试论主动红外和激光入侵探测器

1. 基本工作原理和基本结构
主动红外入侵探测器和激光入侵探测器都是采用直线传播的电磁波束作为防范介质的入侵探测器材。其基本结构是由一一对应的发射器和接收器配置在防范区域的两端，由发射器发出电磁波束作为防范介质，由接收器检测防范介质被阻断作为报警条件。从基本结构和防范效果上看，这两种入侵探测器是等效的。但是，从具体原理方面分析，存在如下异同。
防范介质的波长特性比较
激光入侵探测器采用近红外（波长范围0.75～3μm）电磁波束作为防范介质，其典型值有0.808、0.908~1.05μm；主动红外入侵探测器也采用近红外电磁波束作为防范介质，其典型值有0.85、0.88、0.94μm等；采用近红外波段的红外光束为防范介质的共同特点就是：防范介质在人可视频谱之外，具有防范的隐蔽性。
此外，某些型号的激光入侵探测器采用可视频谱中的红色电磁波束作为防范介质，典型值有0.65μm；此类产品的防范光束在白天尚不易为肉眼察觉，但在应用环境中有雾、霾、烟、尘埃等条件下特别是夜晚，此类产品的防范光束可以为肉眼观察而丧失防范的隐蔽性。
防范介质的波束特性比较
激光入侵探测器 由于激光束的相干性，其发射功率密度大、发散角小、光束集中、方向性好，在使用同等功率器件的条件下，目标接收处激光束的功率密度是红外发光二极管光束功率密度的数百至几千倍。因而在同样气候条件和波长相同的前提下，激光的传输衰减远小于红外线，穿透雨雾的能力强，探测距离可达数百米至几公里。从而保证远距离的正常工作和减少恶劣天气时的误报率。
    由于激光束的相干性，其光斑小（发射到一百米的距离时，光斑直径的可以调节到0.02米。）、多束激光的靶点不产生重合，因而可以在不采用编码调制的条件下以层叠方式安装使用，构成多条平行或交叉的防范射线；同时由于其波束传输路径唯一、光斑唯一，可以避免主动红外探测器红外光发散而造成沿直线连续布设或者邻近探测器互相间干扰的问题，从而可以沿长距离连续多对直线布设；同样也不存在红外光发散干扰周围其它敏感红外设备的问题。
激光入侵探测器  发射器与接收器之间防范介质是完全点对点直线的，不会产生折射/反射而引发漏报警；但是小物体（飞鸟、落叶等）的阻断易引发误报警。
主动红外入侵探测器  由于采用无相干性的红外光源作为防范介质，发散角大，光束不集中；抗御雾、雨、尘、气流（风、强烈水蒸汽等）的能力相对弱，只有增加其发射强度弥补。由此国家标准GB10408.4-2000第4.1.7 款探测距离b项规定“室外用：主动红外入侵探测器的最大射束距离应是制造厂规定的探测距离的6倍以上。”，以求其发射强度可以保障实际应用的需要。同时该标准第4.1.2 款发射机射束角度规定“发射机应辐射窄射束，在与射束轴线夹角大于15°的任意位置上的功率密度应比射束内任何部分最强点的功率密度低20dB以上。”（据了解，目前比较优质的产品采用特别设计的聚光透镜，可以使上述发射射束与轴线的夹角为1.5°，即使是达到这样的指标，发射到一百米的距离时，光斑直径的理论值仍然约为5.2米。）
从以上内容可见主动红外入侵探测器的波束发散角大，发射余量大，每个发射器发出的波束在传播过程中形成一个包围住接收端的“雨滴状”立体区域。这个立体区域波束的形态不是固定的，会随着阳光、雾、雨、尘、气流等环境因素的变化而产生变化，当噪声因素（阳光或同波长人工光源）越强、衰减因素（雾、雨、尘、霾的浓/密度）越大时，其区域会越小；当动力因素（气流变化）越大时，其不对称形变越大；当上述单一或多种因素综合造成的形变使得接收器脱离立体区域的波束时，就会产生误报警。
多光束主动红外入侵探测器的发射器发出多个“雨滴状”立体区域波束，在离开发射点不远，各波束就开始重合；到达接收器时，多个波束在接受器投影的光斑相互重合，如果每个波束间不存在信号特征，接收器就无法区分；波束在传播过程中形成“雨滴状”分布，会在“雨滴状”区域内各种物体上投影形成光斑，产生随机的反射/折射，使得一对发射器/接收器之间可能形成不止一条防范路径，从而存在漏报警的可能；在多对同类探测器集中安装使用时，会形成多个“雨滴状”波束区域的重合和传播过程中各种可能的投影产生多种角度/强度不同的反射/折射，造成各探测器之间多种相互干扰源共存、干扰路径复杂的状况。
主动红外入侵探测器  发射器与接收器之间是立体的波束区域覆盖对应于点的，上述存在的折射、反射使得传输路径不唯一、光斑不唯一，存在漏报警的可能；但是单个小物体的阻挡不容易引发误报警。
传统型（无编码调制型）主动红外入侵探测器，由于价格较低、安装调试方便、防范效果直观等优点，目前仍然是周界防范系统中应用量最大的产品类别。但是由于其射束的发散角大、发射余量大且无频率区分等弱点，形成两个技术方面的问题。问题之一，由于在接收端各个红外线光束的光斑互相重合且无信号特征区分，所以其报警条件是：必须阻断所有红外线才能产生报警。这就使此类探测器的防范面低（防范高度只有30厘米左右），同类产品不能以叠加的方式安装使用，从而无法形成高的防范面；问题之二，在使用多对同类探测器集中安装使用时，由于各探测器之间存在前述散射、折射、反射等互相干扰，形成多条防范射束的通道，从而可能产生漏报警；这个缺陷也使得入侵者采用同类产品的发射端对周界防范系统实施恶意干扰成为可能。
为了解决上述问题，无编码调制型主动红外入侵探测器采用了改变频率的方式，形成了信号特征区分（频率区分）。在多对产品密集安装时，把发射器/接收器同时设定为另一种工作频率（目前国内外厂商通常提供4种频率可选，个别厂商可以提供8种频率可选）。在多对产品集中使用时，把不同频率的产品交错安装，可以减少产品之间相互干扰；也在一定程度上防止了利用同频率产品进行恶意干扰。这种改进使得多对同类探测器可以用层叠的方式组装在一个支架上使用，实现高的防范界面。
当然，频率区分型产品单体的防范面还是不高的。
如何在单体产品形成高的防范界面？市场的需求驱动下出现了编码调制型主动红外入侵探测器：为了解决在多个接收器在多个红外线光束的光斑互相重合条件下，对于每束红外射束的识别问题，采用了特征为“每束红外线脉冲编码光束的编码方式完全不同（各个光束的码型在同一时间轴完全不重合）”的技术。这个特征使得多个接收器可以区分任意一束红外线脉冲编码光束是否被阻断，因此这类产品可以同时区分多束红外射束信号，从而形成了高的防范界面；为了防止飞鸟、昆虫、落叶在穿过防范界面是引发的误报警，通常这类产品以任意相邻两束红外线脉冲编码光束被同时阻断作为报警条件，因此一对n光束的产品可以形成n-1个连续交错的防范区。
编码调制型主动红外入侵探测器由于采用了同步通讯技术，每个接收器只确认严格同步的、约定编码的红外线射束，对于不同步或不符合约定编码方式的红外线射束不予认同，从而避免了采用同类产品的发射器对于周界防范系统实施恶意干扰的可能；但是，由于多对同类探测器集中安装使用时大量发射余量形成的相互干扰仍然存在，使得正常通讯条件下的红外编码信号叠加了其他编码的信号特征，影响了接收器的判断，往往易引发误报警。

3. 采购
设计时首先综合考虑产品的适用性：防范的严密性、目标及环境因素的不相干性、景观的匹配性、对人体无伤害性等是否符合用户需求？根据工程对价格承受能力（性/价比），选择符合要求的产品。
由于防范距离、防范高度、产品品牌等诸多因素的差异，还不便对上述几类产品直接进行价格比较。但从定性比较出发，可以认为每光束激光入侵探测器价格是每光束主动红外入侵探测器的十倍或更高。

安装和使用时应该注意的事项和常见问题有哪些？
主动红外入侵探测器
对于室外工程选择产品具体安装位置时，注意避免现场物体对于波束形成阻断、反射或折射，当工程现场有墙壁、玻璃等反射物存在，防范区域又无法回避时，可以采用在反射物前种植物或在反射物表面涂/敷粗糙面料的方法，减弱以至消除反射；多对产品接续使用时，发射器与发射器、接收器与接收器均采用“背靠背”方式安装，减弱波束余量对于同方向布设的产品相互之间干扰的；在调试过程中，要采用防范所针对的姿势和速度分别通过防范区域的不同区段，确认报警功能均正常；对于防范距离远的探测器，最好借助专用光学对准工具完成调试，并且在阳光强烈或能见度不佳的情况下确认其工作可靠；对于防范距离近的探测器，特别是安装在室内墙壁、窗台对立侧面等部位，其防范波束的传输路径周围有墙壁、光洁的地面材料、门窗玻璃等反光物体时，应把探测器的发射功率调节到弱档，并从多个方位穿越防范区域的不同区段，确认报警功能均正常（注意在测试防范效果时应该对于现场条件进行全部模拟：比如对于门窗应该在打开的条件下，采用防范所针对的姿势和速度通过，确认报警功能正常。而不应该在门窗关闭条件下，仅仅用人体或小物体阻挡进行检测）。在逐个防区调试完成后，开通全部防区统调检测，确认无误报警、漏报警现象。

激光入侵探测器
对于室外工程选择产品具体安装位置时，注意避免/排除现场可能对于波束形成阻断的物体（如可以随风摆动的植物、随风飘动的悬挂物体等），特别注意安装基座的稳固性；借助专用光学对准工具完成调试后再通电调试，要采用防范所针对的姿势和速度通过防范区域，确认报警功能正常；调试期间注意对眼睛防护。
对于室内工程（通常采用折射镜构成多道防范），注意安装各折射镜基座的稳固性；借助可见光源完成光路调试后再通电调试；一般在室内无人的情况下再开启使用。

4.技术发展现状和今后的发展趋势分析？
激光入侵探测器技术发展现状： 
此类产品防止人工光源（恶意）干扰的方法有：对于发射器发出的防范波束进行编码调制，接收器进行相应解码；选用不同波长的发射器，在对应的接收器外表面镀不同波长的滤光膜。

无编码调制主动红外入侵探测器技术发展现状：
自动频率调整  多对产品集中安装使用时，可以自动检测周围其他产品的频率，自动选与其他产品不同的频率防范。
自适应强度调节 随外界干扰强度的变化，发射器自动调节防范波束的发射强度，使得接收器收到防范波束的强度达到相对恒定、且合适的强度，使得主动红外入侵探测器的波束特性尽可能接近于激光。以求减少发射余量对于应用环境中同类产品/对其他不同类的红外线控制/通讯产品的干扰。
自动对准调节 在自适应强度识别的基础上，配合机电一体化技术使探测器的发射器与接收器实现电控自动对准，方便快速施工及维护。 

编码调制主动红外入侵探测器技术发展现状：
除了上述与无编码调制主动红外入侵探测器共性的三种技术也已经开始发展之外，还有：
从强度、频率、编码方式等多因子及其组合中，区分干扰、避免误报警方面的技术，已经有所突破。
另外，在产品形态多样性方面，有针对不同应用场合的形态出现：比如已经被奥运场馆周界防范采用的红外线幕墙，就是适应于在地面安装的产品形态，本身可以适用于平坦地形和阶梯状地形的防范；还有针对于起伏地形防范应用的，可实现角度调节的红外线幕墙产品；而红外线幕栏就是适应于在窗、阳台安装的周界防范器材。
在产品功能方面已有针对独立别墅等高端用户防范需求的具有方向识别功能的红外线幕墙。
发展趋势：还会有更多的针对不同应用场合的形态与功能的产品不断出现。

5. 市场应用情况和市场前景分析？
由于周界防范在各种应用领域具有的共性需求，目前主动红外入侵探测器广泛用于：金融、文博、军事、司法、文教、体育、生产及仓储、民居等各行业领域。
激光入侵探测器有应用于机场跑道越界监控、大型物资库安全防范、铁路信号检测、隧道车辆超高超宽检测、大面积地质形变预警监控等专业领域的报道。
编码调制主动红外入侵探测器典型应用是2008年北京奥运会的各个场馆周界都安装了红外线幕墙，由此可见这类产品在技术/经济指标/产品功能/造型/防范模式等综合方面，得到市场的认同度和应用的普及性。
市场前景
激光入侵探测器在室外对于长距离防范应用，在室内对于采用折射镜系统构成多道防范应用，特别是对于价格承受力较强的应用，具有优势。主动红外入侵探测器对于近距离的、人员工作、生活等区域周界防范；与视频监控系统联动的周界防范有广泛的前景。

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入侵探测器作为最前端的设备，是整个周界防范系统有效性和可靠性的首个要素。到目前为止的技术能力，人们还无法制造出完美的入侵探测器，只能根据工程的具体要求，结合现场情况选用最合适的产品。
关于入侵探测器的综合评价以及周界防范系统构成方面的思考和观点，笔者曾分别在《周界防范系统设计中几点重要考虑》（AS安防工程商第46期Dec.2007），《小周界预警式防范是城市安防的必用模式》（第五届中国安防论坛论文集）进行过相应阐述，可参阅。
除了少数在室内应用的防范，周界防范产品绝大多数都是在室外安装使用，由于室外使用环境的恶劣，往往易引发误报警甚至造成产品损坏。实践中发现决定产品稳定性的有高低温、潮湿、电磁干扰三个关键环境因素。笔者以为，高低温范围-25~+85℃；高温湿热85℃/ RH（98±2）%；±6KV静电直接放电；场强为50v/m——80hz~2G扫频干扰等应该作为周界防范产品必要的环境实验条件。

主动红外入侵探测器和激光入侵探测器在应用中最主要的三类问题是：1、防范区域内的非入侵物体（植物、动物）阻断防范波束引发报警。2、由于其防范波束通过空气传播，存在着大气吸收、空气中微粒（灰尘和烟雾）/雾气吸收、空气中的水汽使防范波束发生前、后向散射等效应影响；大气的紊乱效应（如风和阳光曝晒下强烈水蒸气产生热浪引起大气乱流，使防范波束传输路径上空气的折射率发生变化；）除造成强度损耗外，还会给防范波束掺入噪声，这种影响最终将防范波束折射到无法确定的其它方向；以上单一或综合因素造成防范波束经传输综合变化，也会引发报警。3、与防范波束相同波长的（自然或人工）光源如果照射到接收端，也会成为干扰因素。阳光中包含了激光入侵探测器和主动红外入侵探测器所使用的光谱成分，当阳光直射到这些探测器的接收器时，会引发干扰而造成误报警。为了防止阳光直接照射到接收器引发的干扰，编码调制主动红外入侵探测器出现了同时在两端配置发射器和接收器的产品类型（互射式）。从理论上讲，这种产品对于抗御只从单一方向、短时间直接照射接收器而引发干扰的阳光具有一定的作用，但是实际应用中，最经常出现多对同类探测器集中安装使用的情形，由于同类探测器发射的红外线波长相同，实际使用的效果反而是增加了相同波长的长时间的干扰源，从而引发其它问题。
        特别值得注意的是，视频监控设备已日益广泛的应用于安全防范领域，为了摄像机隐蔽而有效夜视，出现了采用近红外光谱的红外线夜视射灯，其波长的典型值为0.808、0.85、0.88μm，与大部分主动红外入侵探测器防范波束的波长完全重合。这种光源采用数十个大功率红外发射管的排列，其强度远远大于主动红外入侵探测器的发射强度；而且信号特征是直流，形成了对于激光和主动红外入侵探测器最强大的人工干扰源。这种干扰源的影响是无法直接运用技术手段排除的，只能考虑激光和主动红外入侵探测器的防范介质选用更长波长的红外光谱（0.94μm或更长），以求规避。
由于眼屈光介质对于波长在可见光和近红外光的激光的吸收率较低，透射率高，且屈光介质的聚焦能力（即聚光力）强。强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚积于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高了几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚集于视网膜上，可导致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，至使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。这种由于过热而引起的蛋白质凝固变性是不能可逆的损伤，一旦发生将会造成眼睛的永久性伤害甚至失明。
据了解，目前激光入侵探测器的发射功率典型值 >25mw，这个数值远远大于国家标准GB10408.4-2000第4.4.5款辐射安全剂量 “在离发射机任意距离处，红外射束内任意点上的峰值功率密度不应超过6mW/cm2”的规定。

结语

    入侵探测器作为最前端的设备,是整个周界防范系统有效性和可靠性的首个要素。到目前为止的技术能力,人们还无法制造出完美的入侵探测器,只能根据工程的具体要求,结合现场情况选用最合适的产品。除了少数在室内应用的防范,周界防范产品绝大多数都是在室外安装使用,由于室外使用环境的恶劣,往往易引发误报警甚至造成产品损坏。实践中发现决定产品稳定性的有高低温、潮湿、电磁干扰三个关键环境因素。笔者以为,高低温范围一25一十85℃;高温湿热85℃/RH《98士2)%:土6KV静电直接放电;场强为SOv/m80hz一ZG扫频干扰等应该作为周界防范产品必要的环境实验条件。