文|中國中元國際工程公司 王 維
機(jī)場(chǎng)已成為人們?nèi)粘3鲂械闹匾獔?chǎng)所,為了保證機(jī)場(chǎng)的安全,安全部門往往在航站樓內(nèi)安裝了大量的監(jiān)控系統(tǒng)、安檢設(shè)備等,但縱觀各地機(jī)場(chǎng),往往都忽略了一個(gè)安全隱患,那就是機(jī)場(chǎng)圍界。
眾所周知,機(jī)場(chǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是占地廣闊,如全球最大的美國丹佛國際機(jī)場(chǎng),面積超過130km2,大約是紐約曼哈頓的1.5倍。我國新建機(jī)場(chǎng)周界長(zhǎng)度也在25km左右。目前,機(jī)場(chǎng)普遍采用的物理圍欄已難以完全承擔(dān)機(jī)場(chǎng)周界的安防重任,以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心,融合了多種高科技電子手段的智能周界安防系統(tǒng)正作為新一代的安防科技力量,保衛(wèi)著機(jī)場(chǎng)周界的安全。
報(bào)警系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定工作,主要取決于前端報(bào)警探測(cè)設(shè)備性能的優(yōu)劣。穩(wěn)定性、抗干擾性等是衡量前端探測(cè)設(shè)備性能的主要指標(biāo),所以本文將對(duì)前端探測(cè)設(shè)備的選擇及其抗干擾性進(jìn)行深入的分析、研究。
目前流行的周界防范技術(shù)有很多,如振動(dòng)電纜、紅外探測(cè)、埋地電纜、張力圍欄、壓力電纜、激光對(duì)射等技術(shù)。本文將對(duì)所有常用技術(shù)進(jìn)行分析,并針對(duì)機(jī)場(chǎng)圍界的實(shí)際情況具體調(diào)研,查找相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù),對(duì)相關(guān)的部門進(jìn)行調(diào)查,分析使用激光對(duì)射系統(tǒng)作為機(jī)場(chǎng)雙圍界安防報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。
干擾可能引起報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)、漏報(bào)等嚴(yán)重問題,所以報(bào)警系統(tǒng)抗干擾性方面的設(shè)計(jì)才成為本課題的重點(diǎn)、難點(diǎn)。本文將從用戶實(shí)際遇到的問題、技術(shù)的可行性入手,研究分析,總結(jié)出具有實(shí)際意義的解決方案。
周界安防普遍采用的前端探測(cè)技術(shù)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(fā)系統(tǒng)報(bào)警;另一種采用“波束打斷型傳感器”,當(dāng)物體阻斷平面上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的波束時(shí)觸發(fā)報(bào)警。第二類采用的是“體積或區(qū)域覆蓋型傳感器”,此類傳感器可以防護(hù)一個(gè)特定的空間或區(qū)域,在此空間或區(qū)域內(nèi),目標(biāo)的活動(dòng)、出現(xiàn)或消失都能夠被探測(cè)到。這兩大類前端探測(cè)技術(shù)很好地與物理圍欄相結(jié)合,形成了一個(gè)有效的防護(hù)區(qū),既能起到阻擋作用,又能起到入侵報(bào)警作用。
機(jī)場(chǎng)周界安防的探測(cè)器應(yīng)機(jī)場(chǎng)周界防護(hù)要求和設(shè)防特點(diǎn)相適應(yīng)。在機(jī)場(chǎng)這一特殊環(huán)境下,尤其要考慮設(shè)備的電磁兼容性:既要滿足抵抗機(jī)場(chǎng)特定環(huán)境下的電磁干擾的要求,又要滿足不能對(duì)機(jī)場(chǎng)航空飛行器產(chǎn)生電磁干擾的要求。所選用的探測(cè)器應(yīng)能抵抗各種可能的干擾,盡可能少誤報(bào),杜絕漏報(bào),且靈敏度、作用距離、覆蓋面積應(yīng)能滿足使用要求。
目前常見的前端探測(cè)技術(shù)主要有震動(dòng)電纜(光纜)、紅外(微波)探測(cè)、激光對(duì)射、埋地電纜、張力圍欄、視頻分析等,表1為對(duì)這幾種探測(cè)技術(shù)的分析及對(duì)比。
(1)誤報(bào)率低
激光對(duì)射探測(cè)系統(tǒng)與同類主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)相比,對(duì)惡劣氣候環(huán)境的適應(yīng)能力有明顯的優(yōu)勢(shì)。激光束發(fā)射功率密度大,發(fā)散角度小,光束集中,方向性好(紅外線探測(cè)器發(fā)射光斑面積大,在百米處光斑直徑達(dá)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(biāo)接收處激光束的功率密度是紅外發(fā)光二極管光束功率密度的數(shù)百至幾千倍。因而在同樣的氣候條件下,激光對(duì)射系統(tǒng)的傳輸衰減比其他同類探測(cè)器要小得多,并且具有較強(qiáng)的穿透雨霧能力,探測(cè)距離可達(dá)數(shù)百米至幾千米,能夠極大地減少因氣候環(huán)境的影響所產(chǎn)生的誤報(bào)警。
(2)性能穩(wěn)定
整體采用鋼、鐵等金屬材質(zhì)。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)精密,激光系統(tǒng)及光學(xué)部件按精密儀器加工,內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
系統(tǒng)安裝牢固可靠,激光入侵探測(cè)器固定在鋼管及焊成一體的法蘭盤座上,固定于水泥基礎(chǔ)上。除了設(shè)有防風(fēng)沙和雨水的防護(hù)罩外,還加有固定防護(hù)罩金屬底座,能夠最大程度地減少應(yīng)力作用所帶來的影響,有效隔斷大風(fēng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
表1 周界安防前端探測(cè)技術(shù)對(duì)比表
被動(dòng)紅外探測(cè)探測(cè)由入侵者造成的紅外背景的變化觸發(fā)報(bào)警。沿周界直線架設(shè)。只感受波長(zhǎng)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(shí),在水泥、石頭等地面上的探測(cè)效果較差,容易產(chǎn)生漏報(bào)。另外,其3~4m的安裝高度,在有些場(chǎng)合不適用。戶外視頻移動(dòng)探測(cè)(智能視頻行為分析)戶外視頻移動(dòng)探測(cè)器(VMDs)處理CCTV攝像機(jī)收集的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào),根據(jù)覆蓋區(qū)域圖像的變化來判斷是否有人入侵。一般采用固定攝像機(jī)沿周界架設(shè)。不能全天候工作,探測(cè)效果受光線影響嚴(yán)重。夜間受攝像機(jī)和紅外燈照射限制,建議架設(shè)距離不要超過80m;在霧、沙塵、大雨等惡劣天氣下不能正常報(bào)警,甚至?xí)耆АT谟休^高安全防范要求的場(chǎng)合絕對(duì)不能單獨(dú)使用。激光對(duì)射探測(cè)探測(cè)由入侵者造成的光線被遮斷的情況觸發(fā)報(bào)警。沿周界直線架設(shè)。安裝簡(jiǎn)單,易于移動(dòng)。與紅外對(duì)射探測(cè)技術(shù)相比,受氣候變化影響小,設(shè)備相對(duì)穩(wěn)定,誤報(bào)較少,造價(jià)相對(duì)適中。張力圍欄探測(cè)入侵者攀爬圍欄改變鋼絲張力,引發(fā)壓電探測(cè)器作出反應(yīng),從而觸發(fā)報(bào)警。依周界形狀架設(shè)。全天候工作,物防、技防相結(jié)合;設(shè)備造價(jià)極高,安裝調(diào)試工程量巨大,對(duì)鋼絲材質(zhì)要求極高;受四季溫、濕度變化影響,因而使用維護(hù)量巨大。適合于高風(fēng)險(xiǎn)小周界。高壓脈沖電網(wǎng)探測(cè)入侵者觸碰電網(wǎng)引發(fā)高壓放電,并觸發(fā)報(bào)警。依周界形狀架設(shè)。不發(fā)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(jià)比適中,保密性好。不發(fā)出任何波段的電磁波;防御區(qū)域可根據(jù)需要在可視范圍內(nèi)選擇;性價(jià)比適中;一機(jī)多用,即能作為報(bào)警探測(cè)器又能用于視頻復(fù)核。系統(tǒng)易被識(shí)破,沒有防護(hù)縱深,在圍界安防中可以考慮使用。物防、技防相結(jié)合;防區(qū)密度與壓電探測(cè)器密度相關(guān),擁有一定的自愈能力。有很強(qiáng)的威懾作用,探測(cè)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(dǎo)致法律糾紛。全天候工作,技防與阻擋相結(jié)合;設(shè)備造價(jià)較低,易于維護(hù),但安裝調(diào)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(jiān)獄等法律明確允許的,有良好避雷設(shè)施的場(chǎng)合。
(3)防范效果好
激光對(duì)射系統(tǒng)不存在直線連續(xù)布設(shè)和小角度布設(shè)時(shí)相鄰激光對(duì)射裝置間互相干擾的問題(在長(zhǎng)距離應(yīng)用中,可采用激光中繼器進(jìn)行接續(xù)),因而可以根據(jù)需要在重要地段實(shí)施連續(xù)/交叉布防。
激光系統(tǒng)可實(shí)施多道獨(dú)立光束平面分布,因而可組成十分嚴(yán)密的警戒平面。
激光探測(cè)器與無源反射器配合可實(shí)施無規(guī)律交叉布設(shè),可組成隱蔽性更強(qiáng)的空間立體防范系統(tǒng)(也可采用短距離的激光對(duì)射代替反射鏡)。
(4)抗干擾能力強(qiáng)
激光對(duì)射系統(tǒng)自身抗電磁干擾能力強(qiáng),且對(duì)激光束傳播通路以外的區(qū)域及設(shè)備無任何電磁干擾。由于激光的發(fā)散角小,光束集中,當(dāng)用多組激光探測(cè)器在直線方向接續(xù)傳輸或作小轉(zhuǎn)折角傳輸時(shí),均不會(huì)象紅外線探測(cè)器那樣產(chǎn)生相互串?dāng)_,因而也就不會(huì)出現(xiàn)紅外線探測(cè)器在上述情況下出現(xiàn)的漏報(bào)警。激光對(duì)射系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境無任何光散射、污染,能夠避免可能對(duì)行人眼睛造成的損害。
(5)調(diào)試檢修方便
激光對(duì)射系統(tǒng)采用配套的激光定位儀進(jìn)行調(diào)試,室內(nèi)調(diào)試精度為毫米級(jí),室外調(diào)試精度為厘米級(jí),可以在任何時(shí)間、環(huán)境下準(zhǔn)確快捷地指導(dǎo)調(diào)試。激光報(bào)警系統(tǒng)在調(diào)整檢修時(shí)光斑位置清晰確定,因此發(fā)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(zhuǎn)折和接收處光束偏離中心的方向和位置,都有定位儀準(zhǔn)確指示。與只能在接收目標(biāo)處顯示是否對(duì)正中心的紅外線探測(cè)器相比,激光報(bào)警系統(tǒng)顯然要方便得多。
是否具有較強(qiáng)的抗干擾能力是決定一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。激光對(duì)射探測(cè)裝置在報(bào)警系統(tǒng)中處于最前端,是觸發(fā)報(bào)警的信號(hào)源,因此激光對(duì)射探測(cè)裝置的抗干擾能力在保證整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行上起著舉足輕重的作用。
當(dāng)與防范波束波長(zhǎng)相同的(自然或人工)光線照射到接收端時(shí),便會(huì)對(duì)激光對(duì)射探測(cè)裝置造成干擾。陽光中包含了激光入侵探測(cè)器和主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器所使用的光譜成分,當(dāng)陽光直射到這些探測(cè)器的接收器時(shí),會(huì)造成干擾而引發(fā)誤報(bào)警。
為了防止陽光直接照射到接收器造成干擾,出現(xiàn)了同時(shí)在兩端配置發(fā)射器和接收器的編碼調(diào)制主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器(互射式)。從理論上講,這種產(chǎn)品對(duì)于抗御只是單一方向短時(shí)間直接照射接收陽光的干擾具有一定的作用。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常出現(xiàn)多對(duì)同類探測(cè)器集中安裝使用的情況,由于同類探測(cè)器發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)相同,實(shí)際使用的效果反而是增加了相同波長(zhǎng)的長(zhǎng)時(shí)間干擾源,從而引發(fā)其他問題。
大氣成分對(duì)紅外輻射的吸收作用,一方面減弱了相應(yīng)波長(zhǎng)的陽光輻射強(qiáng)度,但另一方面也影響了較遠(yuǎn)距離上工作的紅外與激光系統(tǒng)的輻射功率的傳輸。在激光制導(dǎo)、激光測(cè)距、激光或紅外跟蹤等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,應(yīng)該考慮使工作波長(zhǎng)盡可能避開大氣吸收峰,而位于兩個(gè)吸收峰之間的大氣窗口以內(nèi),以提高激光功率傳輸?shù)男?,為遠(yuǎn)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(zhǎng)上的激光近程探測(cè)系統(tǒng)受到的陽光背景的干擾可能更小些。但是,陽光對(duì)于激光和紅外系統(tǒng)無疑是一個(gè)強(qiáng)干擾源,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取有效措施加以抑制。這些措施包括光學(xué)系統(tǒng)光路角、視場(chǎng)角的合理設(shè)計(jì),信號(hào)處理電路中頻響的設(shè)計(jì)等。具體措施如下:
(1)采用窄帶濾光片。
(2)在激光對(duì)射外殼上加裝遮陽蓋。
(3)激光對(duì)射系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端中,發(fā)射端受太陽光的影響比較大,應(yīng)盡量背光安裝,具體的原則如下:
◆ 當(dāng)圍界防區(qū)為南北方向時(shí),發(fā)射端安裝在北側(cè),接收端安裝在南側(cè);
◆ 當(dāng)圍界防區(qū)為東西方向時(shí),由于上午陽光比下午要強(qiáng),所以發(fā)射端安裝在東側(cè),接收端安裝在西側(cè);
◆ 當(dāng)圍界防區(qū)為非正南正北方向時(shí),發(fā)射端安裝在北側(cè),接收端安裝在南側(cè)。
機(jī)場(chǎng)周界所處的位置一般為城市郊區(qū),為大量飛鳥等禽類動(dòng)物的棲息地。由于阻擋任何一束激光,都會(huì)引發(fā)激光對(duì)射系統(tǒng)報(bào)警,所以由禽類動(dòng)物的飛行造成遮擋對(duì)激光對(duì)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響。
要解決此類誤報(bào)問題,只能從報(bào)警延時(shí)的長(zhǎng)短上著手。鳥的飛行速度一般很快,且一般不會(huì)停在一個(gè)地方不動(dòng),所以飛鳥穿過激光光束的時(shí)間很短。當(dāng)激光被阻擋較短的時(shí)間時(shí),系統(tǒng)可以判斷為飛鳥飛過,不對(duì)報(bào)警進(jìn)行輸出;如果飛鳥體積不大的話,是不會(huì)把激光全部阻擋,同樣不會(huì)引起報(bào)警,這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(1)阻擋報(bào)警時(shí)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(shí)間約為3ms。
可將激光恢復(fù)時(shí)間設(shè)定為1~2s(對(duì)此值的設(shè)定沒有規(guī)范要求,1~2s為經(jīng)驗(yàn)值)。當(dāng)兩個(gè)人或兩件物體依次通過激光射線時(shí),如果間隔時(shí)間超過激光恢復(fù)時(shí)間設(shè)定值,則系統(tǒng)將其判斷為2次不同的報(bào)警;如果小于設(shè)定值,則判斷為同一次報(bào)警。這樣的設(shè)計(jì)有利于減少系統(tǒng)誤報(bào)。
(2)阻擋報(bào)警時(shí)間最大限度應(yīng)能保證一般的人無法通過激光束而不引發(fā)報(bào)警。
假定人的身體的厚度為20cm,人的移動(dòng)速度1m/s(雙層周界的設(shè)計(jì)令入侵者無法助跑),則人穿過激光所需要的時(shí)間為200ms。
(3)按以上結(jié)果,計(jì)算出上下兩束激光束的阻擋時(shí)間如下:
當(dāng)下束光的全部阻擋時(shí)間超過500ms時(shí),激光對(duì)射控制系統(tǒng)輸出報(bào)警。
當(dāng)上束光的全部阻擋時(shí)間超過100ms時(shí),激光對(duì)射控制系統(tǒng)輸出報(bào)警。
在距離較長(zhǎng)的機(jī)場(chǎng)周界上連續(xù)安裝幾對(duì)激光對(duì)射裝置時(shí)會(huì)出現(xiàn)相互干擾的情況,由于發(fā)射端發(fā)出的激光束可以傳得很遠(yuǎn),且隨著距離的變遠(yuǎn),光束所占的面積也呈線性增加。因此,有可能出現(xiàn)本對(duì)激光對(duì)射被阻擋,但可以接收到鄰對(duì)激光對(duì)射發(fā)射端所發(fā)出的激光,因而造成漏報(bào)的情況,如圖1所示。
圖1 相鄰激光對(duì)射裝置之間相互干擾的示意圖
為了解決此問題,可以對(duì)相鄰激光對(duì)射裝置所發(fā)射的激光頻率進(jìn)行調(diào)整,使之不同。如圖2所示,在接收板的檢測(cè)程序中對(duì)接收到的激光束進(jìn)行頻率檢測(cè),若含有本對(duì)激光發(fā)射端發(fā)射的正確頻率光束便不報(bào)警,若接收不到正確頻率激光束則輸出報(bào)警信號(hào),這樣就可以避免此類問題的出現(xiàn)。
圖2 相鄰激光對(duì)射裝置之間相互干擾的解決方法的示意圖
3.4.1 信號(hào)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(duì)信號(hào)線采取防護(hù)措施的話,信號(hào)肯定會(huì)受到電源帶來可變磁場(chǎng)的干擾。夏季的雷電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的快速瞬變電磁場(chǎng),其通過接地電阻耦合或感應(yīng)耦合方式侵入系統(tǒng)的電源或控制電路中,也會(huì)造成干擾。另外,無線電廣播、電視、雷達(dá)和移動(dòng)通信也能通過圍界中的激光設(shè)備及線路干擾信號(hào)傳輸。
地電流干擾是接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾。接地系統(tǒng)一般包括信號(hào)回路地、屏蔽地、本質(zhì)安全地和保護(hù)地。接地系統(tǒng)的混亂對(duì)激光對(duì)射系統(tǒng)造成干擾的主要原因是大地電勢(shì)分布不均。由于實(shí)際的大地電阻不為零,因此當(dāng)大地中流過電流時(shí),大地各點(diǎn)上就會(huì)產(chǎn)生不同電位,因此造成不同接地點(diǎn)間出現(xiàn)電位差,產(chǎn)生環(huán)路電流。
系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)提供。電網(wǎng)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(yīng)電壓和電流,而電網(wǎng)內(nèi)部的變化,都將通過輸電線路傳至激光對(duì)射系統(tǒng),造成干擾。
內(nèi)部干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元件及電路間相互的電磁輻射產(chǎn)生。
3.4.2 抗干擾措施
抗干擾措施應(yīng)從積極設(shè)法消除干擾的來源或在可能范圍內(nèi)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(dǎo)體將被屏蔽的元件、信號(hào)線包圍起來。例如,采用鍍鋅鋼管做為信號(hào)線槽敷設(shè)的管路,可以消除磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)的干擾;同時(shí)做好保護(hù)套管接地,可使靜電感應(yīng)完全消失,如圖3所示。另外,在信號(hào)線敷設(shè)時(shí)應(yīng)考慮盡量避開干擾源,若電源線與信號(hào)線一樣沿機(jī)場(chǎng)周界敷設(shè),則兩者在敷設(shè)時(shí)須保持一定的距離(如表2所示),且在交叉敷設(shè)時(shí)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(chǎng)和電場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)外,還與磁場(chǎng)穿過信號(hào)線回路的面積有關(guān)。選用絞合信號(hào)線能縮小信號(hào)線回路所包圍的面積,而且由于兩根信號(hào)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(xiàn)的干擾電壓相應(yīng)地減小,消除靜電感應(yīng)。對(duì)于低電平(熱電阻、熱電偶、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì))的信號(hào)線來說,在有磁場(chǎng)干擾存在的環(huán)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(shè)的控制電纜與電力電纜的最小間距表
隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)安全的要求越來越高,經(jīng)濟(jì)全球化又進(jìn)一步提高了人們出行的頻率,航空的飛速發(fā)展拉近了地球上任意兩點(diǎn)的距離,機(jī)場(chǎng)的安全正日益為人們所重視。因此,建立一套穩(wěn)定、高效的周界安防系統(tǒng)已成為機(jī)場(chǎng)發(fā)展的首要任務(wù)。使用激光技術(shù)作為前端探測(cè)手段,是機(jī)場(chǎng)周界安防系統(tǒng)高可靠性的解決方案。
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