激光對射系統在機場周界安防系統中的應用研究

文｜中國中元國際工程公司 王 維

1 概述

機場已成為人們日常出行的重要場所，為了保證機場的安全，安全部門往往在航站樓內安裝了大量的監控系統、安檢設備等，但縱觀各地機場，往往都忽略了一個安全隱患，那就是機場圍界。

眾所周知，機場的一個重要特點是占地廣闊，如全球最大的美國丹佛國際機場，面積超過130km2，大約是紐約曼哈頓的1.5倍。我國新建機場周界長度也在25km左右。目前，機場普遍采用的物理圍欄已難以完全承擔機場周界的安防重任，以現代計算機多媒體技術和網絡技術為核心，融合了多種高科技電子手段的智能周界安防系統正作為新一代的安防科技力量，保衛著機場周界的安全。

報警系統是否可以穩定工作，主要取決于前端報警探測設備性能的優劣。穩定性、抗干擾性等是衡量前端探測設備性能的主要指標，所以本文將對前端探測設備的選擇及其抗干擾性進行深入的分析、研究。

目前流行的周界防范技術有很多，如振動電纜、紅外探測、埋地電纜、張力圍欄、壓力電纜、激光對射等技術。本文將對所有常用技術進行分析，并針對機場圍界的實際情況具體調研，查找相關技術數據，對相關的部門進行調查，分析使用激光對射系統作為機場雙圍界安防報警系統的優勢所在。

干擾可能引起報警系統的誤報、漏報等嚴重問題，所以報警系統抗干擾性方面的設計才成為本課題的重點、難點。本文將從用戶實際遇到的問題、技術的可行性入手，研究分析，總結出具有實際意義的解決方案。

2 機場周界安防系統前端探測技術的選擇

2.1 周界安防前端探測技術簡介與分析

周界安防普遍采用的前端探測技術大致可劃分為兩大類。第一類分為兩種形式，一種采用“線型傳感器”，通過物理接觸來引發系統報警；另一種采用“波束打斷型傳感器”，當物體阻斷平面上的點對點的波束時觸發報警。第二類采用的是“體積或區域覆蓋型傳感器”，此類傳感器可以防護一個特定的空間或區域，在此空間或區域內，目標的活動、出現或消失都能夠被探測到。這兩大類前端探測技術很好地與物理圍欄相結合，形成了一個有效的防護區，既能起到阻擋作用，又能起到入侵報警作用。

機場周界安防的探測器應機場周界防護要求和設防特點相適應。在機場這一特殊環境下，尤其要考慮設備的電磁兼容性：既要滿足抵抗機場特定環境下的電磁干擾的要求，又要滿足不能對機場航空飛行器產生電磁干擾的要求。所選用的探測器應能抵抗各種可能的干擾，盡可能少誤報，杜絕漏報，且靈敏度、作用距離、覆蓋面積應能滿足使用要求。

目前常見的前端探測技術主要有震動電纜（光纜）、紅外（微波）探測、激光對射、埋地電纜、張力圍欄、視頻分析等，表1為對這幾種探測技術的分析及對比。

2.2 激光對射探測系統在周界安防中的應用特點

（1）誤報率低

激光對射探測系統與同類主動探測系統相比，對惡劣氣候環境的適應能力有明顯的優勢。激光束發射功率密度大，發散角度小，光束集中，方向性好（紅外線探測器發射光斑面積大，在百米處光斑直徑達3m以上，而激光在百米處光斑直徑小于0.2m），在使用同等功率器件的條件下，目標接收處激光束的功率密度是紅外發光二極管光束功率密度的數百至幾千倍。因而在同樣的氣候條件下，激光對射系統的傳輸衰減比其他同類探測器要小得多，并且具有較強的穿透雨霧能力，探測距離可達數百米至幾千米，能夠極大地減少因氣候環境的影響所產生的誤報警。

（2）性能穩定

整體采用鋼、鐵等金屬材質。系統機械結構精密，激光系統及光學部件按精密儀器加工，內部結構穩定。

系統安裝牢固可靠，激光入侵探測器固定在鋼管及焊成一體的法蘭盤座上，固定于水泥基礎上。除了設有防風沙和雨水的防護罩外，還加有固定防護罩金屬底座，能夠最大程度地減少應力作用所帶來的影響，有效隔斷大風對系統結構穩定性的影響。

表1 周界安防前端探測技術對比表

被動紅外探測探測由入侵者造成的紅外背景的變化觸發報警。沿周界直線架設。只感受波長為8～14μm的人體紅外線，能有效地消除紅外散射雜波的影響。夏季溫度在37℃時，在水泥、石頭等地面上的探測效果較差，容易產生漏報。另外，其3～4m的安裝高度，在有些場合不適用。戶外視頻移動探測（智能視頻行為分析）戶外視頻移動探測器（VMDs）處理CCTV攝像機收集的標準視頻信號，根據覆蓋區域圖像的變化來判斷是否有人入侵。一般采用固定攝像機沿周界架設。不能全天候工作，探測效果受光線影響嚴重。夜間受攝像機和紅外燈照射限制，建議架設距離不要超過80m；在霧、沙塵、大雨等惡劣天氣下不能正常報警，甚至會完全失效。在有較高安全防范要求的場合絕對不能單獨使用。激光對射探測探測由入侵者造成的光線被遮斷的情況觸發報警。沿周界直線架設。安裝簡單，易于移動。與紅外對射探測技術相比，受氣候變化影響小，設備相對穩定，誤報較少，造價相對適中。張力圍欄探測入侵者攀爬圍欄改變鋼絲張力，引發壓電探測器作出反應，從而觸發報警。依周界形狀架設。全天候工作，物防、技防相結合；設備造價極高，安裝調試工程量巨大，對鋼絲材質要求極高；受四季溫、濕度變化影響，因而使用維護量巨大。適合于高風險小周界。高壓脈沖電網探測入侵者觸碰電網引發高壓放電，并觸發報警。依周界形狀架設。不發出任何波段的電磁波，具有3m左右的防御縱深，可有效地避免電磁偵察，性價比適中，保密性好。不發出任何波段的電磁波；防御區域可根據需要在可視范圍內選擇；性價比適中；一機多用，即能作為報警探測器又能用于視頻復核。系統易被識破，沒有防護縱深，在圍界安防中可以考慮使用。物防、技防相結合；防區密度與壓電探測器密度相關，擁有一定的自愈能力。有很強的威懾作用，探測和阻止融為一身，但有可能造成入侵者的傷病，甚至死亡，從而導致法律糾紛。全天候工作，技防與阻擋相結合；設備造價較低，易于維護，但安裝調試工程量較大；由于金屬絲暴露空中，在空曠地帶易遭雷擊。適合于監獄等法律明確允許的，有良好避雷設施的場合。

（3）防范效果好

激光對射系統不存在直線連續布設和小角度布設時相鄰激光對射裝置間互相干擾的問題（在長距離應用中，可采用激光中繼器進行接續），因而可以根據需要在重要地段實施連續/交叉布防。

激光系統可實施多道獨立光束平面分布，因而可組成十分嚴密的警戒平面。

激光探測器與無源反射器配合可實施無規律交叉布設，可組成隱蔽性更強的空間立體防范系統（也可采用短距離的激光對射代替反射鏡）。

（4）抗干擾能力強

激光對射系統自身抗電磁干擾能力強，且對激光束傳播通路以外的區域及設備無任何電磁干擾。由于激光的發散角小，光束集中，當用多組激光探測器在直線方向接續傳輸或作小轉折角傳輸時，均不會象紅外線探測器那樣產生相互串擾，因而也就不會出現紅外線探測器在上述情況下出現的漏報警。激光對射系統對周圍環境無任何光散射、污染，能夠避免可能對行人眼睛造成的損害。

（5）調試檢修方便

激光對射系統采用配套的激光定位儀進行調試，室內調試精度為毫米級，室外調試精度為厘米級，可以在任何時間、環境下準確快捷地指導調試。激光報警系統在調整檢修時光斑位置清晰確定，因此發射器工作是否正常、傳播途中是否有物體遮擋、在何處遮擋、轉折和接收處光束偏離中心的方向和位置，都有定位儀準確指示。與只能在接收目標處顯示是否對正中心的紅外線探測器相比，激光報警系統顯然要方便得多。

3 激光對射在周界安防系統中應用時的抗干擾研究

是否具有較強的抗干擾能力是決定一個報警系統是否能穩定運行的重要因素。激光對射探測裝置在報警系統中處于最前端，是觸發報警的信號源，因此激光對射探測裝置的抗干擾能力在保證整個報警系統的穩定運行上起著舉足輕重的作用。

3.1 陽光的干擾

當與防范波束波長相同的（自然或人工）光線照射到接收端時，便會對激光對射探測裝置造成干擾。陽光中包含了激光入侵探測器和主動紅外入侵探測器所使用的光譜成分，當陽光直射到這些探測器的接收器時，會造成干擾而引發誤報警。

為了防止陽光直接照射到接收器造成干擾，出現了同時在兩端配置發射器和接收器的編碼調制主動紅外入侵探測器（互射式）。從理論上講，這種產品對于抗御只是單一方向短時間直接照射接收陽光的干擾具有一定的作用。但是，在實際應用中，經常出現多對同類探測器集中安裝使用的情況，由于同類探測器發射的紅外線波長相同，實際使用的效果反而是增加了相同波長的長時間干擾源，從而引發其他問題。

大氣成分對紅外輻射的吸收作用，一方面減弱了相應波長的陽光輻射強度，但另一方面也影響了較遠距離上工作的紅外與激光系統的輻射功率的傳輸。在激光制導、激光測距、激光或紅外跟蹤等系統的設計中，應該考慮使工作波長盡可能避開大氣吸收峰，而位于兩個吸收峰之間的大氣窗口以內，以提高激光功率傳輸的效率，為遠距離工作提供便利。從某種意義上說，在大氣吸收峰所在波長上的激光近程探測系統受到的陽光背景的干擾可能更小些。但是，陽光對于激光和紅外系統無疑是一個強干擾源，系統設計中應采取有效措施加以抑制。這些措施包括光學系統光路角、視場角的合理設計，信號處理電路中頻響的設計等。具體措施如下：

（1）采用窄帶濾光片。

（2）在激光對射外殼上加裝遮陽蓋。

（3）激光對射系統的發射端與接收端中，發射端受太陽光的影響比較大，應盡量背光安裝，具體的原則如下：

◆ 當圍界防區為南北方向時，發射端安裝在北側，接收端安裝在南側；

◆ 當圍界防區為東西方向時，由于上午陽光比下午要強，所以發射端安裝在東側，接收端安裝在西側；

◆ 當圍界防區為非正南正北方向時，發射端安裝在北側，接收端安裝在南側。

3.2 飛鳥等引起的誤報

機場周界所處的位置一般為城市郊區，為大量飛鳥等禽類動物的棲息地。由于阻擋任何一束激光，都會引發激光對射系統報警，所以由禽類動物的飛行造成遮擋對激光對射系統的穩定性有很大影響。

要解決此類誤報問題，只能從報警延時的長短上著手。鳥的飛行速度一般很快，且一般不會停在一個地方不動，所以飛鳥穿過激光光束的時間很短。當激光被阻擋較短的時間時，系統可以判斷為飛鳥飛過，不對報警進行輸出；如果飛鳥體積不大的話，是不會把激光全部阻擋，同樣不會引起報警，這樣就提高了系統的穩定性。

（1）阻擋報警時間最小限度可以這樣確定：鳥的身體寬度最大約為8cm，飛行速度100km/h，因此鳥通過激光束的時間約為3ms。

可將激光恢復時間設定為1～2s（對此值的設定沒有規范要求，1～2s為經驗值）。當兩個人或兩件物體依次通過激光射線時，如果間隔時間超過激光恢復時間設定值，則系統將其判斷為2次不同的報警；如果小于設定值，則判斷為同一次報警。這樣的設計有利于減少系統誤報。

（2）阻擋報警時間最大限度應能保證一般的人無法通過激光束而不引發報警。

假定人的身體的厚度為20cm，人的移動速度1m/s（雙層周界的設計令入侵者無法助跑），則人穿過激光所需要的時間為200ms。

（3）按以上結果，計算出上下兩束激光束的阻擋時間如下：

當下束光的全部阻擋時間超過500ms時，激光對射控制系統輸出報警。

當上束光的全部阻擋時間超過100ms時，激光對射控制系統輸出報警。

3.3 相鄰激光對射裝置之間的干擾

在距離較長的機場周界上連續安裝幾對激光對射裝置時會出現相互干擾的情況，由于發射端發出的激光束可以傳得很遠，且隨著距離的變遠，光束所占的面積也呈線性增加。因此，有可能出現本對激光對射被阻擋，但可以接收到鄰對激光對射發射端所發出的激光，因而造成漏報的情況，如圖1所示。

圖1 相鄰激光對射裝置之間相互干擾的示意圖

為了解決此問題，可以對相鄰激光對射裝置所發射的激光頻率進行調整，使之不同。如圖2所示，在接收板的檢測程序中對接收到的激光束進行頻率檢測，若含有本對激光發射端發射的正確頻率光束便不報警，若接收不到正確頻率激光束則輸出報警信號，這樣就可以避免此類問題的出現。

圖2 相鄰激光對射裝置之間相互干擾的解決方法的示意圖

3.4 報警信號的傳輸中的干擾

3.4.1 信號傳輸中的干擾的來源

周界上的電源線一般采用地埋方式，控制線離電源線較近，所以若不對信號線采取防護措施的話，信號肯定會受到電源帶來可變磁場的干擾。夏季的雷電會產生強大的快速瞬變電磁場，其通過接地電阻耦合或感應耦合方式侵入系統的電源或控制電路中，也會造成干擾。另外，無線電廣播、電視、雷達和移動通信也能通過圍界中的激光設備及線路干擾信號傳輸。

地電流干擾是接地系統混亂時的干擾。接地系統一般包括信號回路地、屏蔽地、本質安全地和保護地。接地系統的混亂對激光對射系統造成干擾的主要原因是大地電勢分布不均。由于實際的大地電阻不為零，因此當大地中流過電流時，大地各點上就會產生不同電位，因此造成不同接地點間出現電位差，產生環路電流。

系統的正常供電電源均由電網提供。電網覆蓋范圍廣，因此將遭受所有電磁波的干擾而在線路上感應電壓和電流，而電網內部的變化，都將通過輸電線路傳至激光對射系統，造成干擾。

內部干擾主要由系統內部元件及電路間相互的電磁輻射產生。

3.4.2 抗干擾措施

抗干擾措施應從積極設法消除干擾的來源或在可能范圍內把干擾的影響減弱到最小程度，主要分為以下兩種方法：

（1）隔離、屏蔽

屏蔽即用金屬導體將被屏蔽的元件、信號線包圍起來。例如，采用鍍鋅鋼管做為信號線槽敷設的管路，可以消除磁場和靜電場的干擾；同時做好保護套管接地，可使靜電感應完全消失，如圖3所示。另外，在信號線敷設時應考慮盡量避開干擾源，若電源線與信號線一樣沿機場周界敷設，則兩者在敷設時須保持一定的距離（如表2所示），且在交叉敷設時做成直角。

圖3 控制線路屏蔽措施示意圖

（2）絞合

干擾電壓的大小，除與交變磁場和電場的強度有關外，還與磁場穿過信號線回路的面積有關。選用絞合信號線能縮小信號線回路所包圍的面積，而且由于兩根信號線與干擾線的距離大致相等，分布電容也大致相等，因而能夠使輸入端呈現的干擾電壓相應地減小，消除靜電感應。對于低電平（熱電阻、熱電偶、電磁流量計、渦輪流量計）的信號線來說，在有磁場干擾存在的環境中，采用屏蔽絞合線能起到很好的抑制干擾作用。

表2 平行敷設的控制電纜與電力電纜的最小間距表

4 結束語

隨著社會的發展，人們對安全的要求越來越高，經濟全球化又進一步提高了人們出行的頻率，航空的飛速發展拉近了地球上任意兩點的距離，機場的安全正日益為人們所重視。因此，建立一套穩定、高效的周界安防系統已成為機場發展的首要任務。使用激光技術作為前端探測手段，是機場周界安防系統高可靠性的解決方案。

1 范保軍.淺談工程設計中的抗干擾措施.微計算機信息，2003，（7）：27-28

2 邱亮南.試論主動紅外與激光入侵探測器.中國安防，2008，（3）：58-62

3 朱良.戶外周界傳感技術—周界防入侵系統的眼睛和耳朵.中國安防，2008，（3）：39-41，47