CN102005097A - 一种红外激光周界防范方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光高脉冲脉冲飞行时间距离测量的红外周界防护方法，该方法包含一采用红外激光雷达技术的前端探测系统，该系统由激光发射系统，激光接收系统，数据处理和控制系统，数据传输系统等子系统组成。本发明中的探测器采用一种发射、接收一体化设计，依靠目标的反射来识别，该探测有一定的激光发射角度，采取激光雷达的光波发射方式，当目标闯入时，激光警戒传感器能够直接测量、输出闯入者的位置，在警戒区域内设置目标识别算法，根据目标的穿越情况计算出目标的大小和速度，从而消除各种干扰误报，两台结合交错安装输出宽带状的光柱，形成严密的防护光带，具有比较强的防护可靠性。

Description

一种红外激光周界防范方法

技术领域：

本发明涉及一种利用光飞行时间测量的高脉冲激光测距技术，尤其是一种红外激光周界防护方法。

背景技术：

现代反恐斗争中的高技术应用彻底改变了传统安全警戒的许多概念，并进一步引起了安全防范系统的重大改变。现代反恐斗争及保安工作要求在提高安保人员战斗技能的同时，还要提前发现意外情况发生的位置，以便及时投入力量终止犯罪，抑制威胁事件的发生。

在一些重要的区域，为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些(如铁栅栏、围墙、钢丝篱笆网等)屏障或阻挡物，安排人员加强巡逻，人力防范往往受时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，亦难免出现漏洞和失误。在目前犯罪分子利用先进的科学技术，犯罪手段更加复杂化、智能化的情况下，传统的防范手段已难以适应要害部门、重点单位安全保卫工作的需要。

多年来，传统的周界安防解决方案(红外对射方案、视频监控方案、微波对射方案、泄漏电缆方案、振动电缆方案、电子围栏、电网等)为社会平安保障做出了应有贡献，但受一些客观技术条件等因素所限，还存在着一些共性或个性不足，具体如下：

当前周界安防中，主动红外周界防范是一种普遍使用的手段。主动红外入侵探测工作时，发射端发出红外光束，与它相对的接收端收到红外光束以后即处于警戒状态，当光束全部被遮挡时，探测器接收端即发出报警信号给报警主机。但主动红外方案，防护等级较低，防护距离较短，光束截面小，对于蓄意侵入者而言，很容易跨越或规避。同时易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制，而且它们不适合恶劣气候，容易受高温、低温、强光、灰尘、雨、雪、雾、霜等自然气候的影响，误报率高；

被动红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测路动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射红外线，利用移动目标(如人、畜、车)自身辐射的红外线进行探测。但这种防护方式误报率较高，在强光和复杂环境下干扰较大，分不清人、小动物和火把等热源，在雨雪天气这种方式将完全失效；

微波入侵探测器的主要缺点是安装要求较高，需要防范的周界具有较好的平直度，易于被环境干扰，如果安装不当，微波信号就会穿透装有许多窗户的墙壁而导致频繁的误报。另一个缺点是它会发出对人体有害的微量能量，因此必须将能量控制在对人体无害的水平。此外，微波报警装置会受到空中交通和国防部门所用的高能量雷达的干扰；

泄露电缆和振动电缆报警属于电缆传感，传感部分都是有源的，系统功耗很大；电子围栏、电网等方案又有一定危害性。上述方案可监测的距离较短，单位距离成本高，在需要进行长距离监测的情况下，系统造价高昂。且传感器单元的寿命较短，长时间连续使用，维护成本较高。

报警器受到的干扰机会增多(电磁干扰、信号干扰、串扰等)，灵敏性下降比较大，误报率、漏报率上升等。对于大范围监控，当前针对以上安防方案上的不足，市场上常采用多传感器敷设或者多种传感方案联用的方式，但是这些方式给安装和信号处理带来了一定的难度。此外以上传统方案本身没有定位功能，无法及时、准确地确定危险地点，无法及时采取制止措施阻止侵入行为。

市面上的主动红外探测器种类繁多，但一般防范立体面狭窄，主要用于围墙警戒防范的双/四光束对射探测方式(参见专利公开文本CN201215677)，以及主要用于户外门窗防范的多光束栅栏式对射探测器(参见专利公开文本CN85202658)，有些如专利通过添加一些反射镜面来提高防范范围和效果(参见专利公开文本CN2886705及CN201315087)。这些类型的探测器虽然对传统主动红外对射方案有所改进，但并没有解决红外对射方案在应用中所面临的最大挑战：防护级别不高，防范立体面狭窄；易受杂物，强光，雨雪天气等影响，误报率高，不能对各种虚警进行有效甄别，严重时防范将完全失效；收发不同端，存在报警同步问题，且易被侵入目标依靠反光镜欺骗性闯入；报警只能按照防区进行划分，不能对闯入位置进行精确定位；对一些人流通道处，不能设定防区和非检测区域，这也限制了红外对射系统的应用。

发明内容：

为了克服传统红外的防护级别不高，易跨越，易受环境影响等缺点和不足，本发明提出了一种全新的红外激光周界防范方法，相对于传统的激光对射红外探测器，本发明利用脉冲飞行时间测量的高脉冲激光测距技术，发射、接收一体化设计，依靠目标的反射来识别，该探测有一定的激光发射角度，采取激光雷达的光波发射方式，当目标闯入时，激光警戒传感器能够直接测量、输出闯入者的位置，并自动进行环境更新，在警戒区域内设置目标识别算法，根据目标的穿越情况计算出目标的大小和速度，从而消除各种干扰误报，两台结合相对安装输出宽带状的光柱，形成严密的防护光带，不存在普通的主动激光中，入侵者利用绕、射手段轻易规避或者跨越。

另外，本发明方法作为一种发射、接收一体化设计，依靠目标的反射来识别，该探测有一定的激光发射角度，采取激光雷达的光波发射方式，当目标闯入时，激光警戒传感器能够直接测量、输出闯入者的位置，在警戒区域内设置目标识别算法，根据目标的穿越情况计算出目标的大小和速度，从而消除各种干扰误报，两台结合交错安装输出宽带状的光柱，形成严密的防护光带，具有比较强的防护可靠性。

本发明方法包含一前端探测器采用红外激光雷达技术的系统，该系统由激光发射系统，激光接收系统，数据处理和控制系统，数据传输系统等子系统组成。

上述激光发射系统包括：905nm窄脉冲激光器，脉冲控制电路，激光发射镜头；

上述激光接收系统包括：接收镜头，905nm窄带滤光片，APD接收器及高压控制电路，信号放大电路，脉冲前沿检出电路；

上述数据处理和控制系统包括：多路A/D转换电路，时间间隔测量模块，闯入目标识别程序，MCU微控处理模块。从而实现校正、信号处理、识别等相关程序；

上述数据传输系统包括：数据输出接口，有线/无线传输模块。

所述激光器发射一定重复频率的超窄激光脉冲，此激光脉冲经过一个分束器，其中一束光在探测器内部被接收用于产生飞行时间的START信号，另一束经过发射镜头准直、整形后以一定角度发射出去，两台结合相对安装输出宽带状的光柱，形成严密的防护光带，当遇到目标闯入或者打到固定目标上时，有一部分脉冲光反射经接收镜头汇聚被接收电路接收，接收信号经过接收电路的滤波、去噪、放大等处理，并通过脉冲前沿检出电路，最终作为STOP信号进入时间间隔测量模块；时间测量模块由MCU微控处理模块控制下得到START和STOP之间的时间差Δt，并在MCU微控处理模块处理得到距离值后把测量距离值和相应的接收光强度信息通过有线或无线传输到控制主机中；控制主机通过多个探测器距离、光强度数据的融合、目标识别和报警判别处理后，确定具体闯入目标的性质，报警位置，同时通过处理连接相关的监控摄像头，报警器等，对闯入信号进行处理。

上述方案中，所述激光器发射出十纳秒级宽度的高重复率脉冲，以一定发散角度发射出去，当光束发射区域遇到有目标物体阻挡时，激光反射回位于激光发射系统同端的激光接收器里，激光脉冲从发射到接收的时间直接反映了前段闯入目标的位置，具体计算公式为：

$S=\frac{\mathrm{C\Δt}}{2}---\left(1\right)$

其中Δt为测得的脉冲飞行时间间隔，C为光速，S即为闯入者距离探测器之间的距离。

如果没有目标闯入时，探测器输出的距离值和光强度都是相对固定的，由于目标的闯入探测到的距离值反映了闯入者的位置，距离值变化时间的长短和光强度变化的强弱直接反映了闯入目标的性质。距离值的计算和控制是在数据处理和控制单元进行处理的，数据处理的速度和精度关系到高脉冲测距的采样速率和目标定位精度。

控制主机通过有线或者无线的方式连接到的前端探测器，控制主机对前端多台探测器传过来的距离值和光强度变化信号进行进一步的数据融合，目标识别和报警判别，确定具体的闯入报警位置，通过处理连接相关的摄像头，报警器等，对闯入信号进行联动处理。

本发明技术方案中所述的激光器为波长905nm的脉冲激光二极管，激光器驱动高压为窄脉冲激光器提供瞬时高压，激光发射和接收镜头的发射、接收立体角一般不小于5mrad，以保证激光束的宽度，从而使闯入者不能轻易跨越进防护区域。APD接收高压、脉冲前沿检出电路、时间间隔测量模块是用来保障探测器的测距精度，MCU控制，信号校正，处理，识别程序可以使探测器维持较低的误报率。

本发明是一种利用激光高脉冲的脉冲飞行时间距离测量红外周界防护方法，其主要优点如下：

1.防护级别高；

该方案探测器采取激光雷达的光波发射方式，有一定的激光发射角度，两台激光探测器之间错位光束配合，可以形成一个闯入者难以跨越的“光带”，可靠性很高，任何目标都不能轻易跨越。

闯入目标识别率高，采用脉冲激光测距技术，发射、接收一体化设计，依靠闯入目标的反射来判断报警，即没有了在传统激光对射阻断探测的传输同步问题，又从探测器所探测的距离值和光强度反馈信号的改变来判断目标闯入情况，不会被闯入目标依靠反光镜进行欺骗性闯入。

根据环境和天气的不同，探测器具有根据周围环境变化自我调整的功能，接收端装有905nm带通滤光片，受外界干扰光的影响较小。

2.防护距离较长，施工安装简单；

由于探测器采取反射信号判别，因此不存在传统主动红外的对准和串扰问题，施工安装简便，一般防护距离可达上百米，且由于脉冲激光能量较低，且光束有一定发散角度，光能量密度较小，因此是人眼安全的。

3.可以输出目标闯入位置，并根据需要设定非检测区域；

由于探测器采用脉冲激光测距技术，目标闯入时，能够实时输出闯入者位置。在门口或者人员流动较大区域，可以根据闯入距离值来设定闯入非报警区域，不仅简化施工，并能配合摄像头，报警器等，迅速对闯入目标进行响应。

4.虚警较小，并可以判断闯入目标性质；

由于宽光束可以对闯入目标的大小，时间等行为特性进行分析，配合光强度信息的改变，可以避免系统误报，并在后端控制主机里进行多台探测器联动处理，判断闯入目标性质或行为特征。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为激光距离探测器结构框图；

图2为红外周界探测器错位对射形成“光柱”示意图；

图3为红外周界防护工作系统示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1为前端激光距离探测器的原理图，激光器发射一定重复频率的超窄激光脉冲，此激光脉冲经过一个分束器，其中一束光在探测器内部被接收用于产生飞行时间的START信号，另一束经过发射透镜准直、整形后以一定角度发射出去，当遇到目标闯入或者打到固定目标上时，有一部分脉冲光反射经接收镜头汇聚被接收电路接收，经过接收电路的滤波、去噪、放大等处理，并通过脉冲前沿检出电路，最终作为STOP信号进入时间测量模块。时间测量模块由MCU控制下得到START和STOP之间的时间差Δt，并在MCU处理得到距离值后把测量距离值和相应的接收光强度信息通过有线或无线传输到控制主机中。控制主机通过多个探测器距离、光强度数据的融合、目标识别和报警判别处理后，确定具体闯入目标的性质，报警位置等，同时通过处理连接相关的监控摄像头，报警器等，对闯入信号进行处理。

图2是两台探测器错位发射形成防护光带的示意图。由图中可以看出，由一定发散角度所形成的“光柱”，不同于传统主动红外的点与点之间的对射，在激光发散角度为10mrad×10mrad的情况下，假设两台探测器共同防护的距离是100米，那么在这100米的范围内将形成一个1米×1米的光柱，闯入者想要绕过或者跨过这一光柱几乎是不可能的。由于两台探测器之间是联动的，所以闯入者在穿过此光柱的过程中，他的体积，速度，甚至轮廓等信息将通过探测器的配合很容易被识别出来，这就为我们剔出虚警，甄别目标带来方便。

图3是具体红外周界防护系统在工作的示意图，在一个4边形的警戒区域内，需要8台探测器就能完成整个区域的周界防护工作，工程安装和系统处理都比较简单。由于探测器能直接输出距离值，因此闯入者如果依靠反光镜进行欺骗性闯入，那么探测器中输出的光强或者距离值将产生变化，产生报警。

在一些人流较多的地方比如门口或者出货通道，我们可以设置一定宽度的非检测区域，当探测器检测出在门口或者出货通道位置有闯入信号时，可以设定不产生报警，而这些设置的非检测区域，可以通过控制主机的软件很容易设定和取消，而不像在传统激光对射方案中必须对同一条防护带进行分段探测处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种红外激光周界防范方法，所述方法包含一前端探测器采用红外激光雷达技术的系统，该系统由激光发射系统，激光接收系统，数据处理和控制系统，数据传输系统等子系统组成；

所述述激光发射系统包括：905nm窄脉冲激光器，脉冲控制电路，激光发射镜头；

所述激光接收系统包括：接收镜头，905nm窄带滤光片，APD接收器及高压控制电路，信号放大电路，脉冲前沿检出电路；

所述数据处理和控制系统包括：多路A/D转换电路，时间间隔测量模块，闯入目标识别程序，MCU微控处理模块；

所述述数据传输系统包括：数据输出接口，有线/无线传输模块；

其特征在于：

所述激光器发射一定重复频率的超窄激光脉冲，此激光脉冲经过一个分束器，其中一束光在探测器内部被接收用于产生飞行时间的START信号，另一束经过发射镜头准直、整形后以一定角度发射出去，两台结合相对安装输出宽带状的光柱，形成严密的防护光带，当遇到目标闯入或者打到固定目标上时，有一部分脉冲光反射经接收镜头汇聚被接收电路接收，接收信号经过接收电路的滤波、去噪、放大等处理，并通过脉冲前沿检出电路，最终作为STOP信号进入时间间隔测量模块；时间测量模块由MCU微控处理模块控制下得到START和STOP之间的时间差Δt，并在MCU微控处理模块处理得到距离值后把测量距离值和相应的接收光强度信息通过有线或无线传输到控制主机中；控制主机通过多个探测器距离、光强度数据的融合、目标识别和报警判别处理后，确定具体闯入目标的性质，报警位置，同时通过处理连接相关的监控摄像头，报警器等，对闯入信号进行处理。

2.根据权利要求1的红外激光周界防范方法，其特征在于，所述激光器发射出十纳秒级宽度的高重复率脉冲，以一定发散角度发射出去，当光束发射区域遇到有目标物体阻挡时，激光反射回位于激光发射系统同端的激光接收器里，激光脉冲从发射到接收的时间直接反映了前段闯入目标的位置。

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