被動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)研究 - 全文

　　被動(dòng)紅外探測(cè)器是入侵防盜報(bào)警系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的設(shè)備之一，自其問(wèn)世以來(lái)，所采用的技術(shù)不斷發(fā)展，而每種技術(shù)所針對(duì)的問(wèn)題也不盡相同，有的主要為了過(guò)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(dòng)物活動(dòng)造成的誤報(bào);還有的兩種技術(shù)，正好強(qiáng)調(diào)了互為對(duì)立的兩個(gè)方面，如脈沖計(jì)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(wú)線防盜系統(tǒng)中的擴(kuò)頻技術(shù)和超窄帶技術(shù)。作為報(bào)警服務(wù)行業(yè)的施工維護(hù)和市場(chǎng)部門人員，應(yīng)該對(duì)這些技術(shù)有一定的了解，從而根據(jù)使用環(huán)境，有針對(duì)性地制訂設(shè)計(jì)和施工方案，達(dá)到量材使用，減少誤報(bào)的目的。筆者根據(jù)近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)實(shí)際安裝較多的紅外探測(cè)器型號(hào)，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

　　選擇鏡面材料：改進(jìn)菲涅爾透鏡所用的材料，使其具有很好的波長(zhǎng)選擇特性。在容許人體所發(fā)出的紅外光線通過(guò)的同時(shí)，盡可能阻擋白光中其他波長(zhǎng)的光線，消除白光干擾。質(zhì)量好的透鏡，可消除高達(dá)20000燭光強(qiáng)度的白光干擾，相當(dāng)于機(jī)場(chǎng)的跑道燈在2米處照射時(shí)，探測(cè)器都不會(huì)引起誤報(bào)。

　　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(yáng)光、汽車前燈、熒光燈等光源的影響。當(dāng)早上或傍晚陽(yáng)光照入室內(nèi)時(shí)，照度可達(dá)50000Lux，而采用此屏蔽后，光照強(qiáng)度達(dá)到100000Lux也不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào);另一方面此薄膜還具有抗RF無(wú)線電頻率干擾的作用，使探測(cè)器具有20V/M或30V/M的抗干擾能力。(20V/M相當(dāng)于10W的無(wú)線發(fā)射機(jī)距1m內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)，30V/M相當(dāng)于10W發(fā)射機(jī)距0.3m-0.5m，不會(huì)發(fā)生誤報(bào)。)

　　磁力保護(hù)繼電器：該繼電器可以防無(wú)線電磁干擾和外力破壞。當(dāng)探測(cè)器附近有強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，一般繼電器外部缺乏磁場(chǎng)屏蔽，可能無(wú)法正常工作，從而導(dǎo)致探測(cè)器失效。采用磁力保護(hù)繼電器，外加的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)繼電器的工作不再產(chǎn)生影響。

　　改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)

　　球形透鏡：探測(cè)器在工作時(shí)，其探測(cè)范圍在上下、左右要張開一定的角度。而在有效的探測(cè)范圍內(nèi)，其各項(xiàng)靈敏度應(yīng)盡量保證一致。為了改善探測(cè)扇面的均勻特性，采用了球形透鏡，使透鏡上每個(gè)探測(cè)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(duì)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(duì)白光進(jìn)行吸收，可減少外界白光干擾，同時(shí)也起到了防塵、防潮、防小蟲侵入的作用。

　　控制探測(cè)區(qū)域：采用幕簾、防寵物鏡面，避開小動(dòng)物綷-?；顒?dòng)的范圍，對(duì)其活動(dòng)的區(qū)域不予探測(cè)(如探測(cè)區(qū)域高于地面一定距離)，又不影響對(duì)入侵人員的探測(cè)。

　　鏡面調(diào)整縮放功能：由于房頂?shù)母叨炔煌?，?duì)吸頂紅外探測(cè)器的要求也不同。通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)鏡面，可改變焦距和探測(cè)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(cè)距離遠(yuǎn)。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(jià)格較低，因此目前國(guó)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(cè)器信號(hào)放大電路的增益可以做得較低，信噪比更高，能較好地防止干擾信號(hào)引起的誤報(bào)。有少數(shù)國(guó)外進(jìn)口的被動(dòng)紅外探測(cè)器使用了反射法聚焦，因而取得了較好的防誤報(bào)效果。

　　溫度補(bǔ)償和光敏調(diào)整

　　溫度補(bǔ)償電路：被動(dòng)紅外探測(cè)器探測(cè)的信號(hào)強(qiáng)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(dāng)入侵者移動(dòng)時(shí)，傳感器接收到紅外的變化信號(hào)幅度較大而觸發(fā)報(bào)警;當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫度接近時(shí)，入侵者在運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器接收到的紅外變化信號(hào)幅度較小，這樣有可能由于信號(hào)小于觸發(fā)閥值而不會(huì)報(bào)警。因此，探測(cè)器需根據(jù)環(huán)境溫度的變化，對(duì)電路增益進(jìn)行補(bǔ)償。

　　常規(guī)的溫度補(bǔ)償是線性遞增形，即溫度越高、補(bǔ)償越大，當(dāng)環(huán)境溫度高于人體溫度時(shí)，過(guò)度的補(bǔ)償顯然是不合理的，而且容易產(chǎn)生誤報(bào)。較好的補(bǔ)償方法是采用拋物線形，使得探測(cè)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(cè)器如果晝夜工作，則白天與黑夜的工作特性，會(huì)產(chǎn)生較大的變化。探測(cè)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(shí)段，自動(dòng)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(qiáng)光干擾引起的誤報(bào)。

　　優(yōu)化電路設(shè)計(jì)

　　探測(cè)器工作電壓：工作電壓范圍是探測(cè)器的基本參數(shù)，看似簡(jiǎn)單，卻十分重要。探測(cè)器工作電壓取值掌握的一條原則，即應(yīng)低于控制主機(jī)的工作電壓。當(dāng)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(cè)器工作電壓設(shè)計(jì)范圍較小，這時(shí)主機(jī)尚能正常工作，探測(cè)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(bào)。

　　電源濾波：使用電子濾波器，能較好地濾除電源中的雜波對(duì)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(bào)。

　　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(chǎng)合。在不增加誤報(bào)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，移動(dòng)物體通過(guò)探測(cè)區(qū)域，產(chǎn)生一個(gè)脈沖即可觸發(fā)報(bào)警，反應(yīng)十分靈敏。

　　脈沖計(jì)數(shù)技術(shù)：菲涅爾透鏡將探測(cè)覆蓋的范圍分成一定數(shù)量的探測(cè)區(qū)，當(dāng)相鄰兩個(gè)區(qū)之間產(chǎn)生溫度變化時(shí)，觸發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)。設(shè)置多脈沖啟動(dòng)方式，在一定程度上可以減少因偶然原因引起的誤報(bào)。這種模式下，探測(cè)器通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)，計(jì)量入侵者從一開始所觸發(fā)扇區(qū)觸發(fā)沿的個(gè)數(shù)，根據(jù)事先設(shè)置的數(shù)字脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)而觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。但這種方式，會(huì)使靈敏度有所下降。

　　能量積聚技術(shù)：根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度，判斷能量的大小，達(dá)到閥值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警。小型物體由于覆蓋面較小，如只能占據(jù)鏡面一個(gè)探測(cè)區(qū)的一部分，或者在遠(yuǎn)、中、近幾個(gè)探測(cè)區(qū)域只占一個(gè)甚至不到一個(gè)區(qū)，因而產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)不到閥值要求，就不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。

　　防高頻干擾技術(shù)：當(dāng)有高頻干擾時(shí)，干擾信號(hào)強(qiáng)度增加，若探測(cè)器觸發(fā)的閥值不變，信噪比隨之下降，就容易產(chǎn)生誤報(bào)。采用防高頻干擾技術(shù)后，探測(cè)器的閥值會(huì)隨著干擾信號(hào)的增強(qiáng)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(bào)。

　　多元探測(cè)技術(shù)

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

　　四元傳感器探測(cè)：探測(cè)器內(nèi)裝有四個(gè)對(duì)偶紅外傳感器，兩個(gè)具有正靈敏度，移動(dòng)的熱源使其產(chǎn)生正的信號(hào);兩個(gè)具有負(fù)靈敏度，移動(dòng)熱源使其產(chǎn)生負(fù)的信號(hào)，兩兩正負(fù)相接。探測(cè)器設(shè)計(jì)成只有每部分都探測(cè)到信號(hào)時(shí)才觸發(fā)報(bào)警。由于老鼠一類的小動(dòng)物，體積較小，移動(dòng)時(shí)僅能觸發(fā)其中一、二部分元件產(chǎn)生信號(hào)，因而不會(huì)引起報(bào)警;而人體積較大，容易滿足這一條件。因此，四元紅外探測(cè)器對(duì)防寵物誤報(bào)有較好的效果。

　　傳感器陣列探測(cè)：采用八個(gè)獨(dú)立紅外傳感器，按陣列式處理，每個(gè)傳感器均都具有真實(shí)移動(dòng)識(shí)別人體的功能。傳感器陣列接收到的信號(hào)，統(tǒng)一進(jìn)行比較處理，以此來(lái)準(zhǔn)確區(qū)分人體移動(dòng)信號(hào)或是環(huán)境其它因素產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

　　智能判斷技術(shù)

　　智能判斷：內(nèi)部加裝微處理器芯片，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)等原理，對(duì)信號(hào)的周期、振幅、持續(xù)時(shí)間、極性進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)人與動(dòng)物反射頻譜的大量分析，建立內(nèi)容豐富的識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，比較人活動(dòng)與其它因素引起變化模式的區(qū)別，來(lái)確定是否報(bào)警，以提高報(bào)警的正確性。

　　方向判斷：方向探測(cè)功能是指探測(cè)器可以判別物體運(yùn)動(dòng)的方向，只有符合預(yù)先指定方向的運(yùn)動(dòng)物體才會(huì)引起報(bào)警。一般實(shí)現(xiàn)的方法是在探測(cè)器內(nèi)安裝2個(gè)傳感器，根據(jù)其先后觸發(fā)的次序，來(lái)進(jìn)行判斷，然后確定是否為入侵。比如人由室外進(jìn)入到室內(nèi)可觸發(fā)報(bào)警，由室內(nèi)走出室外則不會(huì)報(bào)警。

　　無(wú)線系統(tǒng)技術(shù)

　　滾動(dòng)碼技術(shù)：滾動(dòng)碼是在傳輸代碼之前采用了先進(jìn)的非線性位加密技術(shù)，產(chǎn)生具有極高保密性的滾動(dòng)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(guò)非法捕捉和掃描跟蹤等破譯手段都難以實(shí)現(xiàn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是安全性好。目前采用的滾動(dòng)碼通信集成電路，將序列號(hào)、加密密鑰及同步計(jì)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(dòng)碼。其中16位同步計(jì)數(shù)值每次傳輸后都要更新，所以加密出來(lái)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(wú)法推知后續(xù)的密碼。32位的密碼再加上34位的明碼會(huì)被遙控器一起發(fā)送出去，這樣的組合達(dá)到了7千億億之多，一般情況下，無(wú)法被破解。

　　擴(kuò)頻通信技術(shù)：在無(wú)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(wú)線探測(cè)器的是頻譜擴(kuò)展技術(shù)，簡(jiǎn)稱為擴(kuò)頻技術(shù)。其工作原理是將把通信信號(hào)隱藏在噪聲之中，采用很寬的頻帶形成偽噪聲通信，只要對(duì)功率進(jìn)行有效的控制，就可以對(duì)合成噪聲的波形實(shí)施編碼和解碼，因此也稱為偽噪聲通信。這種技術(shù)，有很強(qiáng)的抗干擾能力。

　　探測(cè)器的防護(hù)

　　防遮檔：為了防止人為的將被動(dòng)紅外探測(cè)器屏蔽，使其失效，一般的方法是在被動(dòng)紅外探測(cè)器中，加入主動(dòng)紅外探測(cè)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(cè)器內(nèi)，使其報(bào)警。

　　防噴膠：防噴膠與防遮擋有相似之處，都需加短距離的主動(dòng)紅外探測(cè)。當(dāng)探測(cè)器表面被噴膠后，會(huì)使透鏡的折射系數(shù)產(chǎn)生變化，從而引起主動(dòng)紅外能量的反射，返回探測(cè)器內(nèi)，引起報(bào)警。

　　防砸：在探測(cè)器內(nèi)裝有震動(dòng)傳感器，惡意破壞時(shí)會(huì)觸發(fā)震動(dòng)傳感器，引發(fā)報(bào)警。

　　PCB設(shè)計(jì)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(cè)器的防射頻干擾能力。

　　電路板設(shè)計(jì)：適當(dāng)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(duì)探測(cè)器的影響。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　探測(cè)器采用的技術(shù)還有不少，如與微波探測(cè)或空氣振動(dòng)探測(cè)相接合的雙鑒探測(cè)，因探測(cè)原理不同而產(chǎn)生的量子型紅外探測(cè)等等，本文難以全部包攬。因篇幅有限，對(duì)涉及到的一些技術(shù)原理，也無(wú)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。