CN105046860B - 一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统和方法，所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统包括：红外发射模块，红外接收模块，信号处理模块和报警模块。本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统利用多普勒效应，通过判断相对运动的方法确定侵入行为。由自然环境变化(温度、湿度、光照)对红外光波的物理影响并不能对相对运动产生干扰，且由于红外光波的辐射范围较大，保证了探测距离与探测角度。因此，本发明解决了传统主动红外、被动红外、微波、超声波等入侵探测器受自然环境影响较大，易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

Description

一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统和方法

技术领域

本实发明涉及电子检测技术领域，尤其涉及一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统和方法。

背景技术

安全防范系统涉及军队、银行、博物馆、工矿企业、家庭等多个领域，入侵探测器则是该系统的主要装置。

目前，国内外普遍使用的入侵探测安全报警装置有主动红外、被动红外、超声波、微波、以及由被动红外与微波组成的双鉴复合入侵探测器等。

上述入侵探测器由于技术上固有的缺陷，从而限制了使用环境，使得其有局限性，例如被动式红外探测装置，其探测方法为检测某个防范空间内人体的热辐射，由于人体表面温度与周围环境温度存在差别，所以在人体移动时，这种差别产生的变化可以通过红外敏感元件来检测到，从而触发报警器。被动式红外探测方法容易受各种热源、自然光源干扰，当环境温度和人体温度接近时，被动式红外探测装置的探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失效。主动式红外探测装置由红外发射机与接收机组成，当发射机与接收机之间的红外脉冲光束被阻断或遮挡时产生报警信号，主动式红外报警装置报警准确率极易受自然环境影响(光照、风沙、下雨)及及安装条件的限制。微波探测器信号的收发稳定可靠，但是微波由于穿透性强，易受外界干扰，且微波探测角度相应较小，一般小于45度角。双鉴复合入侵探测器实质上是将红外探测装置与微波探测装置结合起来应用，并没有从根本上解决这两种探测装置的局限性。

可见，现在使用的入侵探测报警技术存在受自然环境影响较大、易被干扰、误报率高以及漏报等技术上的固有缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统和方法，以解决上述问题。

所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，包括：

红外发射模块，所述红外发射模块用于向检测区域发射红外光波信号；

红外接收模块，所述红外接收模块用于接收所述检测区域内的红外光波信号，并将所述红外光波信号转换为初始信号；

信号处理模块，所述信号处理模块与所述红外接收模块相连，用于接收所述初始信号，并对所述初始信号进行处理，产生采样电压；

报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块相连，用于接收所述采样电压，并对所述采样电压进行放大，将放大后的采样电压与基准电压进行比较，在所述采样电压大于基准电压时，报警。

所述利用光波多普勒效应的入侵探测方法，包括：

向检测区域发射红外光波信号；

接收所述检测区域内的红外光波信号；

将所述红外光波信号转换为初始信号；

对所述初始信号进行处理，产生采样电压；

对所述采样电压进行放大；

将放大后的采样电压与基准电压进行比较，

在所述采样电压大于基准电压时，报警。

在上述技术方案中，本发明提供的利用光波多普勒效应的入侵探测系统，包括：红外发射模块，红外接收模块，信号处理模块和报警模块。

红外发射模块向检测区域内发射红外光波信号，同时通过红外接收模块接收检测区域内的红外光波信号并转换为初始信号。信号处理模块对所述初始号进行处理产生采样电压，即当检测区域内未出现人员侵入情况时，由于未出现物体相对于红外光波的相对运动，因此没有多普勒频移，红外接收模块接收的红外光波信号比较稳定，转换产生的初始信号相应比较稳定，经信号处理模块处理后生成的采样电压为固定初始值，不进行报警响应；当检测区域内有人员侵入情况时，由于入侵人员与发射的红外光波形成相对运动而导致多普勒频移的出现，使得红外接收模块处理后的初始信号发生同步的变化，信号处理模块处理后生成的采样电压为同步变化值。报警模块接收所述采样电压后，对所述采样电压进行放大、比较，若所述采样电压大于基准电压，则报警。

本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统利用多普勒效应，通过判断相对运动的方法确定侵入行为。由自然环境变化(温度、湿度、光照)对红外光波的物理影响并不能对相对运动产生干扰，且由于红外光波的辐射范围较大，保证了探测距离与探测角度。因此，本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统解决了传统主动红外、被动红外、微波、超声波等入侵探测器受自然环境影响较大，易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统示意图；

图2为本发明提供的信号处理模块示意图；

图3为本发明提供的动态误差运算电路示意图。

图中：R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻，R5、第五电阻，OA1、第一运算放大器，OA2、第二运算放大器，OA3、第三运算放大器，OA4、第四运算放大器，C、接地电容。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现在使用的入侵探测报警技术普遍存在受自然环境影响较大、易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

经发明人研究发现，应用光波多普勒效应原理，通过判断是否存在多普勒频移而确定是否有人员侵入，可以避免传统红外入侵探测方法易被干扰、受自然环境影响较大、误报率高的缺点。同时，选用红外光波作为探测信号，可以解决了传统微波入侵探测方法易被干扰与探测范围局限性问题。

基于此，本发明实施例公开了一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统，如图1所示，所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，包括：

红外发射模块，所述红外发射模块用于向检测区域发射红外光波信号；

红外接收模块，所述红外接收模块用于接收所述检测区域内的红外光波信号，并将所述红外光波信号转换为初始信号；

信号处理模块，所述信号处理模块与所述红外接收模块相连，用于接收所述初始信号，并对所述初始信号进行处理，产生采样电压；

报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块相连，用于接收所述采样电压，并对所述采样电压进行放大，将放大后的采样电压与基准电压进行比较，在所述采样电压大于基准电压时，报警。

在本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统工作的时候，红外发射模块向检测区域内发射红外光波信号，同时通过红外接收模块接收检测区域内的红外光波信号并转换为初始信号。信号处理模块对所述初始号进行处理产生采样电压，即当检测区域内未出现人员侵入情况时，由于未出现物体相对于红外光波的相对运动，因此没有多普勒频移，红外接收模块接收的红外光波信号比较稳定，转换产生的初始信号相应比较稳定，经信号处理模块处理后生成的采样电压为固定初始值，不进行报警响应；当检测区域内有人员侵入情况时，由于入侵人员与发射的红外光波形成相对运动而导致多普勒频移的出现，使得红外接收模块处理后的初始信号发生同步的变化，信号处理模块处理后生成的采样电压为同步变化值。报警模块接收所述采样电压后，对所述采样电压进行放大、比较，若所述采样电压大于基准电压，则报警。

本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统利用多普勒效应，通过判断相对运动的方法确定侵入行为。由自然环境变化(温度、湿度、光照)对红外光波的物理影响并不能对相对运动产生干扰，且由于红外光波的辐射范围较大，保证了探测距离与探测角度。因此，本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统解决了传统主动红外、被动红外、微波、超声波等入侵探测器受自然环境影响较大，易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

其中，所述红外发射模块，包括：

红外发射二极管，所述红外发射二极管用于发射红外光波信号；

振荡电路，所述振荡电路与所述红外发射二极管相连，用于固定所述红外光波信号的发射频率。

所述红外接收模块，包括：

红外接收二极管，所述红外接收二极管用于接收所述检测区域内的红外光波信号；

光电转换电路，所述光电转换电路与所述红外接收二极管相连，用于将所述红外光波信号转换为初始信号。

如图2所示，所述信号处理模块，包括：

带通滤波器，所述带通滤波器与所述红外接收模块相连，用于接收所述初始信号，并滤除特定频率范围外的初始信号，获得特定频率初始信号。进一步的，所述带通滤波器，包括：低通滤波器，所述低通滤波器具体与所述光电转换电路相连，用于滤除高于特定频率范围的初始信号；高通滤波器，所述高通滤波器与所述低通滤波器相连，用于滤除低于特定频率范围的初始信号。带通滤波器中的低通滤波器和高通滤波器滤除了高于特定频率范围和低于特定频率范围的初始信号，从而获得特定频率初始信号。

信号提取模块，所述信号提取模块与所述带通滤波器相连，用于接收所述特定频率初始信号，并将所述特定频率初始信号进行放大、检波，获得多普勒频移信号。由于经过带通滤波器输出给信号提取模块的信号非常微小，若不进行放大后面电路无法进行报警信号采样，因此必须先将信号进行放大。所以，进一步的，所述信号提取模块包括：信号放大电路，所述信号放大电路与所述带通滤波器中的高通滤波器相连，用于接收所述特定频率初始信号并对所述特定频率初始信号进行放大；检波电路，所述检波电路与所述信号放大电路相连，用于将放大后的特定频率初始信号转化为多普勒频移信号。

低通滤波器，所述低通滤波器与所述信号提取模块相连，用于接收所述多普勒频移信号，并对所述多普勒频移信号进行滤波处理。信号经过检波电路检波之后输出的是多普勒频移信号，而此多普勒频移信号还带有一些与其频率相近的干扰信号，干扰信号频率略高于所述多普勒频移信号频率，因此本发明实施例需要用低通滤波器滤除高于电压信号频率的干扰信号。

信号采样模块，所述信号采样模块与所述低通滤波器相连，用于接收滤波处理后的多普勒频移信号，并采集滤波处理后的多普勒频移信号的变化，对滤波处理后的多普勒频移信号的变化进行绝对值采样，获得采样电压。进一步的，所述信号采样模块，包括：动态误差运算电路，所述动态误差运算电路用于采集滤波处理后的多普勒频移信号的变化；绝对值放大电路，所述绝对值放大电路与所述动态误差运算电路相连，用于对所述多普勒频移信号的变化进行绝对值采样，形成采样电压。

所述动态误差运算电路可以采集到多普勒频移信号的变化，即当检测区域内没有物体移动时，红外接收模块接收的红外光波信号比较稳定，在理想状态下，所述动态误差运算电路输出的电压是一固定初始值；当检测区域内有物体移动时，由于入侵人员与发射的红外光波形成相对运动而导致多普勒频移的出现，所述动态误差运算电路根据物体的移动情况输出的是正电压或者负电压(多普勒频移信号的变化)。然后，绝对值放大电路对多普勒频移信号的变化处理，获得多普勒频移信号的变化量，即正负电压输出给绝对值放大电路都会变成正电压。

所谓多普勒效应是当观测者与声音，光和无线电波等振动源以一定的相对速度产生相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率会有所不同。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度成正比，与振动的频率成反比。因此，可利用光波的这一特性进行人员的入侵探测。根据多普勒效应原理，所述动态误差运算电路通过采集多普勒频移信号的变化还可以提取物体移动速度，物体移动的越快，多普勒频移信号的变化越强、变化幅度越快；物体离所述红外接收模块越近，所述多普勒频移信号的变化幅度越强。本发明便是利用特定的红外发射模块向被检测区域发射红外光波，利用与之匹配的红外接收模块接收信号，当检测区域有人员侵入时，由于人员与红外发射模块发出的红外光波存在相对运动，而必然导致光波多普勒频移的出现，通过红外接收模块的相干处理可准确判断出检测区域是否有人员入侵，进而做出报警处理。

如图3所示，所述动态误差运算电路，包括：

第一电阻R1，所述第一电阻R1的一端与所述低通滤波器的输出端相连；

第一运算放大器OA1，所述第一运算放大器OA1的反相输入端与所述第一电阻R1的另一端相连，所述第一运算放大器OA1的同相输入端接地；

第二电阻R2，所述第二电阻R2的一端与所述第一运算放大器OA1的反相输入端相连，所述第二电阻R2的另一端与所述第一运算放大器OA1的输出端相连；

第三电阻R3，所述第三电阻R3的一端与所述第一运算放大器OA1的输出端相连；

第二运算放大器OA2，所述第二运算放大器OA2的同相输入端与所述低通滤波器的输出端相连，所述第二运算放大器OA2的反相输入端与所述第二运算放大器OA2的输出端相连；

第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端与所述第二运算放大器OA2的输出端相连；

接地电容C，所述接地电容C的一端与所述第四电阻R4的另一端相连，所述接地电容C的另一端接地；

第三运算放大器OA3，所述第三运算放大器OA3的同相输入端与所述第四电阻R4的另一端相连，所述第三运算放大器OA3的反相输入端与所述第三运算放大器OA3的输出端相连；

第五电阻R5，所述第五电阻R5的一端与所述第三运算放大器OA3的输出端相连，所述第五电阻R5的另一端与所述第三电阻R3的另一端相连；

第四运算放大器OA4，所述第四运算放大器OA4的同相输入端与所述第五电阻R5的另一端相连，所述第四运算放大器OA4的反相输入端接地，所述第四运算放大器OA4的输出端与所述绝对值放大电路相连。

第一电阻R1、第二电阻R2和第一运算放大器OA1组成第一电路，第二运算放大器OA2的反相输入端和输出端连接构成第二电路，第三运算放大器OA3的反相输入端和输出端连接构成第三电路。多普勒频移信号一路经由第一电路和第三电阻R3输出，另一路经由第二电路、第四电阻R4、接地电容C与第三电路、第五电阻输出。第一电路实现了多普勒频移信号的反向输出功能；第二电路与第三电路为射随电路，实现了增大输入多普勒频移信号功率的功能，其输出电压与输入电压相位相同，经第五电阻R5输出的多普勒频移信号与第三电阻R3输出的多普勒频移信号进行误差值运算后输入给第四运算放大器OA4的正相输入端，并进行输出。接地电容C起到充电延时、电压信号存储功能。

所述报警模块，包括：

信号放大电路，所述信号放大电路用于接收所述采样电压，并对所述采样电压进行放大。所述信号放大电路是将绝对值放大电路输出的电压采样信号再次放大，从而与比较电路中基准电压进行比较，起到报警判断的作用。

比较电路，所述比较电路与所述信号放大电路相连，用于将放大后的采样电压与基准电压进行比较，在所述采样电压大于基准电压时，产生报警信号。若所述采样电压小于基准电压，则说明没有能够影响红外光频率实质变化的入侵物体存在，在安全范围内，所述比较电路不产生报警信号，而是准备下一周期的比较。

报警器，所述报警器与所述比较电路相连，用于接收所述报警信号，并报警。所述报警器为声报警器，或，光报警器，或，震动报警器等。

本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统利用多普勒效应，通过判断相对运动的方法确定侵入行为。由自然环境变化(温度、湿度、光照)对红外光波的物理影响并不能对相对运动产生干扰，且由于红外光波的辐射范围较大，保证了探测距离与探测角度。因此，本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测系统解决了传统红外、微波、超声波等入侵探测器受自然环境影响较大、易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

本发明另一实施例还公开了一种利用光波多普勒效应的入侵探测方法，该方法包括：

向检测区域发射红外光波信号。当检测区域内未出现人员侵入情况时，红外光波信号比较稳定；当检测区域内出现人员侵入情况时，由于入侵人员与红外光波形成相对运动而导致多普勒频移的出现。

接收所述检测区域内的红外光波信号。

将所述红外光波信号转换为初始信号。当检测区域内未出现人员侵入情况时，红外光波信号比较稳定，则所述初始信号也比较稳定；当检测区域内出现人员侵入情况时，由于入侵人员与红外光波形成相对运动而导致多普勒频移的出现，此时所述初始信号会出现波动。

对所述初始信号进行处理，产生采样电压。所述对所述初始信号进行处理，产生采样电压的过程，包括：滤除特定频率范围外(高于特定频率范围和低于特定频率)的初始信号，获得特定频率初始信号；将所述特定频率初始信号进行放大、检波，获得多普勒频移信号；对所述多普勒频移信号进行滤波处理，由于所述多普勒频移信号还带有一些与其频率相近的干扰信号，干扰信号频率略高于所述多普勒频移信号频率，因此本发明实施例需要滤除高于电压信号频率的干扰信号；采集滤波处理后的多普勒频移信号的变化；对所述多普勒频移信号的变化进行绝对值采样，获得采样电压。当检测区域内未出现人员侵入，所述初始信号比较稳定时，产生的采样电压为一固定初始值；当检测区域内出现人员侵入情况时，所述初始信号会出现波动，经过对所述初始信号进行处理，采集到在固定初始值电压基准上的多普勒频移信号的变化，并获得为某一正值的采样电压。

对所述采样电压进行放大。由于所述采样电压经过多次滤波处理，其信号强度较小，因此需要对所述采样电压进行放大处理。

将放大后的采样电压与基准电压进行比较，在所述采样电压大于基准电压时，报警。若所述采样电压小于基准电压，则说明没有能够影响红外光频率实质变化的入侵物体存在，在安全范围内，不产生报警信号，而是准备下一周期的比较。如果所述采样电压大于基准电压时，说明有能够影响红外光频率实质变化的入侵物体存在，产生报警信号，会触发报警行为。

本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测方法利用多普勒效应，通过判断相对运动的方法确定侵入行为。由自然环境变化(温度、湿度、光照)对红外光波的物理影响并不能对相对运动产生干扰，且由于红外光波的辐射范围较大，保证了探测距离与探测角度。因此，本发明所公开的利用光波多普勒效应的入侵探测方法解决了传统主动红外、被动红外、微波、超声波等入侵探测器受自然环境影响较大，易被干扰、误报率高以及漏报等问题。

以上对本发明所提供在利用光波多普勒效应的入侵探测系统和利用光波多普勒效应的入侵探测方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，包括：

红外发射模块，所述红外发射模块用于向检测区域发射红外光波信号；红外接收模块，所述红外接收模块用于接收所述检测区域内的红外光波信号，并将所述红外光波信号转换为初始信号；

信号处理模块，所述信号处理模块与所述红外接收模块相连，用于接收所述初始信号，并对所述初始信号进行处理，产生采样电压；

报警模块，所述报警模块与所述信号处理模块相连，用于接收所述采样电压并对所述采样电压进行放大，将放大后的采样电压与基准电压进行比较，在所述采样电压大于基准电压时，报警；

所述信号处理模块，包括：

带通滤波器，所述带通滤波器与所述红外接收模块相连，用于接收所述初始信号，并滤除特定频率范围外的初始信号，获得特定频率初始信号；

信号提取模块，所述信号提取模块与所述带通滤波器相连，用于接收所述特定频率初始信号，并将所述特定频率初始信号进行放大、检波，获得多普勒频移信号；低通滤波器，所述低通滤波器与所述信号提取模块相连，用于接收所述多普勒频移信号，并对所述多普勒频移信号进行滤波处理；

信号采样模块，所述信号采样模块与所述低通滤波器相连，用于接收滤波处理后的多普勒频移信号，并采集滤波处理后的多普勒频移信号的变化，对所述多普勒频移信号的变化进行绝对值采样，获得采样电压；

所述信号采样模块，包括：动态误差运算电路，所述动态误差运算电路用于采集滤波处理后多普勒频移信号的变化；

绝对值放大电路，所述绝对值放大电路与所述动态误差运算电路相连，用于对所述多普勒频移信号的变化进行绝对值采样，形成采样电压。

2.根据权利要求1所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述红外发射模块包括：

红外发射二极管，所述红外发射二极管用于发射红外光波信号；振荡电路，所述振荡电路与所述红外发射二极管相连，用于固定所述红外光波信号的发射频率。

3.根据权利要求1所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述红外接收模块包括：

红外接收二极管，所述红外接收二极管用于接收所述检测区域内的红外光波信号；

光电转换电路，所述光电转换电路与所述红外接收二极管相连，用于将所述红外光波信号转换为初始信号。

4.根据权利要求3所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述带通滤波器，包括：低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除高于特定频率范围的初始信号；

高通滤波器，所述高通滤波器与所述低通滤波器相连，用于滤除低于特定频率范围的初始信号。

5.根据权利要求3所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述信号提取模块，包括：

信号放大电路，所述信号放大电路用于对所述特定频率初始信号进行放大；

检波电路，所述检波电路与所述信号放大电路相连，用于将放大后的特定频率初始信号转化为多普勒频移信号。

6.根据权利要求5所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述动态误差运算电路，包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述低通滤波器的输出端相连；

第一运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一电阻的另一端相连，

所述第一运算放大器的同相输入端接地；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第一运算放大器的反相输入端相连，所述第二电阻的另一端与所述第一运算放大器的输出端相连；

第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第一运算放大器的输出端相连；

第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端与所述低通滤波器的输出端相连，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端相连；

第四电阻，所述第四电阻的一端与所述第二运算放大器的输出端相连；

接地电容，所述接地电容的一端与所述第四电阻的另一端相连，所述接地电容的另一端接地；

第三运算放大器，所述第三运算放大器的同相输入端与所述第四电阻的另一端相连，所述第三运算放大器的反相输入端与所述第三运算放大器的输出端相连；

第五电阻，所述第五电阻的一端与所述第三运算放大器的输出端相连，所述第五电阻的另一端与所述第三电阻的另一端相连；

第四运算放大器，所述第四运算放大器的同相输入端与所述第五电阻的另一端相连，所述第四运算放大器的反相输入端接地，所述第四运算放大器的输出端与所述绝对值放大电路相连。

7.根据权利要求1所述利用光波多普勒效应的入侵探测系统，其特征在于，所述报警模块，包括：

信号放大电路，所述信号放大电路用于接收所述采样电压，并对所述采样电压进行放大；

比较电路，所述比较电路与所述信号放大电路相连，用于将放大后的采样电压与基准电压进行比较，并在所述采样电压大于基准电压时，产生报警信号；

报警器，所述报警器与所述比较电路相连，用于接收所述报警信号，并报警。