引言 基于脚步振动信号的智能报警系统，在安全(2)
2013-05-12 18:04
导读：我们的报警装置设定是在脚步震源附近采集信号，传感器贴于地面，得到的是强烈的面波、浅层的反射波，浅层的直达横波共同叠加的振动波。 而我们要
我们的报警装置设定是在脚步震源附近采集信号，传感器贴于地面，得到的是强烈的面波、浅层的反射波，浅层的直达横波共同叠加的振动波。
而我们要研究的就是，此振动波的频率范围、振幅表现。以及多少时间才能采集到一个完整的、保存着明显脚步振动信号特征的振动信号。
3 实验分析
结合上述问题，翻阅了大量的文献资料。地震波是多种波的叠加，它一般是指在地面以下，高弹性介质中传播的体波，它的频率较低，在10-100Hz 之间[5]。
在工程物探中常用锤击法人工获得震源，这个方法与脚步振动信号的方法相近，在陆地声纳的资料中，经锤击能够激发和接收到10-4000Hz 频带的波，不同的应用再进行不同的滤波处理[3]。
在得不到准确答案的情况下，设计了一个实验：
采用流行的麦克风和专业音频编辑软件Cooledit 进行脚步声波信号的录制，麦克风的频率响应范围是20Hz-20KHz。Cooledit 采样率设为44100、单声道、32 位。把麦克风贴放于地面，在麦克风前做声波测试。
我们得到的撞击的声波信号，可以说是振动产生的纵波传递给空气引起空气振动的波形信号，根据波的传播的理解，我们知道波在不同介质中的传播，频率不变。可以说由声波信号算出的频率于振动信号频率相对应，而且还能得到振幅的变化特征，并能得到具有明显振动波形的信号长度。
中选中部分为34ms 经过估算能最大表现出振动信号的特征的频率在20-60Hz，更高频的振动不是不存在，而是对波形信号的表现上没有什么太大的帮助如放大的所示。
因为实验中麦克风的频率响应范围最低是20Hz 所以我们取地震波频率的下限10Hz。
我们要能得到 10-60Hz 的振动信号，就能够重现振动波形。根据奈奎斯特采样定理[6](1927 年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。）采样率至少应该为最高频率的2 倍，但是要能够工程应用使波形重现，采样率应该合理的设为4-5 倍，当然采样率越大越能完美的重现。所以我们的采样率最好能设为50-300Hz，即3.3ms 获得一个采样数据。对现在的AD 转换器来说不成问题。
（科教作文网http://zw.NSEaC.com编辑发布） 当物体敲击地面时，是一个很干脆的过程，所以持续时间很短，但是当人在走路时并不是简单的拿鞋去敲击地面。而是一个过程，先是脚跟着地，再过渡到脚尖。（这就是为什么穿皮鞋时一脚下去会听到两个声音的原因。）当人们的心情不同也就是说着急情况不同时，这个过程是不一样的，心情越急，脚跟到脚尖的过渡越快，甚至一起，当人们跑起来时，脚跟甚至不着地，直接以脚尖着地。
为踏步信号，图中所选部分为88ms。经多次实验比较得出，具有脚步信号特征的信号长度在50-100ms 比普通重物撞击地面的时长要长。从频率上看没有什么变化，但是从振幅上看，脚步信号的振幅拥有更多的极值波峰或者波谷，最大振幅比之撞击要小。如上所述，在上述采样率下采集时间最好在100ms，才能够得到完整的脚步振动信号。
虚警排除算法
1. 对于平衡的环境信号，在系统启动的时候，采集定量的数据，求均值，做为信号的平衡位置，同时也做为信号采集的门限值的基础。
2. 对于突然发生的，物体落地或者单一振动信号，能够超越门限值引发信号采集的信号，求取整个信号时长内的均差。超过某个值的信号才有可能是脚步振动信号。
3. 对于满足前两步条件的信号，引发一个计数一人计时程序，同时采集端断续工作。在2秒内计数超过5次或者低于2次的信号丢弃，不符合人的行为。满足条件的可以上传到上位机进行进一步的分析，也可同时引发报警。
