激光对射系统在机场周界安防系统中的应用研究

文｜中国中元国际工程公司 王 维

1 概述

机场已成为人们日常出行的重要场所，为了保证机场的安全，安全部门往往在航站楼内安装了大量的监控系统、安检设备等，但纵观各地机场，往往都忽略了一个安全隐患，那就是机场围界。

众所周知，机场的一个重要特点是占地广阔，如全球最大的美国丹佛国际机场，面积超过130km2，大约是纽约曼哈顿的1.5倍。我国新建机场周界长度也在25km左右。目前，机场普遍采用的物理围栏已难以完全承担机场周界的安防重任，以现代计算机多媒体技术和网络技术为核心，融合了多种高科技电子手段的智能周界安防系统正作为新一代的安防科技力量，保卫着机场周界的安全。

报警系统是否可以稳定工作，主要取决于前端报警探测设备性能的优劣。稳定性、抗干扰性等是衡量前端探测设备性能的主要指标，所以本文将对前端探测设备的选择及其抗干扰性进行深入的分析、研究。

目前流行的周界防范技术有很多，如振动电缆、红外探测、埋地电缆、张力围栏、压力电缆、激光对射等技术。本文将对所有常用技术进行分析，并针对机场围界的实际情况具体调研，查找相关技术数据，对相关的部门进行调查，分析使用激光对射系统作为机场双围界安防报警系统的优势所在。

干扰可能引起报警系统的误报、漏报等严重问题，所以报警系统抗干扰性方面的设计才成为本课题的重点、难点。本文将从用户实际遇到的问题、技术的可行性入手，研究分析，总结出具有实际意义的解决方案。

2 机场周界安防系统前端探测技术的选择

2.1 周界安防前端探测技术简介与分析

周界安防普遍采用的前端探测技术大致可划分为两大类。第一类分为两种形式，一种采用“线型传感器”，通过物理接触来引发系统报警；另一种采用“波束打断型传感器”，当物体阻断平面上的点对点的波束时触发报警。第二类采用的是“体积或区域覆盖型传感器”，此类传感器可以防护一个特定的空间或区域，在此空间或区域内，目标的活动、出现或消失都能够被探测到。这两大类前端探测技术很好地与物理围栏相结合，形成了一个有效的防护区，既能起到阻挡作用，又能起到入侵报警作用。

机场周界安防的探测器应机场周界防护要求和设防特点相适应。在机场这一特殊环境下，尤其要考虑设备的电磁兼容性：既要满足抵抗机场特定环境下的电磁干扰的要求，又要满足不能对机场航空飞行器产生电磁干扰的要求。所选用的探测器应能抵抗各种可能的干扰，尽可能少误报，杜绝漏报，且灵敏度、作用距离、覆盖面积应能满足使用要求。

目前常见的前端探测技术主要有震动电缆（光缆）、红外（微波）探测、激光对射、埋地电缆、张力围栏、视频分析等，表1为对这几种探测技术的分析及对比。

2.2 激光对射探测系统在周界安防中的应用特点

（1）误报率低

激光对射探测系统与同类主动探测系统相比，对恶劣气候环境的适应能力有明显的优势。激光束发射功率密度大，发散角度小，光束集中，方向性好（红外线探测器发射光斑面积大，在百米处光斑直径达3m以上，而激光在百米处光斑直径小于0.2m），在使用同等功率器件的条件下，目标接收处激光束的功率密度是红外发光二极管光束功率密度的数百至几千倍。因而在同样的气候条件下，激光对射系统的传输衰减比其他同类探测器要小得多，并且具有较强的穿透雨雾能力，探测距离可达数百米至几千米，能够极大地减少因气候环境的影响所产生的误报警。

（2）性能稳定

整体采用钢、铁等金属材质。系统机械结构精密，激光系统及光学部件按精密仪器加工，内部结构稳定。

系统安装牢固可靠，激光入侵探测器固定在钢管及焊成一体的法兰盘座上，固定于水泥基础上。除了设有防风沙和雨水的防护罩外，还加有固定防护罩金属底座，能够最大程度地减少应力作用所带来的影响，有效隔断大风对系统结构稳定性的影响。

表1 周界安防前端探测技术对比表

被动红外探测探测由入侵者造成的红外背景的变化触发报警。沿周界直线架设。只感受波长为8～14μm的人体红外线，能有效地消除红外散射杂波的影响。夏季温度在37℃时，在水泥、石头等地面上的探测效果较差，容易产生漏报。另外，其3～4m的安装高度，在有些场合不适用。户外视频移动探测（智能视频行为分析）户外视频移动探测器（VMDs）处理CCTV摄像机收集的标准视频信号，根据覆盖区域图像的变化来判断是否有人入侵。一般采用固定摄像机沿周界架设。不能全天候工作，探测效果受光线影响严重。夜间受摄像机和红外灯照射限制，建议架设距离不要超过80m；在雾、沙尘、大雨等恶劣天气下不能正常报警，甚至会完全失效。在有较高安全防范要求的场合绝对不能单独使用。激光对射探测探测由入侵者造成的光线被遮断的情况触发报警。沿周界直线架设。安装简单，易于移动。与红外对射探测技术相比，受气候变化影响小，设备相对稳定，误报较少，造价相对适中。张力围栏探测入侵者攀爬围栏改变钢丝张力，引发压电探测器作出反应，从而触发报警。依周界形状架设。全天候工作，物防、技防相结合；设备造价极高，安装调试工程量巨大，对钢丝材质要求极高；受四季温、湿度变化影响，因而使用维护量巨大。适合于高风险小周界。高压脉冲电网探测入侵者触碰电网引发高压放电，并触发报警。依周界形状架设。不发出任何波段的电磁波，具有3m左右的防御纵深，可有效地避免电磁侦察，性价比适中，保密性好。不发出任何波段的电磁波；防御区域可根据需要在可视范围内选择；性价比适中；一机多用，即能作为报警探测器又能用于视频复核。系统易被识破，没有防护纵深，在围界安防中可以考虑使用。物防、技防相结合；防区密度与压电探测器密度相关，拥有一定的自愈能力。有很强的威慑作用，探测和阻止融为一身，但有可能造成入侵者的伤病，甚至死亡，从而导致法律纠纷。全天候工作，技防与阻挡相结合；设备造价较低，易于维护，但安装调试工程量较大；由于金属丝暴露空中，在空旷地带易遭雷击。适合于监狱等法律明确允许的，有良好避雷设施的场合。

（3）防范效果好

激光对射系统不存在直线连续布设和小角度布设时相邻激光对射装置间互相干扰的问题（在长距离应用中，可采用激光中继器进行接续），因而可以根据需要在重要地段实施连续/交叉布防。

激光系统可实施多道独立光束平面分布，因而可组成十分严密的警戒平面。

激光探测器与无源反射器配合可实施无规律交叉布设，可组成隐蔽性更强的空间立体防范系统（也可采用短距离的激光对射代替反射镜）。

（4）抗干扰能力强

激光对射系统自身抗电磁干扰能力强，且对激光束传播通路以外的区域及设备无任何电磁干扰。由于激光的发散角小，光束集中，当用多组激光探测器在直线方向接续传输或作小转折角传输时，均不会象红外线探测器那样产生相互串扰，因而也就不会出现红外线探测器在上述情况下出现的漏报警。激光对射系统对周围环境无任何光散射、污染，能够避免可能对行人眼睛造成的损害。

（5）调试检修方便

激光对射系统采用配套的激光定位仪进行调试，室内调试精度为毫米级，室外调试精度为厘米级，可以在任何时间、环境下准确快捷地指导调试。激光报警系统在调整检修时光斑位置清晰确定，因此发射器工作是否正常、传播途中是否有物体遮挡、在何处遮挡、转折和接收处光束偏离中心的方向和位置，都有定位仪准确指示。与只能在接收目标处显示是否对正中心的红外线探测器相比，激光报警系统显然要方便得多。

3 激光对射在周界安防系统中应用时的抗干扰研究

是否具有较强的抗干扰能力是决定一个报警系统是否能稳定运行的重要因素。激光对射探测装置在报警系统中处于最前端，是触发报警的信号源，因此激光对射探测装置的抗干扰能力在保证整个报警系统的稳定运行上起着举足轻重的作用。

3.1 阳光的干扰

当与防范波束波长相同的（自然或人工）光线照射到接收端时，便会对激光对射探测装置造成干扰。阳光中包含了激光入侵探测器和主动红外入侵探测器所使用的光谱成分，当阳光直射到这些探测器的接收器时，会造成干扰而引发误报警。

为了防止阳光直接照射到接收器造成干扰，出现了同时在两端配置发射器和接收器的编码调制主动红外入侵探测器（互射式）。从理论上讲，这种产品对于抗御只是单一方向短时间直接照射接收阳光的干扰具有一定的作用。但是，在实际应用中，经常出现多对同类探测器集中安装使用的情况，由于同类探测器发射的红外线波长相同，实际使用的效果反而是增加了相同波长的长时间干扰源，从而引发其他问题。

大气成分对红外辐射的吸收作用，一方面减弱了相应波长的阳光辐射强度，但另一方面也影响了较远距离上工作的红外与激光系统的辐射功率的传输。在激光制导、激光测距、激光或红外跟踪等系统的设计中，应该考虑使工作波长尽可能避开大气吸收峰，而位于两个吸收峰之间的大气窗口以内，以提高激光功率传输的效率，为远距离工作提供便利。从某种意义上说，在大气吸收峰所在波长上的激光近程探测系统受到的阳光背景的干扰可能更小些。但是，阳光对于激光和红外系统无疑是一个强干扰源，系统设计中应采取有效措施加以抑制。这些措施包括光学系统光路角、视场角的合理设计，信号处理电路中频响的设计等。具体措施如下：

（1）采用窄带滤光片。

（2）在激光对射外壳上加装遮阳盖。

（3）激光对射系统的发射端与接收端中，发射端受太阳光的影响比较大，应尽量背光安装，具体的原则如下：

◆ 当围界防区为南北方向时，发射端安装在北侧，接收端安装在南侧；

◆ 当围界防区为东西方向时，由于上午阳光比下午要强，所以发射端安装在东侧，接收端安装在西侧；

◆ 当围界防区为非正南正北方向时，发射端安装在北侧，接收端安装在南侧。

3.2 飞鸟等引起的误报

机场周界所处的位置一般为城市郊区，为大量飞鸟等禽类动物的栖息地。由于阻挡任何一束激光，都会引发激光对射系统报警，所以由禽类动物的飞行造成遮挡对激光对射系统的稳定性有很大影响。

要解决此类误报问题，只能从报警延时的长短上着手。鸟的飞行速度一般很快，且一般不会停在一个地方不动，所以飞鸟穿过激光光束的时间很短。当激光被阻挡较短的时间时，系统可以判断为飞鸟飞过，不对报警进行输出；如果飞鸟体积不大的话，是不会把激光全部阻挡，同样不会引起报警，这样就提高了系统的稳定性。

（1）阻挡报警时间最小限度可以这样确定：鸟的身体宽度最大约为8cm，飞行速度100km/h，因此鸟通过激光束的时间约为3ms。

可将激光恢复时间设定为1～2s（对此值的设定没有规范要求，1～2s为经验值）。当两个人或两件物体依次通过激光射线时，如果间隔时间超过激光恢复时间设定值，则系统将其判断为2次不同的报警；如果小于设定值，则判断为同一次报警。这样的设计有利于减少系统误报。

（2）阻挡报警时间最大限度应能保证一般的人无法通过激光束而不引发报警。

假定人的身体的厚度为20cm，人的移动速度1m/s（双层周界的设计令入侵者无法助跑），则人穿过激光所需要的时间为200ms。

（3）按以上结果，计算出上下两束激光束的阻挡时间如下：

当下束光的全部阻挡时间超过500ms时，激光对射控制系统输出报警。

当上束光的全部阻挡时间超过100ms时，激光对射控制系统输出报警。

3.3 相邻激光对射装置之间的干扰

在距离较长的机场周界上连续安装几对激光对射装置时会出现相互干扰的情况，由于发射端发出的激光束可以传得很远，且随着距离的变远，光束所占的面积也呈线性增加。因此，有可能出现本对激光对射被阻挡，但可以接收到邻对激光对射发射端所发出的激光，因而造成漏报的情况，如图1所示。

图1 相邻激光对射装置之间相互干扰的示意图

为了解决此问题，可以对相邻激光对射装置所发射的激光频率进行调整，使之不同。如图2所示，在接收板的检测程序中对接收到的激光束进行频率检测，若含有本对激光发射端发射的正确频率光束便不报警，若接收不到正确频率激光束则输出报警信号，这样就可以避免此类问题的出现。

图2 相邻激光对射装置之间相互干扰的解决方法的示意图

3.4 报警信号的传输中的干扰

3.4.1 信号传输中的干扰的来源

周界上的电源线一般采用地埋方式，控制线离电源线较近，所以若不对信号线采取防护措施的话，信号肯定会受到电源带来可变磁场的干扰。夏季的雷电会产生强大的快速瞬变电磁场，其通过接地电阻耦合或感应耦合方式侵入系统的电源或控制电路中，也会造成干扰。另外，无线电广播、电视、雷达和移动通信也能通过围界中的激光设备及线路干扰信号传输。

地电流干扰是接地系统混乱时的干扰。接地系统一般包括信号回路地、屏蔽地、本质安全地和保护地。接地系统的混乱对激光对射系统造成干扰的主要原因是大地电势分布不均。由于实际的大地电阻不为零，因此当大地中流过电流时，大地各点上就会产生不同电位，因此造成不同接地点间出现电位差，产生环路电流。

系统的正常供电电源均由电网提供。电网覆盖范围广，因此将遭受所有电磁波的干扰而在线路上感应电压和电流，而电网内部的变化，都将通过输电线路传至激光对射系统，造成干扰。

内部干扰主要由系统内部元件及电路间相互的电磁辐射产生。

3.4.2 抗干扰措施

抗干扰措施应从积极设法消除干扰的来源或在可能范围内把干扰的影响减弱到最小程度，主要分为以下两种方法：

（1）隔离、屏蔽

屏蔽即用金属导体将被屏蔽的元件、信号线包围起来。例如，采用镀锌钢管做为信号线槽敷设的管路，可以消除磁场和静电场的干扰；同时做好保护套管接地，可使静电感应完全消失，如图3所示。另外，在信号线敷设时应考虑尽量避开干扰源，若电源线与信号线一样沿机场周界敷设，则两者在敷设时须保持一定的距离（如表2所示），且在交叉敷设时做成直角。

图3 控制线路屏蔽措施示意图

（2）绞合

干扰电压的大小，除与交变磁场和电场的强度有关外，还与磁场穿过信号线回路的面积有关。选用绞合信号线能缩小信号线回路所包围的面积，而且由于两根信号线与干扰线的距离大致相等，分布电容也大致相等，因而能够使输入端呈现的干扰电压相应地减小，消除静电感应。对于低电平（热电阻、热电偶、电磁流量计、涡轮流量计）的信号线来说，在有磁场干扰存在的环境中，采用屏蔽绞合线能起到很好的抑制干扰作用。

表2 平行敷设的控制电缆与电力电缆的最小间距表

4 结束语

随着社会的发展，人们对安全的要求越来越高，经济全球化又进一步提高了人们出行的频率，航空的飞速发展拉近了地球上任意两点的距离，机场的安全正日益为人们所重视。因此，建立一套稳定、高效的周界安防系统已成为机场发展的首要任务。使用激光技术作为前端探测手段，是机场周界安防系统高可靠性的解决方案。

1 范保军.浅谈工程设计中的抗干扰措施.微计算机信息，2003，（7）：27-28

2 邱亮南.试论主动红外与激光入侵探测器.中国安防，2008，（3）：58-62

3 朱良.户外周界传感技术—周界防入侵系统的眼睛和耳朵.中国安防，2008，（3）：39-41，47