被动红外探测器技术研究

XJzy

[导读] 笔者根据近几年来国内实际安装较多的红外探测器型号，将其采用的技术初步归纳为以下一些类别。

被动红外探测器是入侵防盗报警系统中应用最为普遍的设备之一，自其问世以来，所采用的技术不断发展，而每种技术所针对的问题也不尽相同，有的主要为了过滤白光，有的着眼于减少高频干扰的影响，还有的专门解决小动物活动造成的误报;还有的两种技术，正好强调了互为对立的两个方面，如脉冲计数技术和一步触发技术;有的两种技术应用原理相反，结果却殊途同归，如无线防盗系统中的扩频技术和超窄带技术。作为报警服务行业的施工维护和市场部门人员，应该对这些技术有一定的了解，从而根据使用环境，有针对性地制订设计和施工方案，达到量材使用，减少误报的目的。笔者根据近几年来国内实际安装较多的红外探测器型号，将其采用的技术初步归纳为以下一些类别。

　　使用优质材料

　　选择镜面材料：改进菲涅尔透镜所用的材料，使其具有很好的波长选择特性。在容许人体所发出的红外光线通过的同时，尽可能阻挡白光中其他波长的光线，消除白光干扰。质量好的透镜，可消除高达20000烛光强度的白光干扰，相当于机场的跑道灯在2米处照射时，探测器都不会引起误报。

　　双重屏蔽薄膜：在传感器前，加贴特殊的传导滤光膜，称为双重屏蔽薄膜。此膜的作用，一方面可减少阳光、汽车前灯、荧光灯等光源的影响。当早上或傍晚阳光照入室内时，照度可达50000Lux，而采用此屏蔽后，光照强度达到100000Lux也不会产生误报;另一方面此薄膜还具有抗RF无线电频率干扰的作用，使探测器具有20V/M或30V/M的抗干扰能力。(20V/M相当于10W的无线发射机距1m内不会产生误报，30V/M相当于10W发射机距0.3m-0.5m，不会发生误报。)

　　磁力保护继电器：该继电器可以防无线电磁干扰和外力破坏。当探测器附近有强磁场时，一般继电器外部缺乏磁场屏蔽，可能无法正常工作，从而导致探测器失效。采用磁力保护继电器，外加的强磁场对继电器的工作不再产生影响。

　　改进光学系统

　　球形透镜：探测器在工作时，其探测范围在上下、左右要张开一定的角度。而在有效的探测范围内，其各项灵敏度应尽量保证一致。为了改善探测扇面的均匀特性，采用了球形透镜，使透镜上每个探测区域的焦距保持一致，灵敏度不变。

　　密封光学系统：在透镜和电路板之间采用隔热塑料盒，将传感器置于密封盒内，处于相对恒温的条件，可以减少电路元器件发热引起的干扰;在传感器周围采用碳黑海绵对白光进行吸收，可减少外界白光干扰，同时也起到了防尘、防潮、防小虫侵入的作用。

　　控制探测区域：采用幕帘、防宠物镜面，避开小动物綷-常活动的范围，对其活动的区域不予探测(如探测区域高于地面一定距离)，又不影响对入侵人员的探测。

　　镜面调整缩放功能：由于房顶的高度不同，对吸顶红外探测器的要求也不同。通过调整旋转镜面，可改变焦距和探测高度，以适应不同的环境要求。

　　红外反射聚焦：与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。其中反射式的灵敏度最高，探测距离远。菲涅尔透镜属透射式，灵敏度最低，折射式居中。菲涅尔透镜体积小、密封容易、稳定性好、价格较低，因此目前国内外多采用透射式系统。但采用反射镜聚集红外能量，比菲涅尔镜片更有效，因此探测器信号放大电路的增益可以做得较低，信噪比更高，能较好地防止干扰信号引起的误报。有少数国外进口的被动红外探测器使用了反射法聚焦，因而取得了较好的防误报效果。

　　温度补偿和光敏调整

　　温度补偿电路：被动红外探测器探测的信号强弱与人体和环境温度的差别有很大的关系，一般情况下，人的体温与环境温度相差较多。当入侵者移动时，传感器接收到红外的变化信号幅度较大而触发报警;当环境温度与人体温度接近时，入侵者在运动时传感器接收到的红外变化信号幅度较小，这样有可能由于信号小于触发阀值而不会报警。因此，探测器需根据环境温度的变化，对电路增益进行补偿。

　　常规的温度补偿是线性递增形，即温度越高、补偿越大，当环境温度高于人体温度时，过度的补偿显然是不合理的，而且容易产生误报。较好的补偿方法是采用抛物线形，使得探测器在比较大的温度变化范围内，都能保持灵敏度基本一致。

　　光敏调整：由于昼夜光照变化较大，探测器如果昼夜工作，则白天与黑夜的工作特性，会产生较大的变化。探测器电路利用光敏电阻随光照变化而阻值相应变化的特性，根据周围区域的亮度和工作的时段，自动调整接收灵敏度，确定日/夜不同的工作模式，可以有效地防止白天强光干扰引起的误报。

　　优化电路设计

　　探测器工作电压：工作电压范围是探测器的基本参数，看似简单，却十分重要。探测器工作电压取值掌握的一条原则，即应低于控制主机的工作电压。当交流电中断，系统靠备用电池工作的情况下，供电电压将逐渐降低，如果探测器工作电压设计范围较小，这时主机尚能正常工作，探测器却已不能维持正常状态，系统将持续地产生误报。

　　电源滤波：使用电子滤波器，能较好地滤除电源中的杂波对电路造成的干扰。电子滤波器需滤除的杂波主要是50HZ/60HZ交流电频率及其谐波，从而减少电源干扰引起的误报。

　　一步触发技术：主要用于没有干扰(如密闭较好的地下室等)而灵敏度要求很高的场合。在不增加误报的基础上，应用这项技术，移动物体通过探测区域，产生一个脉冲即可触发报警，反应十分灵敏。

　　脉冲计数技术：菲涅尔透镜将探测覆盖的范围分成一定数量的探测区，当相邻两个区之间产生温度变化时，触发一个脉冲信号。设置多脉冲启动方式，在一定程度上可以减少因偶然原因引起的误报。这种模式下，探测器通过数字计数，计量入侵者从一开始所触发扇区触发沿的个数，根据事先设置的数字脉冲计数个数而触发报警信号。但这种方式，会使灵敏度有所下降。

　　能量积聚技术：根据探测到的信号强度，判断能量的大小，达到阀值时，产生报警。小型物体由于覆盖面较小，如只能占据镜面一个探测区的一部分，或者在远、中、近几个探测区域只占一个甚至不到一个区，因而产生的信号强度达不到阀值要求，就不会产生报警。

　　防高频干扰技术：当有高频干扰时，干扰信号强度增加，若探测器触发的阀值不变，信噪比随之下降，就容易产生误报。采用防高频干扰技术后，探测器的阀值会随着干扰信号的增强而相应提高，使信噪比基本保持不变，从而减少因高频干扰引起的误报。

多元探测技术

　　双元传感器探测：在一个探测器内，将两个传感器按一正一反的方式相连，这样做的好处是，当环境温度、光照或其它因素变化时，每个组件同时产生相同的变化信号，但极性相反，互相抵消。当有外部侵入时，红外源必定在一个给定的时间段内出现在一个区，接着出现在另一个区，两个组件相继发生信号，组成探测脉冲。对于双元红外探测器，其双元传感器的平衡度，代表了探测器的抗干扰能力，平衡度越好，抗干扰的能力也越强。

　　四元传感器探测：探测器内装有四个对偶红外传感器，两个具有正灵敏度，移动的热源使其产生正的信号;两个具有负灵敏度，移动热源使其产生负的信号，两两正负相接。探测器设计成只有每部分都探测到信号时才触发报警。由于老鼠一类的小动物，体积较小，移动时仅能触发其中一、二部分元件产生信号，因而不会引起报警;而人体积较大，容易满足这一条件。因此，四元红外探测器对防宠物误报有较好的效果。

　　传感器阵列探测：采用八个独立红外传感器，按阵列式处理，每个传感器均都具有真实移动识别人体的功能。传感器阵列接收到的信号，统一进行比较处理，以此来准确区分人体移动信号或是环境其它因素产生的干扰信号。

　　智能判断技术

　　智能判断：内部加装微处理器芯片，运用模糊数学等原理，对信号的周期、振幅、持续时间、极性进行分析。通过对人与动物反射频谱的大量分析，建立内容丰富的识别数据库，比较人活动与其它因素引起变化模式的区别，来确定是否报警，以提高报警的正确性。

　　方向判断：方向探测功能是指探测器可以判别物体运动的方向，只有符合预先指定方向的运动物体才会引起报警。一般实现的方法是在探测器内安装2个传感器，根据其先后触发的次序，来进行判断，然后确定是否为入侵。比如人由室外进入到室内可触发报警，由室内走出室外则不会报警。

　　无线系统技术

　　滚动码技术：滚动码是在传输代码之前采用了先进的非线性位加密技术，产生具有极高保密性的滚动编码。每一次发送的代码都是唯一的、不规则的、且不重复，使得任何通过非法捕捉和扫描跟踪等破译手段都难以实现，其主要优点是安全性好。目前采用的滚动码通信集成电路，将序列号、加密密钥及同步计数值等数据綷-加密后，产生了32位高度保密的滚动码。其中16位同步计数值每次传输后都要更新，所以加密出来的数据每次都不同，并且在不知道密钥的情况下，从以前的密码中也无法推知后续的密码。32位的密码再加上34位的明码会被遥控器一起发送出去，这样的组合达到了7千亿亿之多，一般情况下，无法被破解。

　　扩频通信技术：在无线抗干扰技术中，可以包括很多手段，如高频自适应抗干扰技术、高速跳频技术、超窄带技术等，但由于成本和体积的限制，真正已用到无线探测器的是频谱扩展技术，简称为扩频技术。其工作原理是将把通信信号隐藏在噪声之中，采用很宽的频带形成伪噪声通信，只要对功率进行有效的控制，就可以对合成噪声的波形实施编码和解码，因此也称为伪噪声通信。这种技术，有很强的抗干扰能力。

　　探测器的防护

　　防遮档：为了防止人为的将被动红外探测器屏蔽，使其失效，一般的方法是在被动红外探测器中，加入主动红外探测功能，若在几十厘米之内，有遮档现象，发射的红外光将反射回探测器内，使其报警。

　　防喷胶：防喷胶与防遮挡有相似之处，都需加短距离的主动红外探测。当探测器表面被喷胶后，会使透镜的折射系数产生变化，从而引起主动红外能量的反射，返回探测器内，引起报警。

　　防砸：在探测器内装有震动传感器，恶意破坏时会触发震动传感器，引发报警。

　　PCB设计和生产工艺

　　表面贴片技术：采用表面贴片(SMD)技术，缩短引线产生的寄生电抗(包括寄生电感、寄生电容和寄生电导等)，此工艺可以较好地改善探测器的防射频干扰能力。

　　电路板设计：适当安排电路板的布线，尤其注意地线的布设，可以明显地减少外界电磁干扰、电涌对探测器的影响。

　　结束语

　　探测器采用的技术还有不少，如与微波探测或空气振动探测相接合的双鉴探测，因探测原理不同而产生的量子型红外探测等等，本文难以全部包揽。因篇幅有限，对涉及到的一些技术原理，也无法讲深讲透，用意是让使用者有初步的了解，以便正确地选择和应用。