摘 要： 隨著安防行業(yè)的迅猛發(fā)展，入侵探測(cè)器不斷普及應(yīng)用。從安全的角度講，它為人們的日?；顒?dòng)提供了安全保障，如果在不掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況下盲目進(jìn)入，就有可能觸發(fā)入侵報(bào)警。對(duì)該領(lǐng)域目前市場(chǎng)上主流的產(chǎn)品及基本技術(shù)、解除原理等做一概述，預(yù)期可為探索探測(cè)器的盲點(diǎn)和后續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞： 探測(cè)器；被動(dòng)紅外；微波
1 市場(chǎng)現(xiàn)狀
1.1 報(bào)警器的類別
目前安防市場(chǎng)上常見(jiàn)的入侵報(bào)警探測(cè)器有主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器[1]、被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器、微波入侵探測(cè)器、微波和被動(dòng)紅外雙鑒式入侵探測(cè)器[2]、超聲波入侵探測(cè)器、振動(dòng)入侵探測(cè)器等。每一種入侵探測(cè)器都擁有在保安區(qū)域內(nèi)探測(cè)出人員存在的一定手段，裝置中執(zhí)行這種任務(wù)的部件稱為探測(cè)器或傳感器，是入侵報(bào)警探測(cè)器的核心。各類報(bào)警探測(cè)器基本都是以微波、紅外、聲控等技術(shù)為基礎(chǔ)的。
按探測(cè)原理，報(bào)警探測(cè)器可劃分為：
?。?）紅外型：①被動(dòng)紅外型：探測(cè)到人體（或輻射紅外物體）運(yùn)動(dòng)后報(bào)警；②主動(dòng)紅外型：由發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器向接收器發(fā)射不可見(jiàn)紅外光束，當(dāng)相鄰的兩束紅外光束被同時(shí)遮斷后報(bào)警[3]。
?。?）微波型：探測(cè)到一定的物體移動(dòng)后報(bào)警。
?。?）雙鑒型：由紅外線和微波組成雙元探測(cè)，可防遮擋和各種輻射干擾。
?。?）聲音探測(cè)型：檢測(cè)到一定分貝的聲音后報(bào)警。
?。?）光感探測(cè)型：檢測(cè)到一定程度的光線強(qiáng)度變化后報(bào)警。
?。?）煙霧感應(yīng)型：檢測(cè)到一定的煙霧濃度后報(bào)警。
?。?）氣體感應(yīng)型：檢測(cè)到空氣中一定的可燃?xì)怏w濃度后報(bào)警。
?。?）磁控開(kāi)關(guān)型：包含無(wú)線門(mén)磁和有線門(mén)磁，當(dāng)磁性單元和檢測(cè)單元分離后報(bào)警。
按探測(cè)器與主機(jī)之間的傳輸方式，報(bào)警探測(cè)器可劃分為：
?。?）無(wú)線型：通過(guò)無(wú)線電波將報(bào)警信號(hào)發(fā)給主機(jī)。
?。?）有線型：通過(guò)電纜將報(bào)警信號(hào)發(fā)給主機(jī)。
按探測(cè)器的外形，報(bào)警探測(cè)器可劃分為：吸頂式、壁掛式、幕簾式，可具有方向性選擇。
1.2 報(bào)警主機(jī)的類別
按使用場(chǎng)所，報(bào)警主機(jī)可分為：
?。?）單機(jī)型（適用于家用）：報(bào)警后，主機(jī)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。
?。?）聯(lián)網(wǎng)型（適用于大范圍區(qū)域等）：報(bào)警后，主機(jī)可通知異地的主人、接警中心等。
按報(bào)警方式，報(bào)警主機(jī)可分為：
?。?）現(xiàn)場(chǎng)告警型[4]：報(bào)警后，主機(jī)自動(dòng)打開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)的高音量警號(hào)，通知在場(chǎng)的主人。
?。?）無(wú)線告警型：報(bào)警后，主機(jī)發(fā)射無(wú)線報(bào)警信號(hào)給值班室，有一定的距離限制。
（3）電話撥號(hào)報(bào)警型：如有警情，可按照客戶設(shè)定的手機(jī)或者電話號(hào)碼撥號(hào)報(bào)警。
?。?）彩信報(bào)警器：如有警情，主機(jī)可通過(guò)GPRS將報(bào)警圖片傳輸?shù)浇泳行幕蛘呦嚓P(guān)人員手機(jī)上或郵箱里。
市場(chǎng)上的產(chǎn)品一般都有打開(kāi)本地報(bào)警警號(hào)、發(fā)送無(wú)線報(bào)警信號(hào)到監(jiān)控室、電話通知和短信通知功能。
1.3 布防、撤防
?。?）可在報(bào)警主機(jī)的鍵盤(pán)和控制面板上直接設(shè)置，也可通過(guò)遙控器設(shè)置。
?。?）布防、撤防可采用滾動(dòng)碼和跳碼技術(shù)。
?。?）如果遙控器損壞，可在主機(jī)直接復(fù)位并重新設(shè)置。
1.4 故障報(bào)警
?。?）當(dāng)電路線遇到人為損壞或報(bào)警主機(jī)電壓不足等故障時(shí)，報(bào)警主機(jī)會(huì)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。
?。?）可內(nèi)置電池，斷電后可維持一段時(shí)間。
?。?）系統(tǒng)一般有狀態(tài)記憶功能，當(dāng)斷電后，備用電源耗盡又重新來(lái)電時(shí)，系統(tǒng)仍保持?jǐn)嚯娗霸O(shè)置的狀態(tài)。
2 報(bào)警器的基本原理
本文對(duì)最常見(jiàn)的雙鑒式入侵探測(cè)器做重點(diǎn)敘述。它是指將微波探測(cè)技術(shù)[5]與被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)復(fù)合使用的探測(cè)器，在控制范圍內(nèi)，只有在兩種探測(cè)技術(shù)下都探測(cè)到物體時(shí)，才輸出報(bào)警信號(hào)。
2.1被動(dòng)紅外探測(cè)器的工作原理及響應(yīng)特性
被動(dòng)紅外探測(cè)器[6]是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行工作的：探測(cè)器收集外界的紅外輻射，進(jìn)而由菲涅爾透鏡聚集到紅外傳感器上。熱釋電元件接收了紅外輻射后，溫度就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。紅外探測(cè)原理如圖1所示。
?。?）菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在熱釋電紅外傳感器（PIR）上；二是將探測(cè)區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。
（2）熱釋電人體紅外線傳感器由熱釋電元、阻抗變換器和濾光窗三大部分組成[7]。
①人體都有恒定的體溫，一般在37℃，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)為10 m左右的紅外線。PIR能將波長(zhǎng)為8~12 m之間的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用[8]。
?、赑IR在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱釋電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷，以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。
?、郛?dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)到的只是背景溫度。環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。一旦入侵者進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面而聚焦，從而被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。因此，紅外探測(cè)的基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度差異。
被動(dòng)紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價(jià)格低廉。不足之處是：（1）易受各種熱源、光源的干擾，環(huán)境溫度與人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降；（2）被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探測(cè)器接收；（3）物體對(duì)著探頭呈垂直狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，靈敏度低；（4）在潮濕的環(huán)境下靈敏度下降[9]。
2.2 微波報(bào)警器工作原理及響應(yīng)特性
微波是指頻率大于300 MHz的無(wú)線電波。報(bào)警器微波探測(cè)方式的工作原理基于多普勒效應(yīng)：微波的波長(zhǎng)很短，在1 mm～1 000 mm之間，因此很容易被物體反射。微波信號(hào)遇到移動(dòng)物體反射后會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即經(jīng)反射后的微波信號(hào)與發(fā)射波信號(hào)的頻率會(huì)產(chǎn)生微小的偏移，此時(shí)可認(rèn)為報(bào)警產(chǎn)生。其原理如圖2所示。
微波探測(cè)的不足是易受金屬物的影響，由于金屬對(duì)微波反射較強(qiáng)，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)有大面積或體積較大的金屬物體存在時(shí)，在其后的陰影部分會(huì)形成探測(cè)盲區(qū)。
2.2.1 微波紅外復(fù)合（雙鑒）探測(cè)器
微波探測(cè)技術(shù)對(duì)物體的正面移動(dòng)敏感，而被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)則對(duì)物體從側(cè)面切割探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)方式敏感。并且，它既能保持微波探測(cè)器可靠性強(qiáng)、與熱源無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又集合了被動(dòng)紅外探測(cè)器無(wú)需照明和亮度要求、可晝夜準(zhǔn)備運(yùn)行的特點(diǎn)，大大降低探測(cè)器的誤報(bào)率[10]。
其局限性體現(xiàn)在：（1）雖然采用了紅外報(bào)警和微波報(bào)警相與的關(guān)系，但如果其中之一失效，報(bào)警器便不會(huì)報(bào)警，進(jìn)而會(huì)降低探測(cè)能力；（2）微波本身具有一定的穿透能力（如墻壁等），增加了誤報(bào)率；（3）微波可以被金屬屏蔽，在實(shí)際應(yīng)用中增加了探測(cè)的局限性。
2.2.2 微波紅外復(fù)合（雙鑒）探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)
?。?）反偽裝技術(shù)
現(xiàn)有的被動(dòng)紅外加微波的雙鑒技術(shù)具有兩個(gè)致命弱點(diǎn)：①當(dāng)環(huán)境溫度接近人體溫度時(shí)，入侵者所發(fā)射的紅外線能量與周圍環(huán)境所發(fā)射的相似，因此紅外傳感器將無(wú)法區(qū)分人體與周圍環(huán)境信號(hào)的差異，探測(cè)靈敏度隨之急劇下降。②入侵者用普通的傘或其他可阻擋紅外線的物體來(lái)遮掩自己身體并緩慢移動(dòng)時(shí)，能輕易地躲過(guò)被動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)。
反偽裝技術(shù)（Anti-Cloak Technology，ACT）Rokonet公司的專利技術(shù)。它的突破在于在上述兩種條件下，利用創(chuàng)新的模式識(shí)別算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)特的分析處理，將探測(cè)器自動(dòng)從雙鑒轉(zhuǎn)換至單微波觸發(fā)報(bào)警模式[11]。
對(duì)于第一個(gè)弱點(diǎn)，該技術(shù)能夠測(cè)量環(huán)境溫度，并在接近人體溫度時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到單微波模式。并且，采用了提高多普勒脈沖觸發(fā)警情的門(mén)限值要求和數(shù)量要求的技術(shù)，從而降低靈敏度，減少了誤報(bào)率。
對(duì)于第二個(gè)弱點(diǎn)，該技術(shù)專注于信號(hào)的形態(tài)和頻率，而非信號(hào)強(qiáng)度。偽裝后的入侵者在移動(dòng)中的信號(hào)雖然很弱，但具有特定的形態(tài)和頻率特性，信號(hào)強(qiáng)度接近聲音信號(hào)的水平。ACT技術(shù)采用復(fù)雜的圖像識(shí)別算法，能夠判別出該信號(hào)。該算法過(guò)濾了在被動(dòng)紅外通道中所有可能產(chǎn)生誤報(bào)的因素，如射頻干擾產(chǎn)生的瞬間信號(hào)以及熱源發(fā)出信號(hào)等，從而不會(huì)削弱防止誤報(bào)的性能。
?。?）主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)
不同于主動(dòng)紅外報(bào)警器中發(fā)射器與接收器的配對(duì)光柵式使用，主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)指的是，用砷化鎵發(fā)光二極管發(fā)出0.8~0.9 m左右的紅外線遇到遮擋物會(huì)被反射回來(lái)，報(bào)警器自身的接收器接收到后即報(bào)警。
以色列的Visonic公司開(kāi)發(fā)了這一技術(shù)，即X-Masking[12]。被動(dòng)紅外技術(shù)的弱點(diǎn)在于其被動(dòng)性。為了探測(cè)探測(cè)器附近的遮擋物，需要給被動(dòng)紅外系統(tǒng)添加一個(gè)相對(duì)應(yīng)的主動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由砷化鎵發(fā)光二極管構(gòu)成，從探測(cè)器內(nèi)部的一個(gè)特殊窗口向外散射近紅外光信號(hào)。如在附近有遮擋物，近紅外光脈沖的一部分被反射回探測(cè)器，由一個(gè)放置在被動(dòng)紅外透鏡后面的對(duì)近紅外光敏感的硅光電二極管來(lái)接收，從而報(bào)警。
報(bào)警器通電啟動(dòng)后，在60 s內(nèi)探測(cè)器嘗試學(xué)習(xí)周邊環(huán)境，預(yù)設(shè)置一個(gè)表達(dá)穩(wěn)態(tài)狀況的參考值，即預(yù)熱。當(dāng)學(xué)習(xí)結(jié)束后，探測(cè)器附近環(huán)境的任何變更將改變探測(cè)信號(hào)的級(jí)別。當(dāng)反射物（增加）或吸收物（減少）被用在遮擋嘗試中，級(jí)別將改變，因此影響了穿過(guò)透鏡的能量值。如果信號(hào)超過(guò)了任何一個(gè)預(yù)設(shè)值，并且干擾持續(xù)超過(guò)了30 s，將觸發(fā)一個(gè)反遮擋的報(bào)警信號(hào)。
?。?）防遮擋的信號(hào)報(bào)警
探測(cè)器的反遮擋信號(hào)輸出一般采用的是故障輸出端（TRB端），平時(shí)常閉，遇遮擋后輸出為電壓，或開(kāi)路報(bào)警信號(hào)。
?。?）防寵物與自適應(yīng)門(mén)限處理
自適應(yīng)寵物門(mén)限算法VPT的原理在于測(cè)量物體穿越探測(cè)區(qū)域的頻率來(lái)選擇合適的判別門(mén)限。該門(mén)限實(shí)時(shí)自調(diào)節(jié)，在任何一種穿越頻率下，都被設(shè)置在高于寵物信號(hào)強(qiáng)度，并且低于入侵者信號(hào)強(qiáng)度的水平，確保在忽略寵物的同時(shí)探測(cè)到入侵者。
3 解除響應(yīng)的原理
?。?）利用探測(cè)器的自適應(yīng)性，將遮擋材料緩慢地向探測(cè)器遮擋，使周圍的環(huán)境參數(shù)近乎不改變，使探測(cè)器探測(cè)不到遮擋物的遮擋行為和人體自身的紅外線輻射，從而避免報(bào)警。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)各材質(zhì)的反射程度，以期盡可能地達(dá)到吸收、散射等效果。
?。?）目前主流報(bào)警器采取微波和被動(dòng)紅外報(bào)警信號(hào)相與的方式，即這兩種方式同時(shí)探測(cè)到入侵者才可報(bào)警。故考慮破壞方式其中之一，即可達(dá)到欺騙報(bào)警器的效果。
?。?）改變環(huán)境，例如升高探測(cè)器附近的溫度到人體體溫，使人體隱藏在環(huán)境之中，使報(bào)警器無(wú)法將人體從環(huán)境之中區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而避免報(bào)警。
4 結(jié)束語(yǔ)
微波和被動(dòng)紅外雙鑒式入侵探測(cè)器目前應(yīng)用最為廣泛。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)防遮擋功能的種類占大多數(shù)，但未來(lái)防遮擋、防偽裝等功能的應(yīng)用必將更加普及。
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