一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统及方法与流程

1.本发明涉及周界安防领域，具体涉及一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统及方法。


背景技术：

2.虚拟仿真技术在许多领域，如军事、交通、医疗、农业、工业等都被广泛应用，是现阶段必不可少的科研手段之一。为方便周界安防系统的建立，亟需设计一种能够模拟多场景周界入侵的虚拟仿真系统，以对不同入侵场景下的地震动信号进行研究。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供了一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统及方法。
4.一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真方法，主要包括以下步骤：
5.(1)、设计震动数据采集系统，完成振动传感器、数据采集卡的选型以及数据采集软件的编写工作；
6.(2)、利用震动数据采集系统在不同的环境完成震动数据采集工作，创建一个包含多种入侵场景下的地震动信号的样本数据库；
7.(3)、对现有的噪声样本数据库进行数据处理，并对噪声信号开展时域及频域的分析工作；根据时域、频域的特点，建立环境振动引起的典型噪声信号的数学模型，并利用matlab进行仿真；
8.(4)、分析人员及车辆作为震源时对地面产生激励的原理，根据人员及车辆运动时对地面产生的力的作用效果，运用物理模型法，将人员对地面产生的力的作用等效为一阶弹簧阻尼系统，车辆对地面产生的力的作用等效为二阶弹簧阻尼系统；并且在二阶弹簧阻尼系统中，考虑到路面不平度对于车辆行驶时的影响，对路面不平度函数进行求解分析；根据人员及车辆两种震源的物理模型进行数学建模，求解出两种震源对地面施加的作用力，再利用传感器冲击检测法求解出两种震源产生的地震动信号，最后应用matlab进行震源信号的仿真工作；
9.(5)、针对浅地表地震动信号传播衰减特性进行研究，分别对杨先健振动衰减预测模型、maxwell粘弹性介质地震波传播模型、kelvin
‑
voigt粘弹性介质地震波传播模型以及标准线性粘弹性介质地震波传播模型进行建模仿真，并通过实验对衰减预测模型和三种粘弹性介质中地震波传播模型的预测效果进行对比分析，以选择预测效果最佳的模型；
10.(6)、将步骤(3)、(4)、(5)中建立的噪声模型、不同震源信号模型、路面不平度模型以及地震波传播模型进行模型整合，得到基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统；利用该系统仿真出不同环境噪声、不同道路因素、不同入侵目标以及不同传播距离的多种入侵场景下的地震动数据，并将仿真数据与样本数据库中的实测数据进行对比验证。
11.优选的，步骤(1)中，所述震动数据采集系统选用动圈式振动传感器，并针对不同
批次的动圈式振动传感器进行传感器低噪声筛选，以提高所采集到的震动数据信噪比。
12.优选的，步骤(1)中，所述震动数据采集系统的数据采集软件利用labview和matlab混合编写，并利用ni公司的daq工具箱来控制串行输入总线完成数据的传输；通过ni的数据采集模块、数据存储模块、labview的信号处理和显示模块、matlab的信号处理模块和高阶谱分析工具包协同实现震动数据采集系统的整体功能。
13.优选的，步骤(4)中，根据弹簧阻尼系统力学原理建立力学方程即可求得人员及车辆对地面的激励信号。
14.优选的，步骤(5)中，杨先健振动衰减预测模型和三种粘弹性介质地震波传播模型建立好之后，先从脚步振动信号中选择一个合适的震源脉冲信号，求解该震源脉冲信号的幅值谱作为模型的输入，然后将通过模型求解得到的不同距离的地震动预测波形与实测的不同距离的地震动波形进行对比分析，最终根据预测波形与实测波形的相关系数，选择预测效果最佳的maxwell粘弹性介质地震波传播模型。
15.一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统，包括震动数据采集系统和多场景虚拟仿真系统；
16.所述震动数据采集系统用于采集不同场景下的震动数据，以创建一个包含多种入侵场景下的地震动信号的样本数据库；震动数据采集系统包括振动传感器、数据采集卡和数据采集软件；
17.所述多场景虚拟仿真系统用于仿真出不同环境噪声、不同道路因素、不同入侵目标以及不同传播距离的多种入侵场景下的地震动数据；多场景虚拟仿真系统包括噪声模型、不同震源信号模型、路面不平度模型以及地震波传播模型；所述噪声模型用于模拟环境振动引起的噪声地震动信号；所述不同震源信号模型用于模拟人员及车辆入侵时地面所产生的地震动信号；所述路面不平度模型用于模拟路面不平度对于车辆入侵时地面所产生的地震动信号的影响；所述地震波传播模型用于模拟不同传播距离的地震动波形。
18.优选的，所述振动传感器选用动圈式振动传感器；所述数据采集软件利用labview和matlab混合编写。
19.优选的，所述地震波传播模型选取maxwell粘弹性介质地震波传播模型。
20.本发明的有益效果是：利用震动数据采集系统采集环境振动引起的噪声地震动信号、人员在地面行走所产生的地震动信号及车辆入侵时地面所产生的地震动信号，构建所需的样本数据库；根据噪声信号时域、频域的特点，建立环境振动引起的典型噪声信号的数学模型；根据物理模型法进行不同震源振动信号的建模仿真工作；根据实地采集到的不同震源经过不同距离传播后的波形，研究浅地表地震波的传播衰减特性，并进行数值模拟工作；最后进行模型整合构建出一套周界入侵场景虚拟仿真系统，为建立周界安防系统提供不同场景下的地震动数据来完成系统验证工作。
附图说明
21.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
22.图1为本发明实施例中周界入侵场景虚拟仿真方法的流程示意图；
23.图2为本发明实施例中传感器低噪声筛选的示意图；
24.图3为本发明实施例中数据采集软件的界面示意图；
25.图4为本发明实施例中样本数据库中不同目标的振动信号示意图；
26.图5为重70kg人员沿传感器半径5m进行圆周运动的实测数据；
27.图6为重70kg人员沿传感器半径5m进行圆周运动的仿真数据；
28.图7为传感器400m处履带车入侵的实测数据；
29.图8为传感器400m处履带车入侵的仿真数据。
具体实施方式
30.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.一种基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
32.(1)、设计震动数据采集系统，完成振动传感器、数据采集卡的选型以及数据采集软件的编写工作。震动数据采集系统选用动圈式振动传感器作为前端探测单元，并针对不同批次的动圈式振动传感器进行传感器低噪声筛选(如图2所示)，提高所采集到的震动数据信噪比。数据采集软件如图3所示，利用labview和matlab混合编写，并利用ni公司的daq工具箱来控制串行输入总线完成数据的传输，通过ni的数据采集模块、数据存储模块、labview的信号处理和显示模块、matlab的信号处理模块和高阶谱分析工具包协同实现震动数据采集系统的整体功能。
33.(2)、利用上述震动数据采集系统在不同的环境完成震动数据采集工作，创建一个包含多种入侵场景下的地震动信号的样本数据库，如图4所示，包括但不限于环境振动引起的噪声地震动信号、人员在地面行走所产生的地震动信号及车辆入侵时地面所产生的地震动信号。
34.(3)、对现有的噪声样本数据库进行数据处理，并对噪声信号开展时域及频域的分析工作；根据时域、频域的特点，建立环境振动引起的典型噪声信号的数学模型，并利用matlab进行仿真。
35.(4)、分析人员及车辆作为震源时对地面产生激励的原理，根据人员及车辆运动时对地面产生的力的作用效果，运用物理模型法，将人员对地面产生的力的作用等效为一阶弹簧阻尼系统，车辆对地面产生的力的作用等效为二阶弹簧阻尼系统，并且在二阶弹簧阻尼系统中，考虑到路面不平度对于车辆行驶时的影响，进而对路面不平度函数进行了求解分析。根据人员及车辆两种震源的物理模型进行数学建模，求解出两种震源对地面施加的作用力(根据弹簧阻尼系统力学原理建立力学方程即可求得人员及车辆对地面的激励信号)，再利用传感器冲击检测法，代入人员及车辆对地面产生的激励信号即可求得人员及车辆作为震源所产生的地震动信号。最后应用matlab进行震源信号的仿真工作；
36.(5)、针对浅地表地震动信号传播衰减特性进行研究，分别对杨先健振动衰减预测模型、maxwell粘弹性介质地震波传播模型、kelvin
‑
voigt粘弹性介质地震波传播模型以及标准线性粘弹性介质地震波传播模型进行建模仿真，并通过实验对衰减预测模型和三种粘弹性介质中地震波传播模型的预测效果进行对比分析：
37.先从脚步振动信号中选择一个合适的震源脉冲信号，求解该震源脉冲信号的幅值谱作为模型的输入，然后将通过模型求解得到的不同距离的地震动预测波形与实测的不同距离的地震动波形进行对比分析，最终根据预测波形与实测波形的相关系数，选择预测效果最佳的maxwell粘弹性介质地震波传播模型。
38.(6)、将步骤(3)、(4)、(5)中建立的噪声模型、不同震源信号模型、路面不平度模型以及地震波传播模型进行模型整合，得到基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统。利用该系统仿真出不同环境噪声、不同道路因素、不同入侵目标以及不同传播距离的多种入侵场景下的地震动数据，并将仿真数据与样本数据库中的实测数据进行对比验证。如图5
‑
图8所示，经过与实测数据对比验证，该仿真系统具有很好的实用性。
39.一种采用上述方法构建的基于振动感知的周界入侵场景虚拟仿真系统，主要包括震动数据采集系统和多场景虚拟仿真系统。
40.震动数据采集系统包括振动传感器、数据采集卡和数据采集软件。振动传感器选用动圈式振动传感器，动圈式振动传感器工作时，传感器与被测物体或介质刚性连接，当物体产生振动时，传感器磁路空隙中的线圈会做切割磁感线运动，根据法拉第电磁感应原理可知，动圈式振动传感器会将微弱的机械振动转换为电信号，且产生正比于振动速度或振动加速度的感应电动势。此类传感器无需外部供电，无功耗，符合安防系统要全年全天候工作的需求；且受温度因素影响较小，环境适应性良好，被广泛应用于地震勘探、目标探测、周界安防等领域。数据采集软件利用labview和matlab混合编写(具体过程如仿真方法中所述)。
41.震动数据采集系统用于采集不同场景下的震动数据(环境振动引起的噪声地震动信号、人员在地面行走所产生的地震动信号及车辆入侵时地面所产生的地震动信号等)，从而创建一个包含多种入侵场景下的地震动信号的样本数据库。
42.多场景虚拟仿真系统包括噪声模型、不同震源信号模型、路面不平度模型以及地震波传播模型。噪声模型用于模拟环境振动引起的噪声地震动信号。不同震源信号模型用于模拟人员及车辆入侵时地面所产生的地震动信号，路面不平度模型用于模拟路面不平度对于车辆入侵时地面所产生的地震动信号的影响。地震波传播模型选取maxwell粘弹性介质地震波传播模型，用于模拟不同传播距离的地震动波形。
43.多场景虚拟仿真系统能仿真出不同环境噪声、不同道路因素、不同入侵目标以及不同传播距离的多种入侵场景下的地震动数据，为建立周界安防系统提供不同场景下的地震动数据来完成系统验证工作。
44.对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。