检 观"微控制器或者微鹏器控制图7实施例的内部操作，包括控制换能飄作， 即发送和接收。
图8是功能块图，其重点描述了如图6的设备雨的本发明的双模 ^[专 1的操作。应该皿的是，对于大多 作，双模态传皿100花费大 部分操作时间在半停止状态(semi-inactivestate)，等待检测震动侵扰触发。为了 这样做，传感器连续地获取和采样震动信号数据，并将采样的震动信号数据与 阈值信号水平比较。因为地震检波駒专感器是无源传感器，因此在被用数字方 式实施时可以以约lmW的功率^j^示实施例中执行所,作，并且如果以模拟 电路实施时可以以更少的功率执行所 作。图8的功能块图的左侧示出了震 动触发功能的操作。也就是说，在表示传感和采样震动信号步骤的块810 ，作开始。±央或菱形820表示榭专感到的震动信号的幅度与已知阈值进行比较。 如果传感到的信号没有舰阔值，则重复由块810 ^/于的步骤，等等，直到发 现传感至啲信号^1震动阈值为止。
当舰±央820的步骤在魏的范围内检测至噥动扰动时(微阈值)， 如块830所示，双模态传感器激舌有源声传麟。当被激活时，声传感器获取 震动侵扰源的声学轮廓图。与触发的有源声传感 作基本同时地，声传感器 保持采样震动事件以获取震动 来形成震动特征，如块850所示。足够用于 本发明的操作的获取震动和声学特征的持续时间大约为五(5)秒钟。但是本发 明的操作不限于五(5)秒钟的数据获取周期，而是可以在长于五(5)秒钟或 者短于五(5)秒钟内获取数据，取决于声学和震动 特性。块840和860表 示分别处理声学和震动特征的步骤。在处理之后，在块870表示的步骤中合并 或者组合所述特征。块或菱形880表^样的步骤，其中分析合并的t寺征信息 用于震动数据和速度数据之间的相关性以确定其是否反映人类特性，比如人类 步法。
如果经过大于预定数目的步骤，例如三(3)步或者更多步骤后发现 了相关性，贝拨出人^A侵者警报，并将其传送给命令中心，如块890所示。 在生成的警报信号或讯息内包含的警报信息可以包括与其附着的正确检领啲概 率的数值估计。这种操作使得安全r^令中心可以确定是否和如何响应^J艮信息。 如果没有发现相关性，则不产生警报并且处理在i央810重新开始。
图9是本发明的安全系统900的示意性方块图。安全系统900被示 为包括三个双模态传繊100a， 100b和100c。传麟100a和100c Mil天线 920(无线)与命令中心900通信，并且传感器100b通过端口 930和传输线940(硬 连线的)与命令中心通信。无线通信可以依据任何标准来实现。命令中心910 内的处理器950 ^S/A^模态传感器接收的信号。那些信号可以包括所示的三 个双模态传感器中的任何一个内产生的警报信号，或者可以包括声学和震动特 征信号。因此，处理器和命令中心进行处理以j顿所述特征，三角测量等来确定震动扰动是否是人类弓l起的。可以ffl31任何本领域技术人员已知的方法或者 结构产生警报。
尽管已经对本发明的几个实例进行了说明和描述，但是本领域技术 人员应该理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例作出改变，本发明的范围被限定在权禾腰求及其等效物中(
权利要求
1.一种用于检测到安全装置的人类入侵者的双模态传感器，包括用于检测和测量震动扰动的震动传感器；有源声传感器，用于获取与检测到的震动扰动相关的声学特征；以及处理器，用于处理和使测量到的震动扰动和有源声学特征相关联以证实其中存在人类特性，以及用于在证实所述人类特性存在时产生人类入侵者警报信号。
2. 如权利要求1所述的双模态传感器，其中当震动传iiM定检测至啲震 动扰动达到震动阈值水平时，震动传 允许有源声传,获取声学特征。
3. 如权利要求2所述的双模态传感器，其中震动传感器在其确定震动扰动达到震动阈值水平时产生震动触发信号。
4. 如权利要求3所述的双模态传感器，其中由震动触发信号激舌有源声传艦
5. 如权利要求3所述的双模劍专感器，其中响应于震动触发信号在固定的时间周期对观糧到的震动扰动和声学特征进行测量。
6. 如权利要求3所述的双模劍专感器，其中处理器能够依据下述之一产生触发信号以获取与观懂到的震动扰动相关的声学特征周期性地、响应于在双 模态传感離收至啲控制信号、和响应于不确定的处理结果。
7. 如权利要求1所述的双模态传繊，进一步包括被设置成与包括安魏置的表面相接触的传繊外壳，该外壳容纳震动传感器，有源声传感器和处理腿 器°
8. 如权利要求7所述的双模态传感器，其中该外壳包括用于耦合到表面的 道钉。
9. 如权利要求1所述的双模^[专麟，进一步包括电源。
10. 如权利要求9所述的双模劍专感器，其中所述电源是电池。
11. 如权利要求7所述的双模劍专感器，其中有源声传繊包括超声换能 器阵列，所述超声换能器阵列被设置用于在超出单个有源声传感器能够覆盖的 场的场内获取声学特征 。
12. 如禾又利要求1所述的双模态传感器，进一步包括用于传送人^A侵者警报信号的发射器。
13. 如权利要求12所述的双模态传麟，进一步包括用于发送和接收信号 的天线。
14. 如权利要求13所述的双模劍专麟，其中所述天线发送测量的震动扰 动数据和声学特征。
15. 如权利要求13所述的双模态传繊，其中所述天线发送人^A侵體 报信号。
16. 如禾又利要求1所述的双模态传感器，其中有源声传 是压电式换能巡 益°
17. 如权禾腰求12所述的双模态传繊，其中震动传繊是地震检波器。
18. —种用于保护安全錢的安全系统，包含包括命令中心处理器的命令中心；与命令中心通信的至少一个双模态传感器，用于检测人^A侵者在安魏 置内的存在，所述至少一个双模态传 1包括 震动传感器，用于检测和测量震动扰动； 有源声传繊，用于获取检测至啲震动扰动的声学特征；以及 传自处理器，用于处理和使测量的震动扰动和声学特征相关联并且如 果由所述处理发m^人类步法的相关性则产生警报信号；以及 用于与所述至少一个双模态传 1通信的装置。
19. 如权利要求18所述的安全系统，其中该至少一个双模^(专感器包括被 设置成与包括所述安^置的表面相接触的传感器外壳，并且该外壳容纳震动 传麟，有源声传繊和传感器鹏器。
20. 如权利要求18所述的安全系统，其中如果震动传麟确定震动扰动超 过了预定的震动阈值则该震动传^l产生触发信号。
21. 如权利要求18所述的安全系统，其中双模态传 |包括天线。
22. 如权利要求21所述的安全系统，其中传麟处理驗确定扰动是人类 产生的时将警报信号传超U命令中心。
23. 如权利要求21所述的安全系统，其中该至少一个双模^[专感器将测量 的震动扰动和声学特征传送到命令中心进行处理以识别人类步法的标志。
24. 如权利要求18所述的安全系统，其中将在命令中心和该至少一个双模劍专 之间进行効奂的所有信号进行加密。
25.如权利要求20所述的安全系统，其中触发信号歡活有源声传繊以获取声学数据。
全文摘要
本发明涉及检测人类入侵者的传感器和安全系统。一种用于检测安全装置中是否存在人类入侵者的双模态传感器，包括用于获取扰动的震动特征的震动传感器，还包括用于获取扰动的声学特征的有源声传感器。系统处理器电连接到震动传感器和有源声传感器来接收和处理震动和声学特征，并当确定该扰动是来自与人类入侵者时产生警报信号。还包括用于传送警报信号的天线和/或电路连接。双模态传感器布置在与安全装置的表面相接触而构造的传感器外壳里。传感器可以包括电池或者其它用于提供电源的装置。
文档编号G01H17/00GK101261759SQ20081010033
公开日2008年9月10日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者D·T·霍拉克, R·A·伯恩 申请人:霍尼韦尔国际公司