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試論主動(dòng)紅外和激光入侵探測器

1. 基本工作原理和基本結構
主動(dòng)紅外入侵探測器和激光入侵探測器都是采用直線(xiàn)傳播的電磁波束作為防范介質(zhì)的入侵探測器材。其基本結構是由一一對應的發(fā)射器和接收器配置在防范區域的兩端，由發(fā)射器發(fā)出電磁波束作為防范介質(zhì)，由接收器檢測防范介質(zhì)被阻斷作為報警條件。從基本結構和防范效果上看，這兩種入侵探測器是等效的。但是，從具體原理方面分析，存在如下異同。
防范介質(zhì)的波長(cháng)特性比較
激光入侵探測器采用近紅外（波長(cháng)范圍0.75～3μm）電磁波束作為防范介質(zhì)，其典型值有0.808、0.908~1.05μm；主動(dòng)紅外入侵探測器也采用近紅外電磁波束作為防范介質(zhì)，其典型值有0.85、0.88、0.94μm等；采用近紅外波段的紅外光束為防范介質(zhì)的共同特點(diǎn)就是：防范介質(zhì)在人可視頻譜之外，具有防范的隱蔽性。
此外，某些型號的激光入侵探測器采用可視頻譜中的紅色電磁波束作為防范介質(zhì)，典型值有0.65μm；此類(lèi)產(chǎn)品的防范光束在白天尚不易為肉眼察覺(jué)，但在應用環(huán)境中有霧、霾、煙、塵埃等條件下特別是夜晚，此類(lèi)產(chǎn)品的防范光束可以為肉眼觀(guān)察而喪失防范的隱蔽性。
防范介質(zhì)的波束特性比較
激光入侵探測器 由于激光束的相干性，其發(fā)射功率密度大、發(fā)散角小、光束集中、方向性好，在使用同等功率器件的條件下，目標接收處激光束的功率密度是紅外發(fā)光二極管光束功率密度的數百至幾千倍。因而在同樣氣候條件和波長(cháng)相同的前提下，激光的傳輸衰減遠小于紅外線(xiàn)，穿透雨霧的能力強，探測距離可達數百米至幾公里。從而保證遠距離的正常工作和減少惡劣天氣時(shí)的誤報率。
    由于激光束的相干性，其光斑?。òl(fā)射到一百米的距離時(shí)，光斑直徑的可以調節到0.02米。）、多束激光的靶點(diǎn)不產(chǎn)生重合，因而可以在不采用編碼調制的條件下以層疊方式安裝使用，構成多條平行或交叉的防范射線(xiàn)；同時(shí)由于其波束傳輸路徑唯一、光斑唯一，可以避免主動(dòng)紅外探測器紅外光發(fā)散而造成沿直線(xiàn)連續布設或者鄰近探測器互相間干擾的問(wèn)題，從而可以沿長(cháng)距離連續多對直線(xiàn)布設；同樣也不存在紅外光發(fā)散干擾周?chē)渌舾屑t外設備的問(wèn)題。
激光入侵探測器  發(fā)射器與接收器之間防范介質(zhì)是完全點(diǎn)對點(diǎn)直線(xiàn)的，不會(huì )產(chǎn)生折射/反射而引發(fā)漏報警；但是小物體（飛鳥(niǎo)、落葉等）的阻斷易引發(fā)誤報警。
主動(dòng)紅外入侵探測器  由于采用無(wú)相干性的紅外光源作為防范介質(zhì)，發(fā)散角大，光束不集中；抗御霧、雨、塵、氣流（風(fēng)、強烈水蒸汽等）的能力相對弱，只有增加其發(fā)射強度彌補。由此國家標準GB10408.4-2000第4.1.7 款探測距離b項規定“室外用：主動(dòng)紅外入侵探測器的最大射束距離應是制造廠(chǎng)規定的探測距離的6倍以上。”，以求其發(fā)射強度可以保障實(shí)際應用的需要。同時(shí)該標準第4.1.2 款發(fā)射機射束角度規定“發(fā)射機應輻射窄射束，在與射束軸線(xiàn)夾角大于15°的任意位置上的功率密度應比射束內任何部分最強點(diǎn)的功率密度低20dB以上。”（據了解，目前比較優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品采用特別設計的聚光透鏡，可以使上述發(fā)射射束與軸線(xiàn)的夾角為1.5°，即使是達到這樣的指標，發(fā)射到一百米的距離時(shí)，光斑直徑的理論值仍然約為5.2米。）
從以上內容可見(jiàn)主動(dòng)紅外入侵探測器的波束發(fā)散角大，發(fā)射余量大，每個(gè)發(fā)射器發(fā)出的波束在傳播過(guò)程中形成一個(gè)包圍住接收端的“雨滴狀”立體區域。這個(gè)立體區域波束的形態(tài)不是固定的，會(huì )隨著(zhù)陽(yáng)光、霧、雨、塵、氣流等環(huán)境因素的變化而產(chǎn)生變化，當噪聲因素（陽(yáng)光或同波長(cháng)人工光源）越強、衰減因素（霧、雨、塵、霾的濃/密度）越大時(shí)，其區域會(huì )越??；當動(dòng)力因素（氣流變化）越大時(shí)，其不對稱(chēng)形變越大；當上述單一或多種因素綜合造成的形變使得接收器脫離立體區域的波束時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生誤報警。
多光束主動(dòng)紅外入侵探測器的發(fā)射器發(fā)出多個(gè)“雨滴狀”立體區域波束，在離開(kāi)發(fā)射點(diǎn)不遠，各波束就開(kāi)始重合；到達接收器時(shí)，多個(gè)波束在接受器投影的光斑相互重合，如果每個(gè)波束間不存在信號特征，接收器就無(wú)法區分；波束在傳播過(guò)程中形成“雨滴狀”分布，會(huì )在“雨滴狀”區域內各種物體上投影形成光斑，產(chǎn)生隨機的反射/折射，使得一對發(fā)射器/接收器之間可能形成不止一條防范路徑，從而存在漏報警的可能；在多對同類(lèi)探測器集中安裝使用時(shí)，會(huì )形成多個(gè)“雨滴狀”波束區域的重合和傳播過(guò)程中各種可能的投影產(chǎn)生多種角度/強度不同的反射/折射，造成各探測器之間多種相互干擾源共存、干擾路徑復雜的狀況。
主動(dòng)紅外入侵探測器  發(fā)射器與接收器之間是立體的波束區域覆蓋對應于點(diǎn)的，上述存在的折射、反射使得傳輸路徑不唯一、光斑不唯一，存在漏報警的可能；但是單個(gè)小物體的阻擋不容易引發(fā)誤報警。
傳統型（無(wú)編碼調制型）主動(dòng)紅外入侵探測器，由于價(jià)格較低、安裝調試方便、防范效果直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，目前仍然是周界防范系統中應用量最大的產(chǎn)品類(lèi)別。但是由于其射束的發(fā)散角大、發(fā)射余量大且無(wú)頻率區分等弱點(diǎn)，形成兩個(gè)技術(shù)方面的問(wèn)題。問(wèn)題之一，由于在接收端各個(gè)紅外線(xiàn)光束的光斑互相重合且無(wú)信號特征區分，所以其報警條件是：必須阻斷所有紅外線(xiàn)才能產(chǎn)生報警。這就使此類(lèi)探測器的防范面低（防范高度只有30厘米左右），同類(lèi)產(chǎn)品不能以疊加的方式安裝使用，從而無(wú)法形成高的防范面；問(wèn)題之二，在使用多對同類(lèi)探測器集中安裝使用時(shí)，由于各探測器之間存在前述散射、折射、反射等互相干擾，形成多條防范射束的通道，從而可能產(chǎn)生漏報警；這個(gè)缺陷也使得入侵者采用同類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)射端對周界防范系統實(shí)施惡意干擾成為可能。
為了解決上述問(wèn)題，無(wú)編碼調制型主動(dòng)紅外入侵探測器采用了改變頻率的方式，形成了信號特征區分（頻率區分）。在多對產(chǎn)品密集安裝時(shí)，把發(fā)射器/接收器同時(shí)設定為另一種工作頻率（目前國內外廠(chǎng)商通常提供4種頻率可選，個(gè)別廠(chǎng)商可以提供8種頻率可選）。在多對產(chǎn)品集中使用時(shí)，把不同頻率的產(chǎn)品交錯安裝，可以減少產(chǎn)品之間相互干擾；也在一定程度上防止了利用同頻率產(chǎn)品進(jìn)行惡意干擾。這種改進(jìn)使得多對同類(lèi)探測器可以用層疊的方式組裝在一個(gè)支架上使用，實(shí)現高的防范界面。
當然，頻率區分型產(chǎn)品單體的防范面還是不高的。
如何在單體產(chǎn)品形成高的防范界面？市場(chǎng)的需求驅動(dòng)下出現了編碼調制型主動(dòng)紅外入侵探測器：為了解決在多個(gè)接收器在多個(gè)紅外線(xiàn)光束的光斑互相重合條件下，對于每束紅外射束的識別問(wèn)題，采用了特征為“每束紅外線(xiàn)脈沖編碼光束的編碼方式完全不同（各個(gè)光束的碼型在同一時(shí)間軸完全不重合）”的技術(shù)。這個(gè)特征使得多個(gè)接收器可以區分任意一束紅外線(xiàn)脈沖編碼光束是否被阻斷，因此這類(lèi)產(chǎn)品可以同時(shí)區分多束紅外射束信號，從而形成了高的防范界面；為了防止飛鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)、落葉在穿過(guò)防范界面是引發(fā)的誤報警，通常這類(lèi)產(chǎn)品以任意相鄰兩束紅外線(xiàn)脈沖編碼光束被同時(shí)阻斷作為報警條件，因此一對n光束的產(chǎn)品可以形成n-1個(gè)連續交錯的防范區。
編碼調制型主動(dòng)紅外入侵探測器由于采用了同步通訊技術(shù)，每個(gè)接收器只確認嚴格同步的、約定編碼的紅外線(xiàn)射束，對于不同步或不符合約定編碼方式的紅外線(xiàn)射束不予認同，從而避免了采用同類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)射器對于周界防范系統實(shí)施惡意干擾的可能；但是，由于多對同類(lèi)探測器集中安裝使用時(shí)大量發(fā)射余量形成的相互干擾仍然存在，使得正常通訊條件下的紅外編碼信號疊加了其他編碼的信號特征，影響了接收器的判斷，往往易引發(fā)誤報警。

3. 采購
設計時(shí)首先綜合考慮產(chǎn)品的適用性：防范的嚴密性、目標及環(huán)境因素的不相干性、景觀(guān)的匹配性、對人體無(wú)傷害性等是否符合用戶(hù)需求？根據工程對價(jià)格承受能力（性/價(jià)比），選擇符合要求的產(chǎn)品。
由于防范距離、防范高度、產(chǎn)品品牌等諸多因素的差異，還不便對上述幾類(lèi)產(chǎn)品直接進(jìn)行價(jià)格比較。但從定性比較出發(fā)，可以認為每光束激光入侵探測器價(jià)格是每光束主動(dòng)紅外入侵探測器的十倍或更高。

安裝和使用時(shí)應該注意的事項和常見(jiàn)問(wèn)題有哪些？
主動(dòng)紅外入侵探測器
對于室外工程選擇產(chǎn)品具體安裝位置時(shí)，注意避免現場(chǎng)物體對于波束形成阻斷、反射或折射，當工程現場(chǎng)有墻壁、玻璃等反射物存在，防范區域又無(wú)法回避時(shí)，可以采用在反射物前種植物或在反射物表面涂/敷粗糙面料的方法，減弱以至消除反射；多對產(chǎn)品接續使用時(shí)，發(fā)射器與發(fā)射器、接收器與接收器均采用“背靠背”方式安裝，減弱波束余量對于同方向布設的產(chǎn)品相互之間干擾的；在調試過(guò)程中，要采用防范所針對的姿勢和速度分別通過(guò)防范區域的不同區段，確認報警功能均正常；對于防范距離遠的探測器，最好借助專(zhuān)用光學(xué)對準工具完成調試，并且在陽(yáng)光強烈或能見(jiàn)度不佳的情況下確認其工作可靠；對于防范距離近的探測器，特別是安裝在室內墻壁、窗臺對立側面等部位，其防范波束的傳輸路徑周?chē)袎Ρ?、光潔的地面材料、門(mén)窗玻璃等反光物體時(shí)，應把探測器的發(fā)射功率調節到弱檔，并從多個(gè)方位穿越防范區域的不同區段，確認報警功能均正常（注意在測試防范效果時(shí)應該對于現場(chǎng)條件進(jìn)行全部模擬：比如對于門(mén)窗應該在打開(kāi)的條件下，采用防范所針對的姿勢和速度通過(guò)，確認報警功能正常。而不應該在門(mén)窗關(guān)閉條件下，僅僅用人體或小物體阻擋進(jìn)行檢測）。在逐個(gè)防區調試完成后，開(kāi)通全部防區統調檢測，確認無(wú)誤報警、漏報警現象。

激光入侵探測器
對于室外工程選擇產(chǎn)品具體安裝位置時(shí)，注意避免/排除現場(chǎng)可能對于波束形成阻斷的物體（如可以隨風(fēng)擺動(dòng)的植物、隨風(fēng)飄動(dòng)的懸掛物體等），特別注意安裝基座的穩固性；借助專(zhuān)用光學(xué)對準工具完成調試后再通電調試，要采用防范所針對的姿勢和速度通過(guò)防范區域，確認報警功能正常；調試期間注意對眼睛防護。
對于室內工程（通常采用折射鏡構成多道防范），注意安裝各折射鏡基座的穩固性；借助可見(jiàn)光源完成光路調試后再通電調試；一般在室內無(wú)人的情況下再開(kāi)啟使用。

4.技術(shù)發(fā)展現狀和今后的發(fā)展趨勢分析？
激光入侵探測器技術(shù)發(fā)展現狀： 
此類(lèi)產(chǎn)品防止人工光源（惡意）干擾的方法有：對于發(fā)射器發(fā)出的防范波束進(jìn)行編碼調制，接收器進(jìn)行相應解碼；選用不同波長(cháng)的發(fā)射器，在對應的接收器外表面鍍不同波長(cháng)的濾光膜。

無(wú)編碼調制主動(dòng)紅外入侵探測器技術(shù)發(fā)展現狀：
自動(dòng)頻率調整  多對產(chǎn)品集中安裝使用時(shí)，可以自動(dòng)檢測周?chē)渌a(chǎn)品的頻率，自動(dòng)選與其他產(chǎn)品不同的頻率防范。
自適應強度調節 隨外界干擾強度的變化，發(fā)射器自動(dòng)調節防范波束的發(fā)射強度，使得接收器收到防范波束的強度達到相對恒定、且合適的強度，使得主動(dòng)紅外入侵探測器的波束特性盡可能接近于激光。以求減少發(fā)射余量對于應用環(huán)境中同類(lèi)產(chǎn)品/對其他不同類(lèi)的紅外線(xiàn)控制/通訊產(chǎn)品的干擾。
自動(dòng)對準調節 在自適應強度識別的基礎上，配合機電一體化技術(shù)使探測器的發(fā)射器與接收器實(shí)現電控自動(dòng)對準，方便快速施工及維護。 

編碼調制主動(dòng)紅外入侵探測器技術(shù)發(fā)展現狀：
除了上述與無(wú)編碼調制主動(dòng)紅外入侵探測器共性的三種技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展之外，還有：
從強度、頻率、編碼方式等多因子及其組合中，區分干擾、避免誤報警方面的技術(shù)，已經(jīng)有所突破。
另外，在產(chǎn)品形態(tài)多樣性方面，有針對不同應用場(chǎng)合的形態(tài)出現：比如已經(jīng)被奧運場(chǎng)館周界防范采用的紅外線(xiàn)幕墻，就是適應于在地面安裝的產(chǎn)品形態(tài)，本身可以適用于平坦地形和階梯狀地形的防范；還有針對于起伏地形防范應用的，可實(shí)現角度調節的紅外線(xiàn)幕墻產(chǎn)品；而紅外線(xiàn)幕欄就是適應于在窗、陽(yáng)臺安裝的周界防范器材。
在產(chǎn)品功能方面已有針對獨立別墅等高端用戶(hù)防范需求的具有方向識別功能的紅外線(xiàn)幕墻。
發(fā)展趨勢：還會(huì )有更多的針對不同應用場(chǎng)合的形態(tài)與功能的產(chǎn)品不斷出現。

5. 市場(chǎng)應用情況和市場(chǎng)前景分析？
由于周界防范在各種應用領(lǐng)域具有的共性需求，目前主動(dòng)紅外入侵探測器廣泛用于：金融、文博、軍事、司法、文教、體育、生產(chǎn)及倉儲、民居等各行業(yè)領(lǐng)域。
激光入侵探測器有應用于機場(chǎng)跑道越界監控、大型物資庫安全防范、鐵路信號檢測、隧道車(chē)輛超高超寬檢測、大面積地質(zhì)形變預警監控等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的報道。
編碼調制主動(dòng)紅外入侵探測器典型應用是2008年北京奧運會(huì )的各個(gè)場(chǎng)館周界都安裝了紅外線(xiàn)幕墻，由此可見(jiàn)這類(lèi)產(chǎn)品在技術(shù)/經(jīng)濟指標/產(chǎn)品功能/造型/防范模式等綜合方面，得到市場(chǎng)的認同度和應用的普及性。
市場(chǎng)前景
激光入侵探測器在室外對于長(cháng)距離防范應用，在室內對于采用折射鏡系統構成多道防范應用，特別是對于價(jià)格承受力較強的應用，具有優(yōu)勢。主動(dòng)紅外入侵探測器對于近距離的、人員工作、生活等區域周界防范；與視頻監控系統聯(lián)動(dòng)的周界防范有廣泛的前景。

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入侵探測器作為最前端的設備，是整個(gè)周界防范系統有效性和可靠性的首個(gè)要素。到目前為止的技術(shù)能力，人們還無(wú)法制造出完美的入侵探測器，只能根據工程的具體要求，結合現場(chǎng)情況選用最合適的產(chǎn)品。
關(guān)于入侵探測器的綜合評價(jià)以及周界防范系統構成方面的思考和觀(guān)點(diǎn)，筆者曾分別在《周界防范系統設計中幾點(diǎn)重要考慮》（AS安防工程商第46期Dec.2007），《小周界預警式防范是城市安防的必用模式》（第五屆中國安防論壇論文集）進(jìn)行過(guò)相應闡述，可參閱。
除了少數在室內應用的防范，周界防范產(chǎn)品絕大多數都是在室外安裝使用，由于室外使用環(huán)境的惡劣，往往易引發(fā)誤報警甚至造成產(chǎn)品損壞。實(shí)踐中發(fā)現決定產(chǎn)品穩定性的有高低溫、潮濕、電磁干擾三個(gè)關(guān)鍵環(huán)境因素。筆者以為，高低溫范圍-25~+85℃；高溫濕熱85℃/ RH（98±2）%；±6KV靜電直接放電；場(chǎng)強為50v/m——80hz~2G掃頻干擾等應該作為周界防范產(chǎn)品必要的環(huán)境實(shí)驗條件。

主動(dòng)紅外入侵探測器和激光入侵探測器在應用中最主要的三類(lèi)問(wèn)題是：1、防范區域內的非入侵物體（植物、動(dòng)物）阻斷防范波束引發(fā)報警。2、由于其防范波束通過(guò)空氣傳播，存在著(zhù)大氣吸收、空氣中微粒（灰塵和煙霧）/霧氣吸收、空氣中的水汽使防范波束發(fā)生前、后向散射等效應影響；大氣的紊亂效應（如風(fēng)和陽(yáng)光曝曬下強烈水蒸氣產(chǎn)生熱浪引起大氣亂流，使防范波束傳輸路徑上空氣的折射率發(fā)生變化；）除造成強度損耗外，還會(huì )給防范波束摻入噪聲，這種影響最終將防范波束折射到無(wú)法確定的其它方向；以上單一或綜合因素造成防范波束經(jīng)傳輸綜合變化，也會(huì )引發(fā)報警。3、與防范波束相同波長(cháng)的（自然或人工）光源如果照射到接收端，也會(huì )成為干擾因素。陽(yáng)光中包含了激光入侵探測器和主動(dòng)紅外入侵探測器所使用的光譜成分，當陽(yáng)光直射到這些探測器的接收器時(shí)，會(huì )引發(fā)干擾而造成誤報警。為了防止陽(yáng)光直接照射到接收器引發(fā)的干擾，編碼調制主動(dòng)紅外入侵探測器出現了同時(shí)在兩端配置發(fā)射器和接收器的產(chǎn)品類(lèi)型（互射式）。從理論上講，這種產(chǎn)品對于抗御只從單一方向、短時(shí)間直接照射接收器而引發(fā)干擾的陽(yáng)光具有一定的作用，但是實(shí)際應用中，最經(jīng)常出現多對同類(lèi)探測器集中安裝使用的情形，由于同類(lèi)探測器發(fā)射的紅外線(xiàn)波長(cháng)相同，實(shí)際使用的效果反而是增加了相同波長(cháng)的長(cháng)時(shí)間的干擾源，從而引發(fā)其它問(wèn)題。
        特別值得注意的是，視頻監控設備已日益廣泛的應用于安全防范領(lǐng)域，為了攝像機隱蔽而有效夜視，出現了采用近紅外光譜的紅外線(xiàn)夜視射燈，其波長(cháng)的典型值為0.808、0.85、0.88μm，與大部分主動(dòng)紅外入侵探測器防范波束的波長(cháng)完全重合。這種光源采用數十個(gè)大功率紅外發(fā)射管的排列，其強度遠遠大于主動(dòng)紅外入侵探測器的發(fā)射強度；而且信號特征是直流，形成了對于激光和主動(dòng)紅外入侵探測器最強大的人工干擾源。這種干擾源的影響是無(wú)法直接運用技術(shù)手段排除的，只能考慮激光和主動(dòng)紅外入侵探測器的防范介質(zhì)選用更長(cháng)波長(cháng)的紅外光譜（0.94μm或更長(cháng)），以求規避。
由于眼屈光介質(zhì)對于波長(cháng)在可見(jiàn)光和近紅外光的激光的吸收率較低，透射率高，且屈光介質(zhì)的聚焦能力（即聚光力）強。強度高的可見(jiàn)或近紅外光進(jìn)入眼睛時(shí)可以透過(guò)人眼屈光介質(zhì)，聚積于視網(wǎng)膜上。此時(shí)視網(wǎng)膜上的激光能量密度及功率密度提高了幾千甚至幾萬(wàn)倍，大量的光能在瞬間聚集于視網(wǎng)膜上，可導致視網(wǎng)膜的感光細胞層溫度迅速升高，至使感光細胞凝固變性壞死而失去感光的作用。這種由于過(guò)熱而引起的蛋白質(zhì)凝固變性是不能可逆的損傷，一旦發(fā)生將會(huì )造成眼睛的永久性傷害甚至失明。
據了解，目前激光入侵探測器的發(fā)射功率典型值 >25mw，這個(gè)數值遠遠大于國家標準GB10408.4-2000第4.4.5款輻射安全劑量 “在離發(fā)射機任意距離處，紅外射束內任意點(diǎn)上的峰值功率密度不應超過(guò)6mW/cm2”的規定。

結語(yǔ)

    入侵探測器作為最前端的設備,是整個(gè)周界防范系統有效性和可靠性的首個(gè)要素。到目前為止的技術(shù)能力,人們還無(wú)法制造出完美的入侵探測器,只能根據工程的具體要求,結合現場(chǎng)情況選用最合適的產(chǎn)品。除了少數在室內應用的防范,周界防范產(chǎn)品絕大多數都是在室外安裝使用,由于室外使用環(huán)境的惡劣,往往易引發(fā)誤報警甚至造成產(chǎn)品損壞。實(shí)踐中發(fā)現決定產(chǎn)品穩定性的有高低溫、潮濕、電磁干擾三個(gè)關(guān)鍵環(huán)境因素。筆者以為,高低溫范圍一25一十85℃;高溫濕熱85℃/RH《98士2)%:土6KV靜電直接放電;場(chǎng)強為SOv/m80hz一ZG掃頻干擾等應該作為周界防范產(chǎn)品必要的環(huán)境實(shí)驗條件。