對雙鑒式入侵探測器響應(yīng)特性進(jìn)行干擾的研究

王曉莉

（安徽廣播電視大學(xué)省直分校，安徽 合肥 230001）

1 雙鑒式入侵探測器的原理

雙鑒式入侵探測器[1]是指將微波探測技術(shù)與被動(dòng)紅外探測技術(shù)復(fù)合使用的探測器，它將微波和紅外探測技術(shù)集中運(yùn)用在一體。在控制范圍內(nèi)，只有在兩種探測技術(shù)下都探測到物體時(shí)，才輸出報(bào)警信號。

報(bào)警器微波探測方式的工作原理基于多普勒效應(yīng)：微波的波長很短，在1 mm～1 000 mm之間，因此很容易被物體反射，微波信號遇到移動(dòng)物體反射后會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即經(jīng)反射后的微波信號與發(fā)射波信號的頻率會產(chǎn)生微小的偏移，此時(shí)可認(rèn)為報(bào)警產(chǎn)生。微波探測原理如圖1所示。

圖1 微波探測原理

被動(dòng)紅外探測器是靠探測人體發(fā)射的紅外線來進(jìn)行工作的：探測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，溫度就會發(fā)生變化，進(jìn)而向外釋放電荷，檢測處理后產(chǎn)生報(bào)警。紅外探測原理如圖2所示。

圖2 紅外探測原理

雙鑒技術(shù)即將微波和紅外探測技術(shù)相結(jié)合，在探測范圍內(nèi)，只有兩種報(bào)警技術(shù)的探測器都產(chǎn)生報(bào)警信號時(shí)才輸出報(bào)警信號。

微波探測技術(shù)對物體的正面移動(dòng)敏感，而被動(dòng)紅外探測技術(shù)則對物體從側(cè)面切割探測區(qū)域的移動(dòng)方式敏感。雙鑒式探測器既能保持微波探測器可靠性強(qiáng)、與熱源無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又集合了被動(dòng)紅外探測器無需照明和亮度要求、可晝準(zhǔn)備運(yùn)行的特點(diǎn)，大大降低了探測器的誤報(bào)率。雙鑒探測方式提高了探測性能，誤報(bào)率也僅是單技術(shù)微波報(bào)警器誤報(bào)率的幾百分之一[2]。

2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)雙鑒式探測器響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)一系列材料的遮擋效果并模擬入侵路線，來研究入侵后報(bào)警器的響應(yīng)特性，分析報(bào)警響應(yīng)的盲點(diǎn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)思路

針對雙鑒式探測器的基本原理，初步考慮有三種可能的途徑：（1）遮擋，可遮擋人體發(fā)出的紅外光或遮擋探測器；（2）對著探頭作垂直運(yùn)動(dòng)；（3）提高紅外背景，降低探測器靈敏度。目前的入侵探測器[3]多采取各種防破解措施，如防遮擋、模式識別等，難以采用簡單的方式解除報(bào)警，可行的方案可能是上述三種途徑的程序化組合。

項(xiàng)目實(shí)施中，首先調(diào)研目前常用探測器的工作原理與探測性能，選擇幾種代表性的產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

（1）紅外輻射遮擋材料實(shí)驗(yàn)

選擇可遮擋人體紅外輻射的材料進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，研究其可行性。環(huán)境在溫度、濕度、噪音等方面往往會有變化，探測器在實(shí)際設(shè)計(jì)上對其有一定的適應(yīng)性，從而防止過多的誤報(bào)警[4]?？衫眠@一點(diǎn)將遮擋材料由遠(yuǎn)及近緩慢地覆蓋住探測窗口，使周圍的環(huán)境參數(shù)在一個(gè)微小的范圍內(nèi)緩慢地改變，使探測器對報(bào)警事件的探測數(shù)達(dá)不到報(bào)警的閾值，并且探測不到人體自身的紅外線輻射，最終避免報(bào)警[5]。

（2）移動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分為兩部分：一是紅外光源移動(dòng)，裝置同上，光源對著探頭作垂直運(yùn)動(dòng)，研究其響應(yīng)；二是用金屬板對著探頭作豎直運(yùn)動(dòng)，研究其響應(yīng)。可將行進(jìn)線路做分段切割，即先實(shí)驗(yàn)水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)條件下的遮擋效果，最終利用無線遙控車、機(jī)器人等設(shè)備來進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)，避免人體的紅外輻射造成報(bào)警響應(yīng)。

探測器的實(shí)際安裝過程中，為了達(dá)到最佳的探測效果，報(bào)警器一般安裝在房間內(nèi)的角落處，離地面2.2～2.5 m，探測區(qū)域成扇形，力求與入侵者的行進(jìn)路線成最大化的切割可能性。為此，考慮先在水平方向上，在遠(yuǎn)處首先將遮擋材料迂回到探測扇區(qū)的最大夾角110°外部區(qū)域（即盲區(qū)），再緩慢推進(jìn)至報(bào)警器下側(cè)前方，最后豎直向上緩慢移動(dòng)來覆蓋住探測器周圍。

（3）干擾實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，模擬人體紅外輻射，在靜止?fàn)顟B(tài)下逐步提高裝置的紅外強(qiáng)度，測量探測器響應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，人在紅外光源后移動(dòng)，測量探測器響應(yīng)，研究提高背景干擾探測器的可行性。圖3為實(shí)驗(yàn)過程示意。

為此，可利用紅外線燈照射探測器，造成其處于紅外線飽和狀態(tài)。

另外，在具體實(shí)驗(yàn)中，可考慮以下幾方面：

圖3 干擾實(shí)驗(yàn)過程示意

（1）PIR和微波頻道自身避免誤報(bào)的能力不夠：PIR對熱輻射干擾敏感，而MW對無線電頻率干擾敏感。結(jié)合使用這些技術(shù)則顯著地提高探測器的抗擾性，最終帶來較低的誤報(bào)率。因兩種技術(shù)必須同時(shí)探測以生成警報(bào)，由此實(shí)現(xiàn)誤報(bào)率的降低。目前主流報(bào)警器采取微波和被動(dòng)紅外報(bào)警信號相與的方式，即這兩種方式同時(shí)探測到入侵者方可報(bào)警[6]。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。

（2）考慮用化學(xué)液體進(jìn)行噴霧遮擋，造成報(bào)警器短時(shí)間對人體探測的失效狀態(tài)，人員撤退后可自行揮發(fā)、不留痕。

（3）人體散發(fā)的紅外線可考慮用紅外線吸收材料來進(jìn)行遮擋，內(nèi)外有三層，從內(nèi)向外分別起到隔熱、向內(nèi)反射紅外線、易于導(dǎo)熱的作用?？煽紤]使用微波保鮮膜、塑料雨衣、防輻射服等材料。

（4）一般國產(chǎn)的探測器抗干擾、抗輻射都非常差，因此可運(yùn)用電磁輻射破壞探測器的內(nèi)部電路。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中，將探測器置于一定高度，并利用鋁合金框架、滑輪、塑料板、棉線等器材設(shè)計(jì)了一套機(jī)械傳動(dòng)裝置，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

用木板和滑輪做了一個(gè)平臺，它在鋁合金框架構(gòu)成的導(dǎo)軌上可平穩(wěn)地自由移動(dòng)。在平臺上放置各種遮擋材料，向報(bào)警器緩慢靠近或離開，以模擬出水平遮擋和垂直遮擋的效果。該裝置可進(jìn)行上面所述的紅外輻射遮擋材料實(shí)驗(yàn)和移動(dòng)實(shí)驗(yàn)。在遮擋材料的選擇上，主要實(shí)驗(yàn)各材料對波長在10 μm附近的人體紅外線的透過程度[7]：

（1）可考慮表面粗糙、內(nèi)部有大量空隙的材質(zhì)，因表面能盡量地散射探測器和人體自身發(fā)射出的紅外線，內(nèi)部的空隙中充滿大量空氣，亦可進(jìn)一步散射紅外線。為此，可選擇紙板、絨布、海綿、門墊等[8]。

（2）另外，對以Visonic的Hunter探測器為代表的帶主動(dòng)紅外的被動(dòng)紅外探測器，也可考慮在光學(xué)線路上進(jìn)行改變，為此可考慮根據(jù)其砷化鎵發(fā)光二極管所發(fā)射的波長長度來制作相應(yīng)的鍍膜濾光片。性能參數(shù)包括：940 nm附近透過，其他波長范圍內(nèi)截止，截止深度＜1%，尺寸為10 cm×10 cm×0.3 cm[9]。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在水平方向上，將遮擋材料由遠(yuǎn)及近緩慢推進(jìn)到報(bào)警器前，分別記錄下各報(bào)警器報(bào)警時(shí)兩者的間距，每個(gè)報(bào)警器實(shí)驗(yàn)5次，結(jié)果如表1所示。

表1 報(bào)警器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （單位：cm）

關(guān)于實(shí)驗(yàn)有以下幾點(diǎn)說明：

（1）數(shù)值“0”表示通過緩慢移動(dòng)，遮擋材料可零距離地緊貼探測器而不報(bào)警，這時(shí)達(dá)到最佳的遮擋效果；

（2）實(shí)驗(yàn)中，每次距探測器50 cm處開始緩慢移動(dòng)遮擋材料；

（3）實(shí)驗(yàn)中，移動(dòng)2～3 cm后，停頓30 s再繼續(xù)移動(dòng)，以確保報(bào)警時(shí)遮擋材料的位置的準(zhǔn)確性；

（4）實(shí)驗(yàn)裝置周圍用紙板遮擋，以盡量減少人體紅外線的干擾，實(shí)驗(yàn)人員從外部來操縱遮擋材料的移動(dòng)。

另外，先將遮擋材料在水平方向移動(dòng)到一定距離，再進(jìn)行豎直方向移動(dòng)，故豎直方向移動(dòng)的距離數(shù)值可參考表1。豎直切割探測區(qū)域的效果要明顯好于水平方向的切割實(shí)驗(yàn)。低于5 mm/s的速度均為安全速度，即不觸發(fā)探測器報(bào)警[10]。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過上面的實(shí)驗(yàn)，可得出如下結(jié)論：

（1）紅外輻射遮擋材料實(shí)驗(yàn)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，沒有任何一種材料可以實(shí)現(xiàn)普遍適用的零距離遮擋效果。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了對于不同的報(bào)警器而言所適用的遮擋材料，如表2所示。

表2 遮擋材料的適用性列表

①對于沒有防遮擋功能的報(bào)警器而言，可適用除金屬外的常見材料擋住人體所發(fā)射的紅外線，不讓探測器檢測到即可。

②對于有普通防遮擋功能及反遮擋技術(shù)的報(bào)警器而言，海綿、門墊之類表面粗糙、內(nèi)部有大量空隙的材質(zhì)較為適合。因?yàn)檫@種材質(zhì)可在表面和內(nèi)部有效地散射紅外線，同時(shí)幾乎不改變微波的發(fā)射頻率，從而不觸發(fā)報(bào)警功能。

③對于帶主動(dòng)紅外的被動(dòng)紅外探測器而言，海綿之類表面粗糙、內(nèi)部有大量空隙的材質(zhì)，或鍍膜濾光片之類可改變光學(xué)線路的材質(zhì)較為適合，因?yàn)闉V光片可在光學(xué)線路上改變由砷化鎵二極管發(fā)射出的紅外線至其他處，表面鍍了增透膜后，更加大了紅外線的透過率，減少了反射率。經(jīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，在報(bào)警器和海綿間加入濾光片后，可將二者的優(yōu)勢結(jié)合，使遮擋效果更佳。

（2）移動(dòng)實(shí)驗(yàn)

①經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，遮擋材料距探測器水平距離30～40 cm處為探測器響應(yīng)敏感的臨界范圍。遮擋材料與探測器間的距離低于此數(shù)值后，應(yīng)適當(dāng)減慢推進(jìn)時(shí)的遮擋速度，控制在5 mm/s以內(nèi)，該速度不會觸發(fā)探測器的反遮擋功能。撤退時(shí)速度也相應(yīng)減慢，避免引起報(bào)警。該速度值可繼續(xù)降低，視實(shí)戰(zhàn)中時(shí)間緊張程度而定。

②離報(bào)警器10～15 cm處為較安全的遮擋臨界值，參照國標(biāo)，考慮到報(bào)警器有110°左右的探測范圍限制，可適當(dāng)加大遮擋材料面積。

③報(bào)警器探測到可能的入侵后，有30 s的判斷滯后期。進(jìn)入臨界范圍內(nèi)，應(yīng)在移動(dòng)2～3 cm后，停頓30 s，再繼續(xù)移動(dòng)。

④對于微波探測而言，用金屬板來遮擋，會在距探測器水平距離30～40 cm處，立即產(chǎn)生報(bào)警信號。

（3）干擾實(shí)驗(yàn)

①紅外線燈照射后，無法避免Rokonet的iWise RK810DT探測器的報(bào)警[11]。

②提升環(huán)境溫度，可利用空調(diào)的壓縮機(jī)等設(shè)備，但在實(shí)戰(zhàn)中不太可行、實(shí)用，故放棄。

3 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，目前市場中普遍安裝的報(bào)警器均可采用遮擋的方式來干擾響應(yīng)，效果較好。具體可在實(shí)行遮擋時(shí)，采用機(jī)器人手臂等方式來抓取海綿之類表面粗糙、內(nèi)部有大量空隙，或鍍膜濾光片之類可改變光學(xué)線路的介質(zhì)，先在高度上升至與報(bào)警器大致相同，然后在距報(bào)警器水平距離30～40 cm處，以低于5 mm/s的速度緩慢地將材料逐漸接近它，離報(bào)警器10～15 cm處停下，撤退時(shí)亦是如此[12]。

[1]微波與被動(dòng)紅外復(fù)合入侵探測器認(rèn)證測試標(biāo)準(zhǔn).GB10408.1-2000，GB10408.6-1991.

[2]主動(dòng)紅外入侵探測器認(rèn)證測試標(biāo)準(zhǔn)：GB10408.1-2000，GB10408.4-2000，GB16796-1997.

[3]惠曉實(shí)，黃婕.紅外傳感器尋呼報(bào)警系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1998，24（6）：39-40.

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