《電子技術(shù)應(yīng)用》
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被動紅外探測器采用的技術(shù)淺談
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摘要: 被動紅外探測器是入侵防盜報警系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的設(shè)備之一,自其問世以來,所采用的技術(shù)不斷發(fā)展,而每種技術(shù)所針對的問題也不盡相同,有的主要為了過濾白光,有的著眼于減少高頻干擾的影響,還有的專門解決小動物活動造成的誤報;還有的兩種技術(shù),正好強調(diào)了互為對立的兩個方面,如脈沖計數(shù)技術(shù)和一步觸發(fā)技術(shù);有的兩種技術(shù)應(yīng)用原理相反,結(jié)果卻殊途同歸,如無線防盜系統(tǒng)中的擴頻技術(shù)和超窄帶技術(shù)。作為報警服務(wù)行業(yè)的施工維護和市場部門人員,應(yīng)該對這些技術(shù)有一定的了解,從而根據(jù)使用環(huán)境,有針對性地制訂設(shè)計和施工方案,達到量材使用,減少誤報的目的。筆者根據(jù)近幾年來國內(nèi)實際安裝較多的紅外探測器型號,將其采用的技術(shù)初步歸納為以下一些類別。
Abstract:
Key words :
  被動紅外探測" title="紅外探測">紅外探測器是入侵防盜報警系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的設(shè)備之一,自其問世以來,所采用的技術(shù)不斷發(fā)展,而每種技術(shù)所針對的問題也不盡相同,有的主要為了過濾白光,有的著眼于減少高頻干擾的影響,還有的專門解決小動物活動造成的誤報;還有的兩種技術(shù),正好強調(diào)了互為對立的兩個方面,如脈沖計數(shù)技術(shù)和一步觸發(fā)技術(shù);有的兩種技術(shù)應(yīng)用原理相反,結(jié)果卻殊途同歸,如無線防盜系統(tǒng)中的擴頻技術(shù)和超窄帶技術(shù)。作為報警服務(wù)行業(yè)的施工維護和市場部門人員,應(yīng)該對這些技術(shù)有一定的了解,從而根據(jù)使用環(huán)境,有針對性地制訂設(shè)計和施工方案,達到量材使用,減少誤報的目的。筆者根據(jù)近幾年來國內(nèi)實際安裝較多的紅外探測器型號,將其采用的技術(shù)初步歸納為以下一些類別。

  使用優(yōu)質(zhì)材料

  選擇鏡面" title="鏡面">鏡面材料:改進菲涅爾透鏡所用的材料,使其具有很好的波長選擇特性。在容許人體所發(fā)出的紅外光線通過的同時,盡可能阻擋白光中其他波長的光線,消除白光干擾。質(zhì)量好的透鏡,可消除高達20000燭光強度的白光干擾,相當于機場的跑道燈在2米處照射時,探測器都不會引起誤報。

  雙重屏蔽薄膜:在傳感器前,加貼特殊的傳導(dǎo)濾光膜,稱為雙重屏蔽薄膜。此膜的作用,一方面可減少陽光、汽車前燈、熒光燈等光源的影響。當早上或傍晚陽光照入室內(nèi)時,照度可達50000Lux,而采用此屏蔽后,光照強度達到100000Lux也不會產(chǎn)生誤報;另一方面此薄膜還具有抗RF無線電頻率干擾的作用,使探測器具有20V/M或30V/M的抗干擾能力。(20V/M相當于10W的無線發(fā)射機距1m內(nèi)不會產(chǎn)生誤報,30V/M相當于10W發(fā)射機距0.3m-0.5m,不會發(fā)生誤報。)

  磁力保護繼電器:該繼電器可以防無線電磁干擾和外力破壞。當探測器附近有強磁場時,一般繼電器外部缺乏磁場屏蔽,可能無法正常工作,從而導(dǎo)致探測器失效。采用磁力保護繼電器,外加的強磁場對繼電器的工作不再產(chǎn)生影響。

  改進光學(xué)系統(tǒng)

  球形透鏡:探測器在工作時,其探測范圍在上下、左右要張開一定的角度。而在有效的探測范圍內(nèi),其各項靈敏度應(yīng)盡量保證一致。為了改善探測扇面的均勻特性,采用了球形透鏡,使透鏡上每個探測區(qū)域的焦距保持一致,靈敏度不變。

  密封光學(xué)系統(tǒng):在透鏡和電路板之間采用隔熱塑料盒,將傳感器置于密封盒內(nèi),處于相對恒溫的條件,可以減少電路元器件發(fā)熱引起的干擾;在傳感器周圍采用碳黑海綿對白光進行吸收,可減少外界白光干擾,同時也起到了防塵、防潮、防小蟲侵入的作用。

  控制探測區(qū)域:采用幕簾、防寵物鏡面,避開小動物綷-?;顒拥姆秶?,對其活動的區(qū)域不予探測(如探測區(qū)域高于地面一定距離),又不影響對入侵人員的探測。

  鏡面調(diào)整縮放功能:由于房頂?shù)母叨炔煌?,對吸頂紅外探測器的要求也不同。通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)鏡面,可改變焦距和探測高度,以適應(yīng)不同的環(huán)境要求。

  紅外反射聚焦:與紅外傳感器配套的光學(xué)系統(tǒng)有三種,即反射式、透射式和折射式。其中反射式的靈敏度最高,探測距離遠。菲涅爾透鏡屬透射式,靈敏度最低,折射式居中。菲涅爾透鏡體積小、密封容易、穩(wěn)定性好、價格較低,因此目前國內(nèi)外多采用透射式系統(tǒng)。但采用反射鏡聚集紅外能量,比菲涅爾鏡片更有效,因此探測器信號放大電路的增益可以做得較低,信噪比" title="信噪比">信噪比更高,能較好地防止干擾信號" title="干擾信號">干擾信號引起的誤報。有少數(shù)國外進口的被動紅外探測器使用了反射法聚焦,因而取得了較好的防誤報效果。

  溫度補償和光敏調(diào)整

  溫度補償電路:被動紅外探測器探測的信號強弱與人體和環(huán)境溫度的差別有很大的關(guān)系,一般情況下,人的體溫與環(huán)境溫度相差較多。當入侵者移動時,傳感器接收到紅外的變化信號幅度較大而觸發(fā)報警;當環(huán)境溫度與人體溫度接近時,入侵者在運動時傳感器接收到的紅外變化信號幅度較小,這樣有可能由于信號小于觸發(fā)閥值而不會報警。因此,探測器需根據(jù)環(huán)境溫度的變化,對電路增益進行補償。

  常規(guī)的溫度補償是線性遞增形,即溫度越高、補償越大,當環(huán)境溫度高于人體溫度時,過度的補償顯然是不合理的,而且容易產(chǎn)生誤報。較好的補償方法是采用拋物線形,使得探測器在比較大的溫度變化范圍內(nèi),都能保持靈敏度基本一致。

  光敏調(diào)整:由于晝夜光照變化較大,探測器如果晝夜工作,則白天與黑夜的工作特性,會產(chǎn)生較大的變化。探測器電路利用光敏電阻隨光照變化而阻值相應(yīng)變化的特性,根據(jù)周圍區(qū)域的亮度和工作的時段,自動調(diào)整接收靈敏度,確定日/夜不同的工作模式,可以有效地防止白天強光干擾引起的誤報。

  優(yōu)化電路設(shè)計

  探測器工作電壓" title="工作電壓">工作電壓:工作電壓范圍是探測器的基本參數(shù),看似簡單,卻十分重要。探測器工作電壓取值掌握的一條原則,即應(yīng)低于控制主機的工作電壓。當交流電中斷,系統(tǒng)靠備用電池工作的情況下,供電電壓將逐漸降低,如果探測器工作電壓設(shè)計范圍較小,這時主機尚能正常工作,探測器卻已不能維持正常狀態(tài),系統(tǒng)將持續(xù)地產(chǎn)生誤報。

  電源濾波:使用電子濾波器,能較好地濾除電源中的雜波對電路造成的干擾。電子濾波器需濾除的雜波主要是50HZ/60HZ交流電頻率及其諧波,從而減少電源干擾引起的誤報。

  一步觸發(fā)技術(shù):主要用于沒有干擾(如密閉較好的地下室等)而靈敏度要求很高的場合。在不增加誤報的基礎(chǔ)上,應(yīng)用這項技術(shù),移動物體通過探測區(qū)域,產(chǎn)生一個脈沖即可觸發(fā)報警,反應(yīng)十分靈敏。

  脈沖計數(shù)技術(shù):菲涅爾透鏡將探測覆蓋的范圍分成一定數(shù)量的探測區(qū),當相鄰兩個區(qū)之間產(chǎn)生溫度變化時,觸發(fā)一個脈沖信號。設(shè)置多脈沖啟動方式,在一定程度上可以減少因偶然原因引起的誤報。這種模式下,探測器通過數(shù)字計數(shù),計量入侵者從一開始所觸發(fā)扇區(qū)觸發(fā)沿的個數(shù),根據(jù)事先設(shè)置的數(shù)字脈沖計數(shù)個數(shù)而觸發(fā)報警信號。但這種方式,會使靈敏度有所下降。

  能量積聚技術(shù):根據(jù)探測到的信號強度,判斷能量的大小,達到閥值時,產(chǎn)生報警。小型物體由于覆蓋面較小,如只能占據(jù)鏡面一個探測區(qū)的一部分,或者在遠、中、近幾個探測區(qū)域只占一個甚至不到一個區(qū),因而產(chǎn)生的信號強度達不到閥值要求,就不會產(chǎn)生報警。

  防高頻干擾技術(shù):當有高頻干擾時,干擾信號強度增加,若探測器觸發(fā)的閥值不變,信噪比隨之下降,就容易產(chǎn)生誤報。采用防高頻干擾技術(shù)后,探測器的閥值會隨著干擾信號的增強而相應(yīng)提高,使信噪比基本保持不變,從而減少因高頻干擾引起的誤報。

  多元探測技術(shù)

  雙元傳感器探測:在一個探測器內(nèi),將兩個傳感器按一正一反的方式相連,這樣做的好處是,當環(huán)境溫度、光照或其它因素變化時,每個組件同時產(chǎn)生相同的變化信號,但極性相反,互相抵消。當有外部侵入時,紅外源必定在一個給定的時間段內(nèi)出現(xiàn)在一個區(qū),接著出現(xiàn)在另一個區(qū),兩個組件相繼發(fā)生信號,組成探測脈沖。對于雙元紅外探測器,其雙元傳感器的平衡度,代表了探測器的抗干擾能力,平衡度越好,抗干擾的能力也越強。

  四元傳感器探測:探測器內(nèi)裝有四個對偶紅外傳感器,兩個具有正靈敏度,移動的熱源使其產(chǎn)生正的信號;兩個具有負靈敏度,移動熱源使其產(chǎn)生負的信號,兩兩正負相接。探測器設(shè)計成只有每部分都探測到信號時才觸發(fā)報警。由于老鼠一類的小動物,體積較小,移動時僅能觸發(fā)其中一、二部分元件產(chǎn)生信號,因而不會引起報警;而人體積較大,容易滿足這一條件。因此,四元紅外探測器對防寵物誤報有較好的效果。

  傳感器陣列探測:采用八個獨立紅外傳感器,按陣列式處理,每個傳感器均都具有真實移動識別人體的功能。傳感器陣列接收到的信號,統(tǒng)一進行比較處理,以此來準確區(qū)分人體移動信號或是環(huán)境其它因素產(chǎn)生的干擾信號。

  智能判斷技術(shù)

  智能判斷:內(nèi)部加裝微處理器芯片,運用模糊數(shù)學(xué)等原理,對信號的周期、振幅、持續(xù)時間、極性進行分析。通過對人與動物反射頻譜的大量分析,建立內(nèi)容豐富的識別數(shù)據(jù)庫,比較人活動與其它因素引起變化模式的區(qū)別,來確定是否報警,以提高報警的正確性。

  方向判斷:方向探測功能是指探測器可以判別物體運動的方向,只有符合預(yù)先指定方向的運動物體才會引起報警。一般實現(xiàn)的方法是在探測器內(nèi)安裝2個傳感器,根據(jù)其先后觸發(fā)的次序,來進行判斷,然后確定是否為入侵。比如人由室外進入到室內(nèi)可觸發(fā)報警,由室內(nèi)走出室外則不會報警。

  無線系統(tǒng)技術(shù)

  滾動碼技術(shù):滾動碼是在傳輸代碼之前采用了先進的非線性位加密技術(shù),產(chǎn)生具有極高保密性的滾動編碼。每一次發(fā)送的代碼都是唯一的、不規(guī)則的、且不重復(fù),使得任何通過非法捕捉和掃描跟蹤等破譯手段都難以實現(xiàn),其主要優(yōu)點是安全性好。目前采用的滾動碼通信集成電路,將序列號、加密密鑰及同步計數(shù)值等數(shù)據(jù)綷-加密后,產(chǎn)生了32位高度保密的滾動碼。其中16位同步計數(shù)值每次傳輸后都要更新,所以加密出來的數(shù)據(jù)每次都不同,并且在不知道密鑰的情況下,從以前的密碼中也無法推知后續(xù)的密碼。32位的密碼再加上34位的明碼會被遙控器一起發(fā)送出去,這樣的組合達到了7千億億之多,一般情況下,無法被破解。

  擴頻通信技術(shù):在無線抗干擾技術(shù)中,可以包括很多手段,如高頻自適應(yīng)抗干擾技術(shù)、高速跳頻技術(shù)、超窄帶技術(shù)等,但由于成本和體積的限制,真正已用到無線探測器的是頻譜擴展技術(shù),簡稱為擴頻技術(shù)。其工作原理是將把通信信號隱藏在噪聲之中,采用很寬的頻帶形成偽噪聲通信,只要對功率進行有效的控制,就可以對合成噪聲的波形實施編碼和解碼,因此也稱為偽噪聲通信。這種技術(shù),有很強的抗干擾能力。

  探測器的防護

  防遮檔:為了防止人為的將被動紅外探測器屏蔽,使其失效,一般的方法是在被動紅外探測器中,加入主動紅外探測功能,若在幾十厘米之內(nèi),有遮檔現(xiàn)象,發(fā)射的紅外光將反射回探測器內(nèi),使其報警。

  防噴膠" title="噴膠">噴膠:防噴膠與防遮擋有相似之處,都需加短距離的主動紅外探測。當探測器表面被噴膠后,會使透鏡的折射系數(shù)產(chǎn)生變化,從而引起主動紅外能量的反射,返回探測器內(nèi),引起報警。

  防砸:在探測器內(nèi)裝有震動傳感器,惡意破壞時會觸發(fā)震動傳感器,引發(fā)報警。

  PCB設(shè)計和生產(chǎn)工藝

  表面貼片技術(shù):采用表面貼片(SMD)技術(shù),縮短引線產(chǎn)生的寄生電抗(包括寄生電感、寄生電容和寄生電導(dǎo)等),此工藝可以較好地改善探測器的防射頻干擾能力。

  電路板設(shè)計:適當安排電路板的布線,尤其注意地線的布設(shè),可以明顯地減少外界電磁干擾、電涌對探測器的影響。

  結(jié)束語

  探測器采用的技術(shù)還有不少,如與微波探測或空氣振動探測相接合的雙鑒探測,因探測原理不同而產(chǎn)生的量子型紅外探測等等,本文難以全部包攬。因篇幅有限,對涉及到的一些技術(shù)原理,也無法講深講透,用意是讓使用者有初步的了解,以便正確地選擇和應(yīng)用。

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