入侵探测与报警技术第三讲.doc
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第三讲:
微波探测器与红外探测器
二、微波探测器
（一）微波的主要特点
1．微波是一种波长很短的电磁波
其波长是从lmm到ldm，频率是从300MHz到300GHz。
2．直线传播，很容易被反射3．波段宽，可利用的频率多
微波波段的频宽为299700MHz（300MHz一300GHz），
4．微波设备比较小
由于微波的波长很短，因此就可以用尺寸较小的天线（如喇叭天线和抛物面天线），把电磁波集中成为一束，像探照灯的光束那样作定向传送。
如图1-12所示。
所以，微波设备（包括收、发信机等）比长、中、短波等的设备要小。
图1-12微波的定向传送
5．低频电路理论已不再适用于微波电路
6．微波对一些非金属材料（如木材、玻璃、墙、塑料等）有一定的穿透能力而金属物体对微波有良好的反射特性。
（二）微波探测器的种类
两种类型：
第一种，雷达式微波探测器。
第二种，微波墙式探测器。
（三）雷达式微波探测器
雷达式微波探测器是利用无线电波的多普勒效应，实现对运动目标的探测。
1．多普勒效应
所谓多普勒效应就是指当发射源（声源或电磁波源）与接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。
2．雷达式微波探测器的组成及基本工作原理
其组成如方框图1-13所示，各部分的信号频谱图如图1-14所示。
图1-14信号频谱图
图1-13雷达式微波探测器的基本组成
如果微波探测器发射信号的频率为10GHz；，光速C为3×m/s，则对应人体的不同运动速度V所产生的多普勒频率如表1-2所示。
表1-2对应人体不同运动速度所产生的多普勒频率
从表中看出，人体在不同运动速度下产生的多普勒频率是处于音频频段的低端，只要能检出这一较低的多普勒频率，就能区分出是运动目标还是固定目标，完成检测人体运动的传感报警功能。
由上分析看出，由于雷达式微波探测器的基本原理与多普勒雷达相同，因而才有雷达式之称。
3．雷达式微波探测器的主要特点及安装使用要点
（1）雷达式微波探测器对警戒区域内活动目标的探测是有一定范围的。
其警戒范围为一个立体防范空间，其控制范围比较大，可以覆盖60°～95°的水平辐射角，控制面积可达几十～几百平方米。
其探测区域图形如图1-15所示。
图1-15雷达式微波探测器的探测区域
（2）微波探测器的发射能图与所采用的天线结构有关。
如图1-16所示。
图1-16微波场形成的控制范围能图
雷达式微波探测器的发射天线与接收天线通常是采用收、发共用的形式。
（2）微波对非金属物质的穿透性既有好的一面，也有坏的一面。
通常是将报警探测器悬挂在高处（距地面1.5～2m左右），探头稍向下俯视，使其方向性指向地面，并把探测器的探测覆盖区限定在所要保护的区域之内。
这样可使因其穿透性能造成的不良影响减至最小。
如图1-17所示。
图1-17微波探测器的安装
图中实线所示的覆盖区显然比虚线所示的覆盖区要更可靠些。
（3）微波探测器的探头不应对准可能会活动的物体。
（4）在监控区域内不应有过大、过厚的物体，特别是金属物体。
（5）微波探测器不应对着大型金属物体或具有金属镀层的物体（如金属档案柜等）。
如图1-18所示。
图1-18微波探头不应对着大型金属物体
（6）微波探测器不应对准日光灯、水银灯等气体放电灯光源。
（7）雷达式微波探测器属于室内应用型探测器。
（8）当在同一室内需要安装两台以上的微波探测器时，它们之间的微波发射频率应当有所差异（一般相差25MHz左右）。
而且不要相对放置，以防止交叉干扰，产生误报警。
（四）微波墙式探测器1．微波墙式探测器的组成及基本工作原理
微波墙式探测器是一种将微波收、发设备分置的利用场干扰原理或波束阻断式原理的微波探测器。
其基本组成如图1-19所示。
图1-19微波墙式报警器的基本组成
2．微波墙式探测器的主要特点及安装使用要点
（1）由于在微波接收机与发射机之间形成一道无形的“墙”，因此是一种很好的周界防范报警设备。
它很适用于露天仓库、施工现场、飞机场、监狱、劳改场或博物馆等大楼墙外的室外周界场所的警戒防范工作。
也可以用它来警戒展览馆、机要大楼等室内的狭长走廊，以防坏人进入重要场所。
（2）微波墙式探测器一般采用脉冲调制的微波发射信号，有几个优点：
①电源耗电少，便于使用备用电源，也可延长备用电池的使用寿命。
②放大器相对频带窄、机内噪声小。
③抗干扰性较强。
（3）工作可靠性较好，只要安装得当，误报漏报率较低。
（4）当防范区具有比较开阔、平坦和直线性较好的外周界线时，根据微波射束的直线性传播特性，适宜采用两个相对方向发射的微波射束组成一个警戒墙。
（5）当防护区的外周界线平直度较差、曲折过多或地面高低起伏不平时，则不宜采用微波墙。
（6）使用中，通常采用L型托架将微波收、发机安装在墙上或桩柱上，收、发机之间要有清晰的视线。
如图1-20所示。
图1-20微波墙式探测器的安装
（7）户外使用时，可根据防范区域外周界的形状，合理布局几组对向放置的收、发机，并注意各设备之间的间隔。
如图1-21所示。
图中T（TRANSMITTER）代表发射机，R（RE-CEIVER）代表接收机。
图1-21微波墙式探测器的布局
三、红外探测器
利用红外线的基本理论和特点制成的探测器称为红外探测器。
（一）红外线在电磁波谱中的位置
红外线是电磁波谱中的一个波段，它处于微波波段与可见光波段之间。
凡波长长于0.78μm，直至100μm的电磁波都属于红外波段。
由于其波长比可见光中的红光波长要长，是处于可见光红色光谱外侧的位置，故有红外线之称。
参看图1-22。
图1-22电磁波波谱图
一般可把电磁波谱的不同波段划分为三个区。
无线电区——包括微波和其他无线电波。
波长是从lmm至m。
射线区——包括X射线、γ射线和宇宙射线。
波长是从μm至μm。
光学区——包括红外线、可见光和紫外线这三个波段。
波长是从μm至lmm。
根据红外线的波长不同，又可将红外波段分为近红外、中红外、远红外、远远红外这样几个分波段。
红外探测器依据工作原理的不同，可分为主动式红外探测器与被动式红外探测器两种类型。
（二）主动式红外探测器1．主动式红外探测器的组成及基本工作原理
主动式红外探测器是由发射和接收装置两部分所组成。
如图1-23所示。
图1-23主动式红外探测器的基本组成
分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜。
它起到将红外光聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能集中传送。
红外发光管是置于发端光学透镜的焦点上，而光敏晶体管是置于收端光学透镜的焦点上。
如图1-24所示。
图1-24利用光学透镜将红外光聚集成束
采用调制的红外光源具有以下几个优点。
其一，可以降低电源的功耗。
其二，使红外探测器具有较强的抗干扰能力，提高了工作的稳定性。
2．主动式红外探测器的防范布局方式
主动式红外探测器可根据防范要求、防范区的大小和形状的不同，分别构成警戒线、警戒网、多层警戒等不同的防范布局方式。
根据红外发射机及红外接收机设置的位置不同，主动式红外探测器又可分为对向型安装方式及反射型安装方式两种。
（1）对向型安装方式。
红外发射机与红外接收机对向设置。
如图1-25（a）所示。
可采用多组红外发射机与红外接收机对向放置的方式。
这样可以用多道红外光束形成红外警戒网（或称光墙），如图1-25（b）所示。
也可采用如图1-26所示的其他多种形式的多光束组成警戒网。
图1-25对向型安装方式
图1-26其他类型的多光束组合而成的警戒网
根据警戒区域的形状不同，只要将多组红外发射机和红外接收机合理配置，就可以构成不同形状的红外线周界封锁线。
如图1-27所示。
图1-27四组红外收、发机构成的周界警戒线
当需要警戒的直线距离较长时，也可采用几组收、发设备接力的形式，如图1-28所示。
图1-28用接力方式加长探测距离
目前使用较多的双光束主动式红外探测器的防范布局方式如图1-29所示，在多组红外发射机与接收机一起使用时，应注意消除射束的交叉误射（如图中虚线所示）。
图1-29双光束主动式红外探测器的防范布局方式
（2）反射型安装方式。
如图1-30所示。
图1-30反射型安装方式
采用这种方式，一方面可缩短红外发射机与接收机之间的直线距离，便于就近安装、管理；另一方面也可通过反射镜的多次反射，将红外光束的警戒线扩展成红外警戒面或警戒网，如图1-31所示。
图1-31利用反射型安装方式所形成的红外警戒网
要注意的是：
采用反射型安装方式时的累计探测距离将小于采用对向型安装方式时的直线探测距离，因此，实际安装时应留有充分的余地。
3．主动式红外探测器的主要特点及安装使用要点
（1）属于线控制型探测器，其控制范围为一线状分布的狭长的空间。
（2）主动式红外探测器的监控距离较远，可长达百米以上。
（3）探测器还具有体积小、重量轻、耗电省、操作安装简便、价格低廉等优点。
（4）主动式红外探测器用于室内警戒时，工作可靠性较高。
但用于室外警戒时，受环境气候影响较大。
（5）由于光学系统的透镜表面是裸露在空气之中，极易被尘埃等杂物所污染。
（6）由主动式红外探测器所构成的警戒线或警戒网可因环境不同随意配置，使用起来灵活方便。
（三）被动式红外探测器
被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。
1．自然界物体的红外辐射特性
自然界中的任何物体都可以看作是一个红外辐射源。
人体辐射的红外峰值波长约在10μm处。
物体表面的温度越高，其辐射的红外线波长越短。
也就是说，物体表面的绝对温度决定了其红外辐射的峰值波长。
如表1-3所示。
表1—3不同温度下物体的红外辐射峰值波长
2．被动式红外探测器的组成及基本工作原理
（1）基本工作原理。
被动式红外探测器主要是由光学系统、热传感器（或称红外传感器）及报警控制器等部分所组成，如图1-33所示。
图1-33被动式红外报警器的基本组成
红外传感器的探测波长范围是8～14μm，由于人体的红外辐射波长正好在此探测波长范围之内，因此能较好地探测到活动的人体。
（2）红外传感器。
红外传感器又称为热传感器，它是被动式红外探测器中实现热电转换的关键器件。
热释电传感器。
分类：
单波束型被动红外探测器及多波束型被动红外探测器两种。
3．单波束型被动红外探测器
单波束型被动红外探测器采用反射聚焦式光学系统。
它是利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。
如图1-35所示。
图1-35采用反射式光学系统的被动红外报警器
这种方式的探测器警戒视场角较窄，一般仅在5°以下。
但作用距离较远，可长达百米。
因此，又可称为是直线远距离控制型被动红外探测器，如图1-36所示。
它适合用来保卫狭长的走廊和通道以及封锁门窗和围墙等。
图1-36单波束型被动红外探测器的探测范围
4．多波束型被动红外探测器
多波束型被动红外探测器采用透镜聚焦式光学系统。
它是利用特殊结构的透镜装置，将来自广阔视场范围的红外辐射经透射、折射、聚焦后汇集在红外传感器上。
目前，多采用性能优良的红外塑料透镜——多层光束结构的菲涅耳透镜。
某种三层结构的多视场菲涅耳透镜组的结构如图1-37所示。
图1-37多视场菲涅耳透镜组
有一般的广角镜头式，也有形成垂直整体形幕帘式以及小角度长距离视场与大角度近距离视场的组合式等等。
如图1-40所示为其中的几种。
图1-40不同规格的红外透镜镜头
多波束型被动式红外探测器的警戒视场角比单波束型被动式红外探测器的警戒视场角要大得多。
水平视场角可大于90°，垂直视场角最大也可达90°。
但其作用距离较近，一般只有几米到十几米。
一般来说，视场角增大时，作用距离将减小。
因此多波束被动式红外探测器又可称为是大视角短距离控制型被动式红外探测器。
5．防止被动红外探测器（PIR）产生误报的几项技术措施
（1）温度补偿电路。
第一种方案：
常规的温度补偿特性是呈线性递增形式（如图1-41所示）。
图1-41线性补偿特性
图1-42抛物线补偿特性
由图中看出，电路的增益随环境温度的上升而上升，当接近人体温度时，增益也上升到较高值，确实可以起到灵敏度补偿的作用。
但在环境温度上升到人体温度之上时，随着温差的逐渐增大，补偿仍然继续增加，这就会使当环境温度与人体温差较大时灵敏度增加得太高而容易产生误报。
第二种方案：
温度补偿特性呈抛物线形式（如图1-42所示）。
由图中看出，电路的增益随环境温度的上升呈抛物线规律变化，这就可以做到在温度发生不同变化时，探测器的灵敏度基本可以维持稳定而达到一个最佳状态。
采用了这种温度补偿特性的探测器可以在环境温度从—10℃到+50℃～+55℃范围内变化，或是环境温升速率在一分钟内变化0.56℃时也不会产生误报。
还有的探测器甚至可以容许环境温度在－10℃到+65℃范围内变化。
（2）采用多元红外光敏元件，并采用“脉冲计数”方式工作。
①采用双元红外光敏元件。
如图1-43所示。
图1-43一般常规的脉冲计数方式
②采用四元红外光敏元件。
参看图1-45。
这种设计方式又进一步提高了被动红外探测器的防小动物、宠物引起误报的能力。
图1-45采用四元被动红外可防止小动物引起的误报
（3）防射频干扰的措施。
采用表面贴片技术。
（4）防白光干扰的措施。
在菲涅耳透镜的镜片上采取滤白光的措施。
（5）防小动物误报所采取的措施。
①采用四元红外光敏元件。
②在被动红外探测器中内置微处理器。
③采用防宠物的菲涅耳透镜。
6．被动式红外探测器的主要特点及安装使用要点
（1）被动式红外探测器属于空间控制型探测器。
（2）由于红外线的穿透性能较差，在监控区域内不应有障碍物，否则会造成探测“盲区”。
（3）为了防止误报警，不应将被动式红外探测器探头对准任何温度会快速改变的物体，特别是发热体。
（4）被动式红外探测器亦称其为红外线移动探测器。
应使探测器具有最大的警戒范围，使可能的入侵者都能处于红外警戒的光束范围之内。
并使入侵者的活动有利于横向穿越光束带区，这样可以提高探测的灵敏度。
（5）被动式红外探测器的产品多数都是壁挂式的，需安装在离地面约2～3m的墙壁上。
（6）在同一室内安装数个被动式红外探测器时，也不会产生相互之间的干扰。
（7）注意保护菲涅耳透镜。
（8）基于上述原因，被动式红外探测器基本上属于室内应用型探测器。
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