智能周界安全防護系統設計與實現

李小光，郭彥斐，孫 海

（中國人民解放軍63726部隊，寧夏 銀川 750004）

1 概述

周界防護系統廣泛應用于各種企事業單位，比如政府辦公場所、學校、工廠、養殖場、部隊、監獄等。傳統的周界安全防護系統包括物理防范的圍欄、圍墻以及電子圍欄、震動傳感器、視頻等，容易受光學能見度影響，或者風、雨、雪、霧、冰雹、沙塵等惡劣天氣影響，以及小動物、雜草叢生、樹木等受復雜環境影響較大，導致安全防護系統漏報率高、誤報率高，無法準確探測運動目標的距離、角度、速度等信息，造成周界防護系統形同虛設。因此，受諸多條件限制造成周界安全防護無法依賴于某一種安全防范技術，必須選擇兩種甚至兩種以上的技術，將這些技術進行有機的融合，才能對周界實施有效的安全防范。

傳統的周界安全防護系統只能被動觸發，視頻傳感器只能提供大致的目標區域，無法探測目標的距離、角度和速度等信息，不具備在目標進入防區前的預警功能。采用最新相控陣雷達技術和激光雷達技術的探測器，能在目標進入防區前進行探測預警，可通過對目標的距離、角度和速度的測量來判斷目標的行為和類別，能夠最大可能地減少誤報警。

2 系統特點

智能周界安全防護系統是針對周界安防的應用系統，采用多重獨立的傳感技術相互結合的復合式防入侵方式，雷達探測器主動探測目標，視頻傳感器采集目標視頻并進行目標解算，實現更低誤報率、更高識別率的多傳感器周界報警系統。

智能周界安全防護系統可以和前端報警探測設備雙向通信，報警數據可實時上傳，而且還可以實現由計算機軟件直接對智能相控陣探測雷達進行控制操作，如布防、撤防操作、修改防區、修改系統配置等，方便用戶的操作和管理，一旦出現警情后，相控陣雷達可實時回傳目標位置信息，自動指揮外置的PTZ攝像機自動跟蹤目標，使值班人員能及時了解報警點的信息，縮短了出警時間，同時也可提供給硬盤錄像機報警聯動信號。

智能周界安全防護系統具有以下特性[1]：

（1）反應迅速。接警時間極短，前端檢測到報警信號后在0.1 s內即可將報警信息上報至控制中心。

（2）高安全性。對所有在系統中傳輸的數據進行加密，防止數據泄密、偽造或篡改。

（3）直觀性。通過防區的總平面圖、各單元建筑、各建筑樓層的3層電子地圖形式，直觀顯示警情確切位置與報警類型。

（4）開放性。采用開放式結構，可靈活地擴展為多級聯網方式，提供友好的報警查詢統計、警情顯示、報警內容、解決方法等功能。

（5）實時性。24小時動態顯示報警情況，以視頻圖像、聲音和警燈多重報警手段進行控制。

（6）可靠性。通過權限設置、密碼工作，使得操作員與管理員各司其職，以保證中心系統運作的安全。

（7）全中文界面。控制中心軟件采用全中文圖形界面，直觀的屏幕提示，使界面友好美觀，操作方便，普通的工作人員經過簡單培訓即可操作。

（8）報警響應。當發生報警時，控制中心電腦聲光報警，并顯示報警的區域，提示保安人員準確及時出警。

（9）布防方式靈活多樣。可靈活設置布撤防時間段；可通過管理中心的計算機進行遠程布防。

（10）系統提供完整的設備接口，第三方視頻監控系統可以通過SOCKET接口調用雷達輸出的目標數據目標信息（X/Y方位坐標/X/Y矢量速度/目標ID/目標分類/目標可信度/目標信噪比/目標反射截面/目標距離像/極化特性），來實現報警的聯動跟蹤。

3 系統設計

智能周界安全防護系統主要包括前端相控陣雷達、激光雷達、攝像機、計算機網絡及布線、后端服務器及報警管理系統。安全警戒系統使用相控陣雷達、激光雷達加智能視頻分析兩種技術手段融合，來實現圍墻安全防范報警。安全警戒軟件在確定警情后，觸發管理報警防區的聲光報警設備，第一時間反饋給管理平臺。

3.1 綜合布線和網絡傳輸系統

為提供嚴密的周界安全防護，需要在實體圍墻至內外隔離網之間部署多套周界防護系統。如圖1所示，即在實體圍墻與內鋼網之間的5 m間隔區域安裝相控陣雷達智能安全防護系統。圍墻防護系統必須就近設置配線箱，預留220 V電源接口和單模光纖接口，所需電源線和光纖可以從配線箱引出，引到地面立桿上的防水箱。建議采用地埋方式進行地面布線。光纖從配線箱到安保中心。整個系統基于網絡傳輸，必須根據現場情況布置一定的室外網絡，并通過光纖傳輸連接到報警中心。

圖1 安裝設計

3.2 相控陣雷達聯合定位

通過視頻智能分析功能和智能相控陣雷達劃區域的聯合定位，可以規避單一設備產生的系統誤差，更準確地確認有效報警區域。相控陣雷達在發現目標后，會實時將計算出的目標數據，例如距離、角度、速度等參數與視頻聯動，結合視頻自身視頻智能分析功能對視頻區域內的物體進行分析以確定目標，雙重確認后再傳輸給后臺服務器顯示出來。

安全警戒系統軟件整合視頻、相控陣雷達測距測角測速數據，可以定位警情發生區域的準確位置，再將警情通知用戶。

相控陣雷達自帶2個攝像機（見圖2），通過設備自帶智能分析功能，來實現出現警情時的實時跟蹤和精確拍攝。

圖2 相控陣雷達

在視頻軟件報警中，視頻分析主要使用目標偵測和大小檢測過濾功能，還包括對樹葉、草等搖擺的過濾。具體方式是在相控陣雷達觸發報警后，視頻監控攝像機會分析視頻監管區域，如有異常物體移動，視頻將產生報警信號，然后通過算法過濾功能確定是否是人的運動。

通過視頻分析功能，能夠更精確地保證系統準確性，彌補單一探測器的固有缺陷[2]。

3.3 智能周界安全防護系統

系統采用統一綜合管理平臺管理，通過多種方式主動探測各種入侵或逃越行為，聯動安防指揮中心、分控中心報警，并統計記錄各種警情和錄像。安全警戒軟件在收到報警后，會在平面上顯示多種報警信息，通過語音、圖標等提示值班人員。安全警戒軟件在確定警情后，還可以和原有安防綜合管理平臺聯動，將警情及相關信息傳輸到用戶已有的安防平臺，實現安防指揮中心對警情的處理。并且將警情傳送到分控中心，協同分控中心值班人員處理警情。智能周界安全防護系統結構如圖3所示。

系統由前端探測設備、信號采集與處理系統、網絡傳輸與分析控制系統等組成，具備雷達視頻信息與視頻圖像聯動識別、運動目標跟蹤監視、坐標方位地圖標定、網絡化傳輸、信息融合、主動預警等多功能的信息綜合系統，解決了視頻搜索速度慢、精度差、手工操控繁瑣等問題，提高了遠距離視頻監控系統的使用效率，提高了目標搜索和跟蹤的速度和精度，降低了執勤人員的工作強度，提高了系統的使用價值。智能周界安全防護系統如圖4所示。

4 關鍵技術

4.1 相控陣雷達

相控陣雷達利用納秒級電磁微波進行目標特征檢測，具有探測距離遠、抗干擾能力高、檢測速度快、檢測結果準確性高、操作簡單直觀、安裝方便、實用性強等優點[3]。

圖3 智能周界安全防護系統結構

圖4 智能周界安全防護系統

4.1.1 相控陣雷達報警原理

相控陣雷達采用收發一體化技術，多天線相控陣復合結構，線性調頻連續波體制。通過24G頻段的電磁波對周界防區進行實時掃描，基于被測目標的距離域時延效應，速度域的多普勒效應，并結合多天線的相差，運用2FFT、目標聚類跟蹤等多項數字信號處理技術，對防區內目標的距離、速度、角度進行精準測量，從而在周界防區內識別有效報警目標，并且將相關數據及警情信息上傳到服務器。相控陣雷達的優勢是不但能夠發現防區內的目標，還能夠精確給出目標的距離、角度、速度等參數，探測距離0～160 m。相控陣雷達原理如圖5所示。

圖5 相控陣雷達原理

相控陣電磁微波掃描是一定張角的區域，在應用到周界報警，需要控制報警信號在一定的區域。由于相控陣探測器能夠測算距離和角度，所有可以建立以相控陣雷達為原點的極坐標系，在此基礎上，可以根據現場情況，規劃需要報警的防區，對規定區域外的信號不進行處理，防區以外的入侵目標，不會報警。

由于電磁微波的傳播特性，相控陣雷達發射的電磁微波在近距離也能無死角地覆蓋，從而相控陣雷達能夠無死角地探測最近距離的目標。同時多個相控陣雷達首尾相接，互相之間有一部分重疊區域，從而保證周界防區無漏洞。

當相控陣雷達探測到目標后，輸出目標相關信息給到控制模塊，控制模塊則啟動視頻分析模塊，抽取視頻進行分析。視頻分析主要使用目標偵測和大小檢測過濾功能，還包括對樹葉、草等搖擺的過濾。具體方式是在相控陣雷達觸發報警后，視頻監控攝像機會分析視頻監管區域，如有異常物體移動，視頻將產生報警信號，然后通過算法過濾功能確定是否是人的運動。

4.1.2 相控陣雷達特點

（1）探測距離遠。使用SiGe工藝的集成MMIC設計，在有效降低產品功耗的同時大大提高了靈敏度，有效動態范圍≥60 dB。相較傳統的分立式元件設計，系統一致性大大提高。空曠環境下探測距離不小于160 m。

（2）抗干擾能力高。多天線相控陣復合結構，電磁微波實時覆蓋監測區域，信號處理算法會不停記錄、更新地面背景雜波。采用背景對消原理，可以真正實現全天候工作，適應大風、大雨、大雪、大霧、沙塵等惡劣天氣情況。適用于復雜地面環境中的運動目標探測。相控陣雷達抗干擾能力比對如圖6所示。

相控陣雷達采用先進的同頻異步信號過濾技術。即使相鄰設備或附近24 GHz交通測速雷達有同頻道干擾，也不會影響雷達正常工作。

（3）檢測速度快。采用最先進的FPGA+雙核ARM異構處理器，計算能力大幅領先市面同類產品。每秒對監視環境掃描不小于10次，支持對最多32個目標同時探測跟蹤的能力，同時雷達支持≥10個目標同步輸出，在最短時間內給出最精確的探測結果。

（4）準確性高。使用2FFT、目標聚類跟蹤等多項數字信號處理技術，最低探測速度≤0.05 m/s，不論目標以何種姿勢、任意位置闖入防區，都能被快速定位。同時具有模式識別技術，對飛鳥、貓等小動物進行識別，進一步降低虛警、漏警的概率。

圖6 相控陣雷達抗干擾能力比對

（5）安裝方便、操作簡單。整機尺寸小、重量輕，定位安裝便捷。可快速搭建，不需要特殊的安裝結構，并可以任意設定防區區域，即便覆蓋了如大門、安全通道等無需檢測的區域，也能夠實現分段報警，簡化了設計和安裝要求。

（6）兼容性好、便于系統集成。支持以太網口（TCP/UDP）、串口數據傳輸，后臺集成方便，支持與其他安全報警系統進行對接，輕松實現整套安防解決方案。

4.2 智能周界安全系統

智能周界安全防護系統可以和前端報警探測設備雙向通信，報警數據可實時上傳，而且還可以實現由計算機軟件直接對智能相控陣探測雷達進行控制操作，如布防、撤防操作、修改防區、修改系統配置等，方便用戶的操作和管理，一旦出現警情后，相控陣雷達可實時回傳目標位置信息，自動指揮外置的PTZ攝像機自動跟蹤目標，使值班人員能及時了解報警點的信息，縮短了出警時間，同時也可提供給硬盤錄像機報警聯動信號。

智能周界安全防護系統可以實現以下功能：

（1）靈活簡便智能的設置，包括防區設置、電子地圖設置、用戶設置、布撤防設置和系統設置。

（2）防區列表。當某個防區觸發報警時，防區列表中對應的防區圖標，有閃爍提示（見圖7）。

（3）電子地圖。當某個防區觸發報警時，電子地圖上報警防區的位置處，會出現報警提示動畫（見圖8）。

（4）報警列表。主界面右側的報警列表中，會顯示每個報警防區最新的報警信息（見圖9）。

圖7 防區觸發報警

圖8 報警提示動畫

圖9 最新報警信息

（5）報警處理。雙擊報警列表中的報警記錄，會彈出報警處理界面。選擇報警處理方式之后，點擊確定會刪除列表中的實時報警記錄，此記錄可在歷史記錄中查詢（見圖10）。

圖10 報警處理相

（6）記錄查詢。

報警記錄查詢。可以通過設置時間和防區來篩選報警記錄，點擊導出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計算機磁盤上。雙擊報警記錄可以在監控視頻中看到該報警記錄的回放視頻和實時視頻（見圖11）。

撤布防記錄查詢。可以通過設置時間和防區來篩選撤布防記錄，點擊導出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計算機磁盤上（見圖12）。

操作記錄。通過設置時間篩選記錄。點擊導出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計算機磁盤上（見圖13）。

5 結語

本文針對傳統的周界安全防護系統容易受復雜環境影響較大，導致安全防護系統漏報率高、誤報率高等情況，采用相控陣雷達技術和激光雷達技術的探測器，能在目標進入防區前進行探測預警，通過對目標的距離、角度和速度的測量來判斷目標的行為和類別，能夠最大可能地減少誤報警，進一步提升了安全防護效果。

圖11 報警記錄查詢

圖12 撤布防記錄查詢

圖13 操作記錄