专利名称：一种激光-视觉联动夜间入侵探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光电和视觉信息技术领域，涉及一种夜间场所周界安防中的行人和车 辆入侵探测装置，特别是基于激光光电和视觉信息技术的入侵探测。
背景技术：
对于居民小区、库房、军事区域、机场等重要场所，行人和车辆的入侵探测已经成 为安全防卫的一项重要工作。当警戒区域发生意外入侵时，安防系统需要迅速探测、响应和 识别入侵事件，并进行报警，以采取进一步措施，保障区域安全。尤其对于夜间情况，可见度 下降，周边道路车灯等光源造成光照干扰，对视觉监视带来很大挑战。为了防止非法入侵事 件，减少人工保安工作的强度，自动入侵检测装置尤其必要。目前国际上应用的周界探测和 报警系统主要有基于以下几种技术微波、红外、泄露电缆、光纤、脉冲电子围栏、视觉监视 和激光光电感应等。这些周界探测技术各有特点，按照工作原理和方式，可以分成物理防护 型和主动探测型等。脉冲电子安全围栏系统是一种有代表性的物理防护系统，由带电脉冲的电子缆线 组成，布置在需要防护的区域周界。电子缆线产生的非致命脉冲高压能有效击退入侵者，并 产生报警信号。电子安全围栏的主要缺点是造价昂贵。主动探测型系统比较多，这一类通过预先布置的探测装置感应入侵事件，产生报
m 目。微波墙式报警系统分为微波发射单元和微波接收单元两部分组成，发射机和接收 机分开相对而立其间形成一个稳定的微波场，利用场干扰原理或波束阻断式原理来探测入 侵者。一旦有人闯入警戒区，微波场受到干扰，微波接收机就会探测到一种异常信息，从而 发生报警。主动红外报警系统由红外发射机和接收机两部分组成，当有物体阻断与红外接收 机之间光路时即发出报警信号。主动红外报警系统主要适用于室内近距离的入侵探测。另 一种被动红外入侵探测方法通过检测目标人体辐射实现报警。存在的主要问题是人体辐射 电磁能是相对变化的，带来探测结果出现偏差和检测速度慢等问题。泄露电缆是一种具有特殊结构的同轴电缆，收发电缆之间的空间形成一个椭圆形 的电磁场的探测区。当有人进入此探测区时，会干扰这个耦合场，使接收电缆收到的电磁波 能量发生变化，通过电子电路触发报警。光纤传感器周界报警系统发射脉冲调制的红外光，当入侵者侵入时，会破坏光纤， 使其断裂，这时就会因光信号的中断而触发报警。视觉监视采用摄像机拍摄监视区域的实时图像，判断区域是否出现异常情况。视 觉监视的优点是信息丰富，在安防系统中可以作为最终判别手段提供区域安全信息。视觉 监视存在以下缺点一是视频数据量巨大，多路视频使人工视觉监控工作疲劳，容易漏掉入 侵事件；所存储的海量视频数据使得视频数据的处理、检索工作比较困难。如果采用计算机 视觉技术实现自动的识别和处理，则受到现有的技术所限，系统的误报率和漏报率比较高，难以达到满意的效果。另一个方面是受照明条件影响，对于夜晚等光照不良环境，尽管可以 使用红外灯等主动照明技术以增强成像，但是视觉监控质量还是不可避免地受到夜间的光 照环境的影响，视觉监视效果不够理想。同时，采用红外灯照明使得监控区域容易暴露，从 而入侵者可以绕开监视区，造成安防失效。闪光灯配合摄像机能够拍摄较高质量的图像，但 是不适合长时间稳定工作。激光投射光电感应报警属于主动入侵探测器类，由激光发射器发射出的定向激光 束射向接收端，在接收机通过光电器件将接收到的光信号转换成特征信号，并经进行处理。 当光束被遮断时，则信号失常，产生报警信号。激光光电感应报警的优点是灵敏度高，抗外 界杂散光和电磁干扰的能力强，适于远距离工作。其缺点是系统难以分辨小动物、树叶等物 体造成的激光信号遮挡情况，系统误报率较高。综合以上的周界入侵探测技术，现有的单一技术存在造价昂贵，布置困难的问题 (脉冲电子围栏、泄露电缆、光纤式、微波式)，或者使用环境受限(红外式)，或对环境光照 变化敏感、探测可靠性不高(视觉监视)，或系统误报率较高(激光光电感应)，难以实现低 成本、高灵敏度、低误报率的入侵探测报警。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的入侵探测系统的不足，克服夜间等不良光照条件 的干扰，提供一种能够可靠地探测出行人或车辆的入侵事件并进行识别的报警装置。该报 警装置能够通过多种探测和监视手段，感知控制区域的入侵事件并产生警报。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是，将激光光电探测技术和视觉监视技 术结合起来，克服夜晚不良光照环境的干扰，提供多传感手段联动的入侵探测和报警装置。 通过投射激光束，并配置相应的光电感应单元，探测警戒区域内的可疑入侵事件；通过激光 探测警报信号触发视觉监视系统，配合强光照明手段，拍摄采集报警区域的图像信息，进行 处理和判断识别，进一步确认报警信息，自动给出安防区域的安全状态和参考图像。所述的激光探测和视觉监视联动的入侵探测报警装置，包括基于激光光电感应的 前端探测单元，视觉采集处理后端单元，以及和监视管理上位机构成。所述的入侵探测装置，其激光探测前端单元包括激光发射模块和激光光电转换接 收处理模块组成。所述的入侵探测装置，其激光发射模块投射的激光经过以特定频率调制，并且激 光波长可以根据安装环境要求选择。激光发射器的安装角度由姿态调整机构提供俯仰和偏 转两个自由度的调整，以实现发射端和接收端的对正。所述的入侵探测装置，其激光光电转换接收处理模块由前端的遮光防护装置和光 学聚光装置，以及光电信号的转换、放大、解调、处理和识别板卡组成。所述的激光光电探测前端单元，其发射端和接收端安装在不同的分站上两两成对 使用。所述的入侵探测装置，其视觉采集处理后端单元包括安防监视摄像机、嵌入式图 像处理模块、触发装置和主动照明装置组成。所述的视觉采集处理后端单元，嵌入式图像处理模块由TMS320DM642为核心的视 频采集、解码、处理和外围接口组成。
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所述的监视管理上位机，由PC机实现报警信息管理，声光报警和现场图像的存储管理。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是激光探测和视觉监视联动以实现多 传感手段的入侵探测与报警。以调制的激光束作为探测光源，与激光光电转换接收和处理 模块组成前端单元，对警戒区域周界进行探测和封锁，当有行人、车辆、小动物和其他物体 经过周界遮挡激光光路时，产生初级警报信号；带有主动照明的摄像机和嵌入式图像处理 器作为后端主动视觉响应处理单元。前端单元的初级警报信号触发视觉监视系统实现联 动，在完全可控的照明条件下采集可疑报警区域的图像，进行嵌入式图像处理，进一步确认 和识别入侵目标，实现高灵敏、高可靠性的入侵探测报警。本发明的有益效果是(1)由于激光光电探测方法抗干扰能力强，可以在夜间不良光照环境下探测各种 原因引起的激光光路中断的入侵事件，灵敏度高；(2)提供的后端视觉监视功能的能够提供丰富的场景信息；(3)视觉监视功能可以对场景信息进行进一步处理，识别报警事件，多传感手段有 效地减少了激光探测的误报警。(4)由于系统的前端激光探测单元为连续工作方式，后端视觉监视单元为触发响 应工作方式，所以视觉监视为间歇式工作，可以采用大功率闪光灯等极端照明手段对环境 光照进行控制，所拍摄得到的图像质量高，视觉信息处理结果可靠。(5)由于视觉系统采用初级报警触发间歇式的工作方式，而非连续视频拍摄，得到 的图像数据量相对减少，便于存储、检索和人工事后复核检查。
图1是本发明入侵探测报警装置的整体组成图；图2是入侵探测报警装置工作流程图；图3是激光光电信号接收处理模块的工作原理图。
具体实施例方式激光探测和视觉监视联动的入侵探测报警装置结构请参阅图1。入侵探测报警装置由激光光电探测单元，视觉监视单元和监视上位机构成。激光 探测单元置于警戒区域边界，两两相对安装，探测中间区域的入侵事件。激光探测单元与视 觉监视单元通过复合电缆电联接，监视上位机与激光光电探测单元电联接。入侵探测报警装置工作流程请参阅图2。入侵探测报警装置工作流程如下当激光探测单元探测到监视区域中出项异常目 标时，产生初级报警信号。由于引起激光探测异常的情况较多，包括车辆，行人、小动物，落 叶等，容易引发误报警。为了提高报警的可靠性，激光探测单元的初级报警信号传送到视觉 监视系统，触发摄像机在主动闪光照明条件下拍摄高质量图像。所拍摄图像进行嵌入式处 理，与预先设定的场景图像进行对比和匹配。图像处理结果确认警戒场所有入侵事件时，将 报警信号和图像传送到上位机，并触发声光报警；图像处理结果确认警戒场所没有异常入 侵时，发送复位信号给激光探测单元，将场景图像传送到上位机以待事后复查，并不触发警
5报。激光接收处理模块的工作流程原理如图3所示。激光光电探测单元的包括成对使用的探测分站(6)，每个分站上安装激光发射端 和接受端，分站两两相对安装，固定于地面。发射端由激光发射器(7)投射激光束(12)，射 向光电接收端。激光发射器型号为EL98D60IG2点式激光器，投射波长为980nm的近红外激 光。近红外激光在大气中具有良好的穿透特性，减少信号衰减；并由于人眼不可见而具有一 定的隐蔽性。激光器发出的激光束经过预先调制，调制频率为1kHz。激光器安装在一个二 自由度姿态调整机构(8)上，能够提供士 15度的俯仰和偏转姿态调整。在激光束的校准方 面，采用红外对准测试表(微安表)和激光定位仪来校准激光束。经过激光光强计算和实 验验证，对于10米的探测距离，激光发射功率为Imw可以满足接受端光电感应器件光照强 度值(1000LX)的要求。激光接收端通过光电器件将接收到的光信号转换成特征信号，并进行处理。接收 端与发射端相对安装在不同的分站上。接收端的接受孔上方由遮光罩(9)覆盖，以遮挡杂 散光源，减轻干扰。在接收端的前面光路上放置一个凸透镜(10)以聚集接收光线，提高光 照强度。其后是窄带滤光片(11)，其中心通过频率与激光发射器的激光频率一致。通过凸 透镜和光学滤光片，进一步减少杂散光的干扰，提高接收端激光束的光强和信噪比。成对使用的激光发射端和接收端的安装位置如下位于底层的探测激光束距地面 距离约为0. 3米；位于上层的激光束距离地面约1米。对于安全防护要求更加严格的情况， 可以增加激光发射和接受器的个数，使得组成的探测激光束更加密集，对入侵检测更加敏 感。激光接收端的光电感应器件选择2⑶501型硅光电二极管，其特性是在1000LX光 照强度下，响应时间t < 20ns，光电流I > 15uA。接收端以硅光电二极管感应器件和89C51 单片机等器件组成光电信号处理模块(4)。在光电信号处理模块中，由硅光电二极管实现激 光信号转化成为电信号，然后经运算放大器电路对采集的信号进行放大处理；采样信号进 入单片机处理器，由程序软件实现信号的滤波和解调处理。当有障碍物侵入边界时，激光光 束被遮断，则接收光电信号中断。光电信号处理模块单片机程序中，当信号中断时间超过预 先设定的响应时间(30ms)时，产生初级报警信号。光电信号处理模块的报警信号将传送大 视觉监视单元，触发摄像机拍摄图像，确认、识别入侵目标。激光光电探测单元与视觉监视单元电联接，联接电缆包括摄像机快门触发信号 线，同步闪光灯触发信号线，模拟视频同轴电缆和电源供电线。视觉监视部分由安防摄监视 摄像机(2)、主动闪光照明装置SB-900(13)和嵌入式图像处理模块(5)，以及摄像机快门触 发信号线、同步闪光灯触发信号线组成。激光光电探测单元检测到入侵事件产生初级报警 信号，该信号通过继电器隔离后联接到安防摄像机作为快门触发信号。摄像机的常态处于 待机状态，接到触发信号，即按照预先设定的快门、焦距、光圈和感光度进行曝光。与此同 时，闪光灯(13)通过触发信号进行闪光。由于采用了大功率闪光灯，环境光照变化的干扰 被大大削弱了，可以按照预先设定的参数拍摄高质量的图像。摄像机的一组典型拍摄参数 是焦距12mm，光圈3. 5，曝光时间1/200秒，感光度IS0-800。监视摄像机(2)拍摄的视频信号通过同轴电缆以PAL制式传送到嵌入式DSP图像 处理单元(5)。嵌入式DSP图像处理单元置于激光光电探测分站内部。模拟图像信号经过解码芯片TVP5150进行采样转换，数字图像进入TMS320DM642处理器。
图像处理过程如下首先进行图像预处理，包括图像的增强、降噪和滤波，以提高 图像的质量。由于监视摄像机拍摄的场景是固定的，所以在图像中的背景信息为已知的图 像，可以进行预先拍摄并存储。当激光光电探测单元发出初级报警信号时，监视摄像机拍摄 场景图像，与预先拍摄的图像进行图像相减运算，得到差分图像。如果场景中出现与预先设 定的图像不符的物体，就会在差分图像产生异常图形。对异常图形进行边缘分割提取，得到 目标的轮廓形状。对目标的形状和大小进行分类，识别车辆、行人和小动物等不同原因引发 的激光探测报警。当图像处理模块判定没有入侵异常时，对激光探测探测单元进行复位，当 前场景图像传送至管理上位机(1)，存储图像以供事后核查。当分割的图像与车辆或行人的 模式向匹配时，系统发生警报，并传送到管理上位机。上位机与激光光电探测单元、视觉监 视单元电联接，联接电缆包括模拟视频传输同轴电缆，报警信号线和报警复位信号线。管 理上位机接收到报警信号后触发声光报警(3)，并存储监视摄像机当前的图像，以供事后核 查。
权利要求
一种激光 视觉联动夜间入侵探测装置，基于激光光电感应和视觉技术，能够探测夜间场所周界的异常入侵事件，并进行记录和声光报警；其特征在于入侵探测装置采用激光探测和视觉监视两种传感技术对入侵事件进行探测和识别，二者组成联动系统；由激光光电感应探测入侵事件，其响应信号用来触发视觉监视装置同步拍摄主动照明条件下的现场图像，进而通过图像处理和识别实现入侵报警确认，实现灵敏、可靠地入侵探测。
2.根据权利要求1所述的入侵探测装置，其特征在于，入侵探测装置包括激光探测单 元、视觉监视单元和上位监控计算机；激光探测单元为初级探测报警装置，视觉监视单元为 识别确认报警装置，上位监控计算机作为管理单元处理报警信息和存储图像数据。
3.根据权利要求1所述的入侵探测装置，其特征在于，激光探测单元的初级报警信号 触发视觉监视单元中的摄像机快门和闪光灯进行同步拍摄；通过激光探测初级报警和视觉 识别确认二级操作以提高入侵报警的灵敏度和可靠性。
4.根据权利要求1所述的入侵探测装置，其特征在于，激光探测单元为连续工作方式， 视觉监视单元中为触发间歇工作方式。
5.根据权利要求1所述的入侵探测装置，其特征在于，激光光电探测单元由激光发射 器，光电感应接收器组成。
6.根据权利要求2所述的激光探测单元，其特征在于，激光探测单元的激光发射器经 过调制，调制频率为ΙΚΗζ，激光波长为980nm ；激光发射器安装在二自由度姿态调整机构 上，能够进行士 15度范围的俯仰和偏转姿态调整。
7.根据权利要求2所述的激光探测单元，其特征在于，激光探测单元的的光电感应接 收器前端有凸透镜和窄带滤光片以提高接收光照信号的光强和信噪比。
8.根据权利要求2所述的激光探测单元，其特征在于，激光探测单元的光电感应接收 器通过硅光电二极管进行光电信号转换，由单片机电路进行信号处理，判断识别入侵事件 引发的激光光路中断。
9.根据权利要求2所述的视觉监视单元，其特征在于，视觉监视单元中摄像机拍摄的 图像由DSP嵌入式图像处理模块进行处理。
全文摘要
本发明公开一种激光-视觉联动夜间入侵探测装置，由激光探测和主动视觉技术实现在夜间条件下对入侵事件的探测和识别。本发明涉及安防中的入侵探测技术，特别是涉及基于光电和视觉信息处理技术的入侵探测。需要解决的技术问题是在夜间不良光照环境下探测出行人或车辆的入侵事件并进行识别，并防止误报警。本发明装置由调制的激光束作为探测光源，配合光电信号的采集、放大和处理器组成前端单元；由带有主动照明的摄像机和嵌入式图像处理器作为后端响应处理单元。当探测区域出现入侵事件时，由激光光电信号中断触发主动视觉系统实现联动，提高入侵探测的可靠性。主动本发明可用于居民小区、库房、机场和其他重要场所周边的防入侵警戒探测。
文档编号G08B13/196GK101976489SQ201010507349
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者李原, 王圣均, 王庆林 申请人:李原