一種多設備融合周界入侵監測方法

摘 要：當前周界入侵監測中常用的設備包括雷達、智能圍網、視頻目標監測設備，不同設備有自己優點和擅長領域，但是又各自有其局限性，普遍存在漏報和誤報現象，達不到全方位智能監測的要求。因此本文研究一種多設備聯動融合監測方法，根據各個設備的擅長領域進行融合使用，充分利用各自的優勢，形成一套更加立體、智能、靈活的入侵監測系統。

關鍵詞：入侵監測；雷達；視頻識別；智能圍網；智能防范；融合技術

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

當今用于周界入侵監測的技術手段主要包括小目標雷達、智能圍網（微振動監測、微波探測、紅外探測）、電子單兵、視頻目標監測等[1-5]。根據實際情況本次研發測試選用小目標雷達+振動圍網+視頻目標識別。雷達負責目標預警與跟蹤，因為雷達的1°誤差，距離誤差可能達到17.44 m，所以需要智能圍網判斷目標是否越界，但是如果有動物或大風吹起的漂浮物會造成誤報，所以采用視頻進行目標識別，將非防范目標過濾掉。

1 系統總體設計

多設備聯動控制系統的業務流程為：當有活動目標進入布防區域時，檢測設備開始檢測活動目標，產生周界防范預警事件，并將事件上報給中心平臺；綜合安防監控管理平臺報警系統接收到事件后，可進行事件查看；平臺通過不同的入侵區域和類型，觸發不同的聯動方式，例如雷達和光電聯動、微波和監控聯動等多種組合聯動。其中，視頻周界防范會自動抓拍錄屏并將報警事件發送到智能分析設備進行分析，分析目標是否為人后再觸發報警事件。

2 功能描述

2.1 雷達和光電聯動服務

雷達和振動光纖等檢測系統，在給出目標的位置信息后，在智能算法的支持下，聯動控制轉臺方位移動；通過深度學習算法，對目標進行識別，可以有效濾除誤報，并對真實目標自動追蹤、跟蹤。當目標躲藏或丟失，基于深度學習跟蹤算法的光電系統可快速實現或恢復對目標的二次跟蹤。

系統依據不同地形、不同需求布防不同傳感器，采用高點掌控整體情況，低點查看監控細節，進行大范圍布設和部分地區的補盲建設，充分利用雷達的大范圍搜索、光電設備的智能預警以及振動傳感器的隱蔽性，對邊境一線實現無縫覆蓋。

2.1.1 聯動流程

雷達和光電聯動流程如圖1所示。

2.1.2 聯動原理

雷達監控器探測范圍寬、距離遠且反應靈敏[6-8]，當有入侵者進入雷達監控區域時，雷達就會發出預警信息，提示有入侵者進入。但是，雷達監控器不能夠區分或識別入侵者的類型[9-11]，因而容易造成誤報。視頻監控采集的圖像信息豐富，可以對檢測內容進行識別，但是其普遍存在著監控范圍小、監視盲區多、目標定位跟蹤困難等問題，顯然不能滿足現代安防監控的智能化需求[12]。因此，采取雷達和視頻融合，由雷達監控器實時獲取雷達監控區域內入侵者的位置坐標、運動速度等信息，視頻監控器則用于獲取監控區域的圖像數據，能夠結合雷達監控器和視頻監控器兩者的優勢實現互補，獲取全面的檢測信息，避免因單個監控器獲得信息不全面或者受外界環境的影響導致誤報。根據預先建立的雷達監控器所監測到的目標在視頻監控器所采集的圖像平面中的坐標對應關系，將雷達監控器監測到的入侵目標的三維位置坐標映射為在同步圖像中的位置坐標。坐標對應關系的建立步驟為：利用標定技術計算視頻監控器的內部參數，建立視頻監控器坐標模型；根據視頻監控器坐標模型以及雷達監控器與視頻監控器之間的位置關系，建立世界坐標系下雷達監控器所監測到的目標在視頻監控器所采集的圖像平面中的坐標對應關系。

2.1.3 聯動實現

雷光聯動服務具備光電設備對雷達識別的目標持續跟蹤功能。任何目標物進入雷達探測范圍內并觸發系統告警時，系統即使用雷達監測目標的坐標數據聯動就近的遠程、中程、近程光電系統指向目標，開始進行視頻監控。如果確認目標為可疑目標，則在三維地圖上對目標物進行標注鎖定，系統自動將目標信息推送至周圍距離最近的雙光譜熱成像網絡云臺攝像機或球機（視天氣雨霧可見度影響、目標距離而定），雷達可以對應多臺雙光譜熱成像網絡云臺攝像機和球機。同時，告警信息和監視視頻將被送往管理員終端，提示予以處置。整個過程的告警觸發事件、引導數據、視頻數據都被系統實時記錄，方便隨時調用回放。管理員也可使用態勢終端人工引導光電進行主動監視。雷光聯動如圖2所示。

雷達目標接入：支持對雷達識別目標的接入功能，可通過雷達的目標協議或者SDK等方式實現對接。云臺鏡頭控制：支持對云臺鏡頭協議的集成，或者與視頻系統的接口對接功能，實現對云臺、鏡頭的控制。雷光聯動算法：具備光電設備對雷達目標的持續跟蹤以及方位、視野調整等能力。

2.2 微波探測和監控聯動服務

微波入侵報警設備與視頻監控聯動系統，包括多個微波對射探測器，多個微波對射探測器的監測空域相連呈環形或相連成一片；每個微波對射探測器的監測空域附近分別設有攝像頭，該攝像頭的監測空域可覆蓋對應的微波對射探測器的監測空域；每個微波對射探測器分別與硬盤錄像機和對應的監測空域現場報警裝置相連；每個攝像頭分別與視頻監控設備相連，硬盤錄像機與視頻監控設備相連，視頻監控設備與計算機的視頻監控處理模塊相連，計算機的視頻監控處理模塊與機房報警裝置相連。本研究的目的在于提供一種響應速度快、能實時追蹤到微波對射探測器發出警報現場畫面的微波周界與視頻監控聯動系統。

2.2.1 聯動流程

微波和監控聯動流程如圖3所示。

2.2.2 聯動原理

當檢測到有目標入侵時，微波入侵探測系統發送報警信號至報警主機，報警主機接收后將報警信號傳送給平臺服務器；平臺接收到報警數據后，立刻調出距離最近的雙光譜熱成像網絡云臺攝像機或球機，將鏡頭轉向調校好的預置位或者巡航路徑來監視相關的防區。當監控平臺接收到周界報警信息時，會根據后臺設置的報警時間鳴響報警聲，及自動彈出發生報警位置的監控畫面。

2.2.3 聯動實現

微波入侵探測系統與監控的聯動方式通常有以下兩種：

（1）前端物理連接聯動（通過485信號傳輸），微波入侵探測系統報警信號（開關量）直接接入對應的攝像機報警輸入接口。這樣連接的優點是：由于信號傳輸距離短，聯動反應快，不會出現延遲。

（2）微波入侵探測報警信號傳輸至控制中心后通過報警主機控制軟件來實現聯動（通過網絡傳輸）。

網絡TCP/IP傳輸是如今較為常見的傳輸方式，軟件控制界面較為清晰，可選擇的功能設置較多，如可以設置自動錄像、自動抓拍、自動存儲等。微波和視頻聯動如圖4所示。

3 算法設計

3.1 入侵場景

三種入侵場景如下：

（1）雷達+電子圍網：攀爬、觸網；

（2）雷達+電子圍網：翻越、鉆網；

（3）雷達+光電：穿越阻斷圍欄。

3.2 雷達+電子圍網：攀爬、觸網

根據雷達提供的圍網外側最后一個航跡點，結合電子圍網的報警信息，獲取第x號主機n防區，判斷該航跡點是否落在報警防區的范圍內。如果是則取該點在圍網的投影點為入侵位置，否則取圍網中點。假設雷達航跡信號在圍網附近丟失前的最后一個點P1提供的方位角為θ1和目標距離為m1，雷達所在經緯度為（lon_lei，lat_lei），雷達初始方位角為θ_lei。單個報警主機對應50個防區，距離2 km，每個防區精度40 m，從圍網起點開始，每40 m放置一個柱子，已知每個柱子的經緯度。在米勒投影的地圖上，將經緯度轉換為平面坐標的算法如下：

L=6 381 372*π*2;//地球周長

W=L;//平面展開后，x軸等于周長

H=L/2;//y軸約等于周長一半

mill=2.3;//米勒投影中的一個常數，范圍大約在±2.3

之間

dToRadar=cos（abs（θ1）*π/180）*distance;//計算目標點距離雷達的水平距離

firstNum=（x-1）*50+n;

secondNum=（x-1）*50+n+1;//計算報警防區2個柱子的編號（從1開始）

（firstNum-1）*40lt;dToRadarlt;firstNum*40//判斷目標點是否在防區范圍內

若在范圍內，則計算投影點經緯度。

計算角距離：δ=m1/R。

計算經緯度：

lat=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（lat_lei）*sin（δ）*cos（θ_lei）），

lon=lon_lei+atan2（sin（θ_lei）*sin（δ）cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat））

若不在范圍內，則計算圍網中點。使用米勒投影算法將該防區的起止經緯度轉平面直角坐標。

轉弧度：x=經度*π/180，y=緯度*π/180

米勒投影轉換：y=1.25*log（tan（0.25*π+0.4*y））。

弧度轉實際距離：

x=（W/2）+（W/（2*π））*x，y=（H/2）-（H/（2*mill））*y

由此得出起點（x1， y1）、終點（x2， y2）。

獲取兩點之間的中點：（x3， y3）=（x1+x2）/2+（y1+y2）/2。

將中點轉經緯度：

弧度_x3=（x3-W/2）*2π/W，

弧度_y3=（（H/2-y）*2*mill）/H，

弧度_y3=（atan（exp（lat/1.25））-0.25*π）/0.4

計算圍網中點經緯度：

lon=弧度_x3*180/π，lat=弧度_y3*180/π

3.3 雷達+電子圍網：翻越、鉆網

該場景電子圍網不會觸發報警，由雷達在圍網外側最后一個航跡點和入侵后在圍網內測的第一個點跡來構成報警條件，最終以入侵后在圍網內測的第一個點跡在圍網的投影點作為入侵位置。

假設雷達航跡信號在圍網附近丟失前的最后一個點P1提供的方位角為θ1和目標距離為m1，入侵后的第一個點P2提供的方位角為θ2和目標距離為m2，雷達所在經緯度為（lon_lei，lat_lei），雷達初始方位角為θ_lei。判斷是否入侵將在后文進行介紹。

地球赤道半徑近似值：R=6 371 393 m。

同3.2節，先將各種經緯度轉弧度后再進行以下計算。

計算角距離：δ=m1/R。

計算P1經緯度：

lat_p1=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（lat_lei）*sin（δ）*cos（θ1）），

lon_p1=lon_lei+atan2（sin（θ1）*sin（δ）*cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat_p1））

同理可得P2經緯度（lon_p2， lat_p2）。

計算P1和P2兩點間的距離：

cos=cos（lat_p1）*cos（lat_p2）*cos（lon_p1-lon_p2）+sin（lat_p1）*sin（lat_p2）， d=acos（cos）*R

若d超過系統設定的某個最大距離，則認為該數據無效，不構成報警條件；若d在距離范圍內，則計算P2在圍網的投影點P3。

計算目標點與雷達的水平距離：

dToRadar=cos（abs（θ1）*π/180）*distance

計算角距離：δ=dToRadar/R。

計算投影點經緯度：

弧度_lat_p3=asin（sin（lat_lei）*cos（δ）+cos（1at_lei）*sin（δ）*cos（θ_lei）），

弧度_lon_p3=lon_lei+atan2（sin（θ_lei）*sin（δ）*cos（lat_lei）， cos（δ）-sin（lat_lei）*sin（lat）），

lon_p3=弧度_lon_p3*180/π，

lat_p3=弧度_lat_p3*180/π

3.4 雷達+光電：穿越阻斷圍欄

雷達發現目標之后，根據雷達提供的方位角θ_hor和目標距離m1計算此時雷達的俯仰角θ_ver；根據目標距離m1和目標高度h1計算視場角θ_fov；光電根據θ_hor、θ_ver、θ_fov三個角度，控制云臺對目標進行定位。定位之后對目標進行檢測，如果目標為人，結合雷達提供的目標信息計算到目標已經入侵之后，以該點作為入侵位置進行報警。

雷達默認距離地面高度為7.5 m，光電默認距離地面高度為8 m。假設雷達所在的經緯度為（lon_a，lat_a），目標經緯度為（lon_b，lat_b），計算光電的絕對方位角：θ_光電=光電初始方位角+光電鏡頭此時的水平角；計算目標的絕對方位角：

lat_a=lat_a*Math.PI/180，

lng_a=lng_a*Math.PI/180，

lat_b=lat_b*Math.PI/180，

lng_b=lng_b*Math.PI/180，

θ_目標=sin（lat_a）*sin（lat_b）+cos（lat_a）*cos（lat_b）*cos（lng_b-lng_a），

θ_目標=sqrt（1-θ_目標*θ_目標），

θ_目標=cos（lat_b）*sin（lng_b-lng_a）/θ_目標，

θ_目標=asin（θ_目標）*180/π

得出光電水平所需偏轉角：

θ_偏轉=θ_目標-θ_光電

計算光電的水平角：

θ_hor=光電鏡頭此時的水平角+θ_偏轉

計算光電的俯仰角：θ_ver=asin（8/m1）。

計算光電的視場角：θ_fov=（atan（h1/m1）*180/π）*2*100。

判斷雷達目標點位是否入侵時，采用射線法，從目標點出發引一條射線，計算這條射線和多邊形所有邊的交點數目，如圖5所示。若結果是奇數，則說明在區域（多邊形）內；若結果是偶數，則說明在區域（多邊形）外。

同3.2節，先將各種經緯度轉弧度后再進行以下計算。

假設：循環操作，每次取多邊形的任意一條邊，邊上兩點分別為（x1， y1）、（x2， y2），雷達目標點為（x0， y0），交點數目為nCross=0

若同時滿足以下2個條件，則nCross+1。

條件1：x1≤x0＜x2或x2≤x0＜x1；

條件2：y0lt;（y2-y1）/（x2-x1）*（x0-x1）+y1。

最后判斷若nCross%2≠0，說明是奇數，則該點落在區域內。同3.3節，通過該點計算入侵點的位置經緯度。

4 結 語

本文通過小目標雷達+震動圍網+視頻目標識別多設備融合實現了周界入侵監測0漏報、0誤報/每日監測目標 ，在測試環境下實行0漏報、0誤報，有效提高周界安防技術水平。

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作者簡介：婁占磊（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向為安防系統集成。

雒崇安（1986—），男，本科，高級工程師，研究方向為安防系統集成。

王柳彭（1989—），男，本科，工程師，研究方向為安防系統集成。

夏 博（1993—），男，本科，工程師，研究方向為軟件開發。