红外报警系统的研究与应用设计（毕业设计论文样本）

序号（学号）：

040640101

长春大学光华学院

毕 业 设 计（论 文）

红外报警系统的研究与应用设计

姓 名 系 别 专 业 班 级 指导教师

李小燕 信息工程系 电子信息工程

G064 陈戈珩（副教授）

2011 年 12 月 24 日

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红外报警系统的研究与应用设计

[摘要] 本设计采用热释电红外—微波双探测技术方法，实现了一种新型光电防盗报警系统，双探测技术是将两种探测技术结合在一起，以“相与”的关系来触发报警。热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温)，将其转换成超低频信号，经电路放大，输出。同时由于微波探测器接收到的回波信号的频率(或相位)发生变化，经过电路处理后转变为电信号输出。两组信号同时到达与门，经判断后，电路将报警信号通过天线发射，可以用接收电路或收音机接收该报警信号。

本设计经实验测试其技术指标为:探测距离不小于10m，微波中心频率 fo = 2000 MHz，能经受25～1000MHz范围内的频率干扰，相距3m处可经承受100W干扰信号。

论文研究了热释电红外探测原理与器件、微波探测原理，介绍了活动目标的探测方法，给出了双探测防盗报警器具体设计方案。并对防盗报警系统性能的实验检测方法及光电防盗报警系统的应用进行了简要的介绍。在光电防盗报警技术方面进行了有意义的研究与探索。

该系统可广泛应用于社会上的重要单位和要害部门，如军事设施、国家的动力系统、通讯系统、仓库、各类银行等等。

[关键词] 红外探测器 辐射场 微波 多普勒效应

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Infrared alarm system of research and application

design

[Abstract] this paper designed a new photoelectric security alarming system. Double detecting technology integrates the two detecting technology, with the relation of \system The infrared radiation (human body temperature) of intruders was sensed by the Hydroelectric infrared sensor and then was changed into ultra low frequency signals. The signals were amplified by the circuit and then been output. At the same time, the frequency (or phase) of echo signals which the microwave detector received was changed. The changes transformed into electric signals and then output after the circuit processing. After judging the two groups of signals which reached the logic product gate at the same time, the circuit launched alarm signal through the antenna. The alarm signals can be received by the accepting circuit or the radio.

The results of the photoelectric security alarming system were measured by experiments, they are: probing range is not smaller than 10m, the microwave center frequency is fo=2000 MHz, this system can stand in the range of 25～1000MHz frequency disturbance, and can withstand 100 W interfering signals in the distance of 3m. The system can be widely used in the important departments of society such as military installation, national power system, communication system, warehouses, and in all kinds of banks,etc.

[Key words] infrared detector radiation field microwave

Doppler effect

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目 录

第1章 绪论 .................................................... 1 1.1 引言 ..................................................... 1 1.2 防盗报警系统的发展状况 ................................... 2 1.3 论文研究的目的和内容 ..................................... 3 第2章 防盗报警器的原理与设计 ................................. 4 2.1 热释电红外探测原理与器件 ................................. 4 2.1.1 热释电效应 .......................................... 4 2.1.2 热释电光敏器件的结构 ................................ 5 2.1.3 多视场菲涅尔光学镜 .................................. 7 2.2 微波探测原理及活动目标的探测方法 ......................... 9

2.2.1 多普勒效应及检测方法 ................................ 9 2.2.2 连续波辐射相干检测法检测活动目标 ................... 12 2.2.3

相干脉冲检测法检测活动目标 ......................... 14

2.3 系统组成框图及工作原理 .................................. 15 2.4 热释电红外探测电路的设计 ................................ 16 2.5 微波多普勒探测电路的设计 ................................ 16 2.6 报警发射和接收电路 ...................................... 17 2.7 报警系统的安装 .......................................... 19 第3章 防盗报警系统性能的实验检测 ............................. 20 3.1 热释电红外探测器件性能的检测 ............................ 20 3.2 微波多普勒探测系统性能的检测 ............................ 24 3.3 系统综合指标测试 ........................................ 28 第4章 红外防盗报警系统的应用 ................................. 29 结 论 ......................................................... 33 致 谢 ......................................................... 34 参考文献 ....................................................... 35

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第1章 绪论

1.1 引言

随着信息技术的普及和发展，尤其是在跨入新千年以后，红外技术得到了迅猛的发展，红外探测技术已渗透到国民经济的各行各业和人们生活的方方面面。在安全防范方面，基于红外探测技术的红外入侵报警器又称红外防盗报警器，作为一种新的技术，它己越来越得到社会各界的重视和广泛应用。红外入侵报警器按其探测手段的不同，可分为被动式、主动式和多技术复合入侵报警器[1]。

被动式红外传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大，处理，它能可靠的将运动着的生物体(人)和飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器[2]，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m;透射式的灵敏度最低，探测距离为2～l0m;折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统的体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。其工作原理为:由多元组合菲涅尔透镜构成一定视场和距离的警戒区，监视警戒区内红外辐射量的变化。当警戒区内无盗贼出现时，红外辐射场处于稳定状态，红外传感器无信号输出。当盗贼出现在警戒区时，红外辐射场发生变化，这种变化立即被经过巧妙设计的多视场组合菲涅尔透镜会聚[3]，敏感的红外传感器接收后迅速将这种变化转为电信号，这种信号经信息处理部分放大、处理后立即输出报警信号，然后通过传输送达监控器，于是发出报警，提示出事发地区。

与被动式红外入侵报警器比较，主动式具有灵敏度高，探测距离远，对气候与气象变化有良好的适应能力等优点，比较适合室外或某些特殊警戒使用。但其不足之处是视场角小，警戒区狭窄，安装比较复杂，价格稍贵。主动式红外入侵报警器也由探测器和监控器两部分组成。将一台红外发射机和接收机组合在一起就可以构成一种简单的非可见光束入侵物探测器或报警系统。上述的主动和被动入侵报警器是利用一种传感或探测方式，即单探测技

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术进行报警的。虽然其结构简单，价格低廉，但由于易受各种因素的影响，如环境温度、震动、光强变化、电磁干扰、小动物活动等的影响，在某些情况下的误报、漏报率会相当高，所以只有采用多种探测技术，才能较好的解决误报率高这一难题。

多技术复合入侵报警器是将两种或两种以上的探测技术结合在一起，以“相与”的关系来触发报警装置，即只有当两种或两种以上探测器同时或相继在短暂时间内都探测到入侵目标时才发出报警信号。在双探测技术的报警器中，以热释电红外一微波双探测技术组合的误报率最低。

1.2 防盗报警系统的发展状况

传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新科技之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点。而基于传感器技术的光电防盗报警系统也得到了高速发展。

最早的非可见光束入侵物探测器，由发射机将一个编码信号馈送到一只IR LED中。此LED的输出聚焦成一束很窄的光束，并使其对准远距离放置的接收机中一只匹配的IR光敏探测器。整个系统的工作是这样的:当光束到达接收机时，接收机的输出就处于“关”的状态，但是如果光束被人、动物或物体所遮断时，接收机的输出就开启并触发外部报警器、计数器或继电器。此系统是以针尖视线的原理来工作的，它可以被任何一个进入到发射机与接收机透镜之间瞄准直线上的大于针尖的物体所触发。因此，这种简单系统的一个弱点就是它可能被一只飞入光束或落在某一透镜上的苍蝇或飞蛾之类的昆虫所触，所以误报的可能性非常大，后来改用双光束系统，随后又出现了基于被动式红外传感技术的被动式红外入侵报警器，被动式红外传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大，处理，再利用电路输出报警信号，它能可靠的将运动着的生物体(人)和飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

但是上述两种类型的光电防盗报警装置都有很高的误报率，而多技术复合入侵报警器误报率则很低，表1.1列出了几种单探测技术和双探测技术报警器误报率比较:

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表1.1 不同探测技术报警器误报率比较

报警器 单探测技术报警器 双探测技术报警器 报警器声波报超声波微波报热释电超声波种类 警器 报警器 警器 红外报－热释超声波热释电警器 电红外－微波 红外－报警器 微波 误报率可信度 80%～90%最低 40%～58%中等 1%最高 从表1.1可以看出在双探测技术的报警器中，以热释电红外一微波双探测技术组合的误报率最低。其工作原理为：热释电红外探测技术对警戒区内的红外辐射场变化反应灵敏，而微波对运动物体移动时产生的多普勒效应极其敏感，两种探测器的反应通过电路表现出来进而产生报警。

除双探测技术报警产品外，目前三探测技术和四探测技术的复合报警器均有产品上市。例如英国的帕朗尼斯四探测技术报警器，它包括微波、红外、IFT及微波监控等技术。其本质是热释电红外一微波双探测技术的发展和完善。

1.3 论文研究的目的和内容

红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛应用。由于它不是可见光，因此用来制作防盗报警系统，具有良好的隐蔽性，白天和夜里都能用，而且抗干扰能力强，这种报警装置可广泛用于博物馆、单位要害部门和家庭的防护。本设计的目的是通过对现有防盗报警装置优缺点的研究，进行改进和优化，研制出一种新型的红外防盗报警系统，比传统的光电防盗报警系统的误报率低，抗干扰能力强[4]。

在查阅了一些相关的国内外文献后，确定了基于热释电红外—微波双探测技术的防盗报警系统的可行性，设计研制了热释电红外－微波双探测技术的新型光电防盗报警系统，双探测技术是将两种探测技术结合在一起，以“相与”的关系来触发报警。热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温)，将其转换成超低频信号，经电路放大，输出。同时由于微波探测器接收到的回波信号的频率(或相位)发生变化，经过电路处理后转变为电信号，输出。两组信号同时到达与门，经判断，再将报警信号通过天线发射出，可以用接收电路或收音机接收报警信号。最后本文对热释电红外探测器件性能、微波多普勒探测系统性能进行了检测，分析了微波多普勒探测系统干扰的来源及进入机器的途径，并对其脉冲干扰、电源干扰等提出了抑制办法。

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第2章 防盗报警器的原理与设计

2.1 热释电红外探测原理与器件

许多非电量能够影响和改变红外光的特性，因此利用红外光敏器件测得红外光的变化就可以确定待测非电量。从这个意义上说，红外光是测量多种非电量的一种媒体。以红外光作为测量媒介体，比起用可见光做媒介体具有以下优点：

(1)红外光不受周围可见光的影响，所以可在同样条件下昼夜测量； (2)只要待测对象自身具有一定温度就会发射红外光，因此不必另备光源；

(3)大气对某特定波长范围的红外光吸收甚少(大气窗口)。 按工作原理分类，红外光敏器件可大体分为量子型和热型两大类。 量子型包括光电导式、光生伏特效应式、肖特基势垒式和光磁电式等。 热型有热电偶式、电阻式、电容式以及热释电式等。热型红外光敏器件只能首先把红外光能转变成器件自身温度的提高(或变化)，然后才能在热电效应作用下产生出相应的电信号。因此，热型红外光敏器件的响应速度比较慢，灵敏度也不及量子型红外光敏器件高，但它具有不需冷却，可在常温下使用，响应红外光谱范围宽和价格便宜等一系列突出优点。

热释电红外传感器因红外线照射(或遮挡)而产生(或失去)热量才有输出，因此，从原理上讲，它和波长没有什么关系但应选用适合于测定波长的滤光器作为窗口材料，以Si为例，把它作为窗口材料，在1μm以上与波长无关。有的窗材只能通过4.1μm附近的光，而有的可通过6.1μm以上的光，等等。使用那种窗材，可确定是那个范围内波长产生的热。

量子型红外线传感器的特点是探测灵敏度高，响应速度快，响应的灵敏度与波长有关，其关系可用红外线具有的能量E和波长λ表示，即为：

E?hc/? （2.1）

式中：h为普朗克常数，h?4.14?10?15(ev?s)?6.625?10?34(J?S)；c为光速，c=3*108(m/s)，与可见光相比，红外光的能量较小。 2.1.1 热释电效应

热释电效应(Hydroelectricity effect)提出较迟。以热释电效应为原理研制红外光敏器件也仅是近20年来的事。

最初发现给电石、水晶或酒石酸钾钠(罗谢耳盐)等晶体加热，其晶体表面会产生自然极化而出现电荷，把这种现象称为热释电效应。后来的深入研

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究发现强电介质钛酸钡BaTi03的热释电效应尤为显著。图2.1是热释电效应产生的基本过程。

1—黑化膜；2、4—电极；3—强电介质

图2.1 热释电效应示意图

在钛酸钡的上、下表面设置电极，并用红外线加热晶体(黑化膜是为了提高吸收红外光效率而设置的)。当吸热温度上升△T时，晶体的原子排列将发生变化，并进而会发生自然极化△PS。但是，因整个晶体力图保持自己的电中型，于是必然在其表面产生△Q的电荷。

表征某材料热释电效应大小的参数称为热释电系数，热释电系数λ表示为：

?Ps?? ???T?或??Q???T??（2.2）

图2.2是钛酸钡热释电系数的基本变化规律。由图可见，在其结晶结构发生急剧变化的居里点(Tc)的自然极化程度大。

图2.2 钛酸钡热释电系数的基本变化规律

2.1.2 热释电光敏器件的结构

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（1） 热释电红外传感器件的结构和封装

(a) TO一5型封装

(b)塑封结构

图2.3 热释电红外传感器件

一般说来，这种传感器件的封装有两种，即TO-5型金属封装和塑料封装，分别如图2.3 (a), (b)所示。

(2)干涉滤光片[5]

对于常温为37℃的人来说，其红外辐射的光谱如图2.4 (a)所示。 为了使热释电红外传感器件辐射到的红外线与红外透射率相结合，同时考虑到对人体外的红外辐射(特别是近红外辐射)干扰进行抑制，在热释电传感元件前加上一个8～14μm的干涉滤光片，它透射过来的光谱如2.4 (b)所示。波长小于8μm的红外线被吸收，只留下对人体敏感的热释红外线光谱。

波长（μm） (a)人体辐射红外光谱图

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(b)红外滤光片通透曲线

图2.4 人体红外辐射和干涉滤光片的通滤光谱

(3)热释电陶瓷元件

这种元件也称热电探测元，它是由高热电系数的钛酸铝系陶瓷等材料构成的。这种强电介质的热电元件能够遥感人体发出的微量红外线，并明显地感觉到其相对温度的变化过程，使探测元的自发极化值发生变化，即产生热—电效应。

有的热释电器件内装两个陶瓷元件，有的器件内装一个陶瓷元件。前者是将两个特性一致的探测元进行串接，以组成差动平衡电路，其目的在于抑制因探测元自身温度变化而产生的干扰。

(4)场效应管匹配器

在热释电传感器的壳内，还装有一个场效应管(FET)和栅极电阻Rg。Rg与探测元并接，它能将探测元表面的极化值或电荷的变化以电信号的形式加至场效应管的栅极。场效应管的作用与驻极体话筒相似，起阻抗变换作用，它的输入阻抗极高，而输出阻抗低。通过场效应管的匹配和放大，在它的源极输出反映外来红外线能量变化的相应幅度的电脉冲。其脉冲频率一般为0.3～5Hz。场效应管的输出阻抗为10～47k?。 2.1.3 多视场菲涅尔光学镜

1.红外作用距离与光学聚焦系统

由于人体辐射出的红外线能量相当弱，因而，只采用热释电红外传感器组装的探测器，其探测距离一般为1～2m。为提高其探测灵敏度，最好在热释电传感器的前面加装一套特殊的光学系统，这就是菲涅尔透镜(Fennel Lens)。

目前，与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式，其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m；透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、

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防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统的体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。

2.红外能量的变化值和菲涅尔镜

热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值并不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射能量变化值的大小。例如，若站在红外传感器近前的是一个纹丝不动的人，传感器就没有反应;而较远地方的人稍移动，红外传感器便迅即有脉冲信号输出。

基于上述的检测原理，在进行光学系统设计时，不仅应把监测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐地觉察出这些红外能量的变化。因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学透镜面进行棱状或柱状处理。两种设计的用意都是在于使被监测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”。当有人从镜前走动时，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进入“盲区”，传至红外传感器的红外线就会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，经转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接收灵敏度，大大提高其探测距离。

图2.5 一种菲涅尔透镜的外形及其安装示意图

图2.5 (a)、(b)分别是一种菲涅尔透镜的外形图及其安装示意图。 3.菲涅尔镜的设计和技术指标

菲涅尔透镜是一种塑料注成的薄镜片，片上有精细的镜面和排列有序的纹理，它是根据对灵敏度和接收角度的要求来设计和制作的，技术精度要求非常高。一片好的透镜必须表面光洁、纹理清晰，厚度在0.65mm左右，对红外光的透过率要高于65%。

下面以Q-6型菲涅尔透镜为例，说明其主要技术指标。 (1)外形尺寸：68mm×38mm； (2)水平角度：120°；

(3)传感器与镜面间的距离：置于聚焦中心处，标准距离为29mm，以便使红外线能量聚焦在探测元上，得到最大的灵敏度。

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实际上，菲涅尔透镜有各种不同的规格，具有不同的几何尺寸和特点，要求聚乙烯薄片和安装外壳应相配，透镜面与传感器之间应保持规定的距离，不同的透镜其距离是不同的。

除上面的Q-6型外，常见的还有Q1A型和Q-8半圆型，一般的菲涅尔透镜的探测距离在10m左右，采用双重反射形式的透镜可达20m以上。

2.2 微波探测原理及活动目标的探测方法

根据微波探测原理的不同，微波探测报警器分为微波多普勒探测器和微波墙式探测器两种。微波多普勒探测器也称雷达式微波探测器。它的工作原理基于微波的多普勒效应。 2.2.1 多普勒效应及检测方法

多普勒效应的提出，是160年前的事。当时光的波动理论己经被普遍接收，但光谱技术的发展还处于初期阶段。1842年5月25日，在布拉格举行的皇家波希米亚学会科学分会会议上，多普勒提交了一篇题为\febrile Licit dear Doppler sterner and ringer adherer Gesture des Hummel\论天体中双星和其他一些星体的彩色光)的论文。在这篇论文中，他提出了由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率的不同的现象，后来称为多普勒效应。

多普勒效应是指当发射信号源与接收者之间存在相对径向运动时，接收到的回波信号的频率(或相位)将发生变化。这可以从固定目标和移动目标信号的时域特性和频率特性方面分析。

为了分析方便，设微波信号源发出的探测信号为单音连续波，其瞬时值为：

u?t??UA1cos?w0t??01? （2.3）

式中：?0?2?f0，f0为探测信号的频率；?01为探测信号的初始相位。 该探测信号在传播过程中遇到障碍物(包括目标)时会发生反射，微波接收机收到的目标回波信号的瞬时值为：

u2?t??UA2cos??0?t?td???01??rp?

（2.4）

式中：?rp为回波信号瞬时高频相位；td为回波信号相对于探测信号的时延。td的值为：

t?2d

dC （2.5）

式中：d为目标到微波探测器的距离；C为电磁波的传播速度，其值为3

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×108

m/s。

对于固定物体(静物)，其回波信号的频率与原发出的探测器的频率f0 相同，则固定物体反射回波的瞬时值为：

uf?t??UAfcos??0?t?df/C???01??rp? （2.6）

式中：df为固定物体到微波探测器的距离。

对于移动目标，由于运动体对于探测器作相对运动，故移动目标相对于 探测器的距离是随时间变化的，即

d?d0?vrt （2.7）

式中：d0为移动目标被发现时相对于探测器的起始距离；vr为活动目标相对于探测器的径向速度；“?”号与运动方向有关。

活动目标回波信号的瞬时值为

u?t??U??2?2vr??mAmcos?????0?Cf0?t???01??rp??

（2.8）

式中：UAm为活动目标回波信号的幅值。

定义：

f2vr d?

Cf0（2.9）

即将活动目标与探测器之间的相对运动引起的收、发频率的差频，称为多普勒频率(频移)。这种因相对运动而导致的活动目标回波信号不同于发送的探测信号频率的效应，称为多普勒效应[6]。

将C??f0代入(2.7)式，则fd可写作

fvrvrd?2

Cf0?2?（2.10）

式中:λ为微波探测器的工作波长。

图2.6为活动目标相对于微波探测器馈源运动的示意图。

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图2.6 活动目标相对于微波探测器馈源运动的示意图

活动目标的径向速度为：

vr?vcos? （2.11）

式中：v为活动目标移动的瞬时速度；?为运动轨迹与探测器馈源和目标连线的夹角。当??180o时，两者作背向运动。

对于微波探测防盗报警系统，常使用的微波载频为9～11 GHz。设某探测报警器的发射频率f0=9375MHz，则人体移动时产生的多普勒频率fd与人体运动速度v之间的关系如表2.1所示。

表2.1 人体移动时产生的多普勒频率fd与人体运动速度v之间的关系

v(m/s) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0.5 fd(Hz) 563 520 437.5 375 312.5 250 137.5 125 62.5 31.5 由表可见，人体的移动速度不同时，所产生的多普勒频率是不同的，多在音频频段的低端。

通过以上分析可知，移动目标与静止物体的回波信号有以下差别： (1)静止物体的回波信号频率与探测器发出的载频是相同的；而移动物体的回波信号频率与探测器的载频相比，附加了一个多普勒频移，且与运动目标的径向速度vr有关。

(2)静止物体的回波信号对探测信号的时延为常数；而移动物体对探测信号的延时与目标径向速度vr及移动方向有关，为变量。

因此，根据移动目标与静止物体回波信号的不同，在接收电路中采取措施，可检测并判断出进入微波监视场的活动目标。

以上讨论的是回波信号的时间变量函数，即对回波信号的时域性进行分析。当然，也可以采取分析频率变量函数的方法进行分析，从其探测脉冲的

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频谱图中会更清楚地看到活动目标中的多普勒频率fd及相应参数。 2.2.2 连续波辐射相干检测法检测活动目标

连续波辐射相干检测法中微波探测器发射的是单一载频的连续波信号。在这种方法中，探测用的微波信号源为单一载频连续振荡信号，即

u1?t??UA1cos??0t??01? （2.12）

图2.7为采用连续波体制的微波探测报警器的组成框图。这是一种将微波发、收合置在一起的微波探测器，相当于一个连续波体制的小型多普勒雷达，其工作原理基于微波的多普勒效应。由于发射的是单音载波，频谱能量集中，接收和滤波装置也相对简单，制作成本也较低。

图2.7 采用连续波体制的微波探测报警器的组成框图

发射出去的微波探测信号在遇到目标后被反射回来，回波信号为

u2?t??UA2cos???t?td???01??rp? （2.13）

式中：td?2d/C为回波信号相对于探测信号的延时；?rp为目标回波信号的相位变化量。

该回波信号与耦合过来的部分发射信号在混频器中进行混频，并在中频放大器中对混频信号进行放大，在相位检波器中对回波信号的相位与相干基准相位进行比较，其差拍合成信号的幅度为

U2Ab?UA1?U2A2?2UA1UA2cos??1??2? （2.14）

式中：?1为探测信号的瞬时相位；?2为目标回波信号的瞬时相位。 对于静止物体，径向速度vr?0，?1??2＝常量，检波后的输出为一固定电平，如图2.8 (a)所示。

对于作匀速直线运动的活动目标，有

??2?d0?vrt?????2d01??2??0????C?rp??0Crp??dt

（2.15）

式中：2d0/C为回波信号的时延；?d为差拍合成信号的角速度，其值为

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?d??1??2?d?

dt（2.16）

合成信号UAb是随时间变化的，如图2.8 (b)所示。

图2.8 目标回波信号与基准信号的合成信号随时间变化的曲线

由图2.8可见，对于静止物体?vr?0?，其合成信号的幅值是不随时间变化的；而对于活动目标，vr?0，其合成信号的幅值是随时间变化的。

用连续波辐射相干检测法探测活动物体，其中多普勒滤波器的宽带只允许差拍信号的多普勒频率(fd)分量通过。其通频带可用下式估算：

?F2f0vrmaxmaxd?C?2vr

?（2.17）

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式中：vrmax为活动目标相对于探测器移动的最大相对速度。 2.2.3 相干脉冲检测法检测活动目标

相干脉冲检测法与上节介绍的连续波检测法一样，也是将目标回波信号与相干用的基准信号进行比较，但由于发射机采用脉冲调制，工作在脉冲状态，故不能直接用发射机的高频振荡信号作为基准信号，只能采用辅助的基准信号源作为基准信号[7]。

用相干脉冲检测法检测活动目标的装置的功能框图如图2.9所示。图中的接收机包括混频器、本振源和中频放大器。

图2.9 用相干脉冲检测法检测活动目标的装置的功能框图

加至相位检波器的信号有两个：一个是探测目标回波信号u2?t?，另一个是作为基准的相干振荡信号uco?t?。

u2?t??UA2cos?w0?t?td???01??rp?

uco?t??UAcocos?w0cot??0co??UAcocos?co（2.18）

式中：UA2、UAco别为目标回波信号和相干振荡信号的幅度；?0co为相干振荡起始相位；?co??cot??0co为相干振荡的瞬时相位。

在相位检波器中对u2?t? 信号和uco?t? 信号进行相干差拍检测，其公式推导省略。现写出下列三种情况下相位比较器输出的差拍电压。

（1）只有静止物体的探测回波(vr?0、fd?0)

uAfb?t??UAco?Ucos?2d0?Af???0C??rp??（2.19）

相位检波器检波输出为一恒定幅度的脉冲序列，不含多普勒频移成分。 （2）只有活动目标的探测回波

该活动目标回波与基准相干信号的差拍电压为

u?2d0Amb?UAco?UAmcos???0C??t?rp?2?fd??n?1?t?d0?t????共 35 页 第 14 页

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（2.20）

式中：UAm为活动目标回波信号幅值；t?为在0?t??? 区间内读出的时间。

（3）含有静止物体和移动目标的探测回波

含有静止物体和移动目标的探测回波信号在相位检波器内与基准相干信号差拍时，则在其输出端上的合成信号为

uAb??t??UAfb?t??UAmb?UAco?Ucos???2d0? Af?0C??rpt???

Ucos???2d0??

Am?0C??rpm?2?fd??n?1?T?td0?t???（2.21）

在合成差拍信号中含有多普勒频率调制的交变脉冲分量，故可利用相应滤波器将多普勒频移信号滤出，将静止物体的信号分量抑制掉，从而实现对活动目标信号的检测。

采用脉冲调制体制的多普勒探测报警装置与连续波相干检测体制相比，具有如下优越性：

(1) 接收通道放大器的频带宽度较窄，相应地输出噪声也较小，引起的误报也较少。

(2) 脉冲调制相干体制方式能防止外界的无线电干扰源和同一地区多个探测器之间的相互干扰引起的虚报。

2.3 系统组成框图及工作原理

该防盗报警系统包括热释电红外探测电路、微波多普勒探测电路和发射、接收电路。其组成功能框图如图2.10所示。

图2.10 热释电红外报警装置组成框图

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2.4 热释电红外探测电路的设计

该部分电路如图2.11所示。

图中的红外传感头为双敏感元传感器P228，其芯片材料为钽酸锂，上有双探测元，具有响应度高(6500V/W )，噪声低，抗电磁干扰性能好，窗口谱响应(包括探测元和滤光片)为7～15μm。它可将人体辐射出的红外信号能量转换成相应频率(0.3～5Hz)的电信号，并经C1加至直流偏置放大器VT1。光学透镜采用Q6型菲涅尔透镜，元件尺寸为：2mm×1mm。

VT1采用低噪声、小功率管C458，它和单BiMOS运放CA3140及阻容元件组成两级低频电压放大器，两级增益可达70～75dB。 IC2也采用A3140，它与R6、R7、 RP1组成一个电压比较电路。当有人走近红外探测器时，加至比较器IC2③脚的信号高于②脚设定的参考(比较) 电压，其输出端⑥脚转呈高电平，使VT2饱和导通，其集电极呈低电平(约为0.35V) 。

R34.7KC3100uFR210KC15220uFR95.1KIC160.033uFR12MC458Q6P228C1VT1R4200K24CA3140R51K2C50.033uFRP15K4CA3140R83K901437IC26VT2OUTPUTVDD(9V)C237GSP228CAPC44.7uFR710K透镜 D图2.11 热释电红外探测电路

2.5 微波多普勒探测电路的设计

该部分电路如图2.12所示。

RD627是一种新颖的多普勒效应传感器件，采用单列7脚直插式塑料封装，其管脚排列如图2.13(a)，2.13 (b)是它的内部电路功能框图，可以看出，RD627由振荡器、发射器、检测器、多普勒信号放大器、限幅器及稳压电源等部分组成。振荡器产生的微波信号经发射器由第1，2脚送至外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，当人或其他物体在该防护区移动时，反射回来的微波信号与原信号之间将产生频移，微弱的频移信号通过检测器处理后，获得的多普勒信号再经放大，在第6脚即可得到与移动目标

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相应的电信号。RD627工作电源电压为12V；有效发射面积大于100m2

；静态时第6脚的输出电压为6V；在有效发射区内，当有目标移动时，第6脚动态输出电压变化不小于±50mV；移动目标离天线越近，输出电压变化幅度越大，最大时可达±5V以上。

VCCR7C2100uFR31K10KVD1A3R21N4148A110KA2412R6R1OUTPUTRD6276RP12V2KRD6271K15KA453C30.01uFVD2C11N414847uFR5R415K10K

图2.12 微波多普勒探测电路

图2.12中，RD627产生的微波信号经外接环状天线发射到空间后形成一个立体微波警戒网。当有人在网内走动时，从人体反射回天线的微波信号与原发射信号就会产生频移。此频移经RD627内部检测放大后，从6脚输出超低频信号经A2缓冲送至A3 , A4组成的比较器进行鉴别。如果信号电压在两指定的比较电压中间。则A3, A4均无电压输出。当信号高于A3的2脚电平或低于A4的3脚电平时，A3或A4输出高电平，经VD1或VD2隔离、R6.限流输出，Rp用来调节电压比较器的阀值电平，以调整报警器的警戒范围。

微波发射天线可用Φ3mm的金属线弯成Φ120mm～150mm的圆环状。A2～A4用F006高增益集成运算放大器。

图2.13 RD627集成管脚排列和内部框图

2.6 报警发射和接收电路

经过热释电和微波探测电路处理过的信号通过门电路判断后，输出至报

警发射电路。报警发射电路如图2.14。

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图中IC3采用时基集成电路555，它与R10、C6等组成单稳态触发定时电路。当有低电平信号加至其触发端②脚(低电平触发有效)时，则555的输出转呈高电平。高电平维持时间(即暂稳态时间)为

td?1.1R10C6 （2.22）

计算得出其暂稳态时间约为2min.

在555输出高电平期间，继电器K1通电、吸合，其常开触点K1-1接通，IC4, VT3和VT4；得电并工作。

IC4采用四模拟声集成电路KD-9561，将其选声端SEL1, SEL2悬空，则KD-9561一旦得电便迅速发出警报信号，并由其输出端(O/P)输出，然后经VT3自偏置放大器放大后，作为调制音频信号加至VT4的基极。

VT4采用超高频小功率管3DA3866A[8]，它和L1、C12等组成高频振荡器，其振荡频率主要由L1、C12决定。当警车声信号经C10耦合至VT4基极时，音频信号改变其振荡频率，产生88～108MHz的调频信号，并经天线WT发射至空中。

9VWTR10R11R12R13R16R17C12L11.1M2.2M51020K10K22K47pFR15C101M0.01uF8C9VT3C14K10.1uF76IC30.01uFVT4INPUT25554901430C13IC4891555IC415890R1418pFVDW121240KR184.5V11C11470KD-95611000pFC6C7C821100uF0.01uF330uF11 图2.14 报警无线发射电路

图2.15所示电路为FM收音机电路。它是以一只微型收音器件TDA7010T为核心组装而成的。该器件已把外部要调试的元器件(包括中频滤波器)几乎都容纳在芯片上，并采用了频率锁相环(PLL)和特殊静噪控制电路，使整个FM收音机只需通过C11单联选台，避免对中频进行调试，也无需统调，制作和调试都很简单。解调后的信号由②脚输出。图中IC2采用优质双声道小功率音频放大集成电路TDA2822M，外接元件极少，将其接成BTL型单声道音频功放电路，其放大增益达46dB(约200倍)，且性能稳定。IC2输出的音频警车声信号经IC2放大后，驱动扬声器发出响亮的警车声，提醒值守人员由警情发生。IC1采用菲利浦公司生产的TDA7010T，也可使用市售的普通收音机监听，但无信号时，杂音较大，常有“喀啦”声，值守人员长时间监听时难以忍受。C1、C4、C6、C8、C9、C14及C19采用CT1型瓷介电容器；C2、C3、C5、C7、

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C10、C12及C13采用CC1型高频瓷介电容器；C11采用140/80pF差容双联可变电容器，用容量大的一联，另一联可短路不用；L1用Φ0.71mm漆包线在Φ4mm钻头圆棒上密绕5匝后脱胎即成；天线WR使用700～1000mm软线即可。

C11C2C4C6C8L1C16C17SC3C5C7C9100uF0.01uF220pF0.1uF3000pF0.02uF100p330pF180pF180pF0.1uF6530C1011119731451000pF611R110KC1IC183000pF7010GA16V242C13C51C131C14U?220pFC12100uF0.01uFB4700pFRP1A210V10uFC14R20.01uF10K 图2.15 报警接收电路

2.7 报警系统的安装

红外和微波探测器的合理布置和安装，对于探测和防范性能来说至关重

要。安装微波和热释电红外探测器时需注意以下事项：

安装时两种探测器的灵敏度采取折中的办法，即两者在防范区内保持均衡，二者兼顾。

热释电红外探测器对入侵者辐射出的红外能量和移动速度两个参数都能探测到，它对横向切割(垂直方向)探测区方向的人体运动最敏感。因此安装热释电红外探测器时，应尽量使入侵者的活动有利于横向穿越其视场，以提高其探测灵敏度。

微波多普勒探测器[9]，则对轴向移动(或径向移动)的活动体最为敏感，此时的多普勒频率fd最大，探测最灵敏。

因此，在一个有限的空间内安装热释电红外探测器和微波探测器时，两者的探测灵敏度需兼顾。具体布置和安装时，应使探测器正前方的轴向方向与来犯者最有可能会穿越的主要方向约成45o角为宜，以便使热释电红外和微波两种探测器皆处于较灵敏的状态。

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第3章 防盗报警系统性能的实验检测

由于整个系统的运转都是基于两种传感器的探测，再通过电路的转换而实现的，对于电路部分的性能不作研究，主要对两种传感器的基本特性进行实验检测和研究。静态特性和动态特性是传感器的两种基本特性，它可以表征一个传感器性能的优劣。静态特性是指当被测量的各个值处于稳定状态(静态测量之下)时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。当一个传感器制成后，可用实际特性反映它在当时使用条件下实际具有的静态特性。借助实验方法确定传感器静态特性的过程称为静态校准，校准时获得的静态特性称为校准特性。所谓动态特性是指当被测量随时间变化时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。当测量某些随时间变化的参数时，只考虑静态特性指标是不够的，还得注意其动态性能指标。只有这样才能使检测、控制比较正确和可靠。

3.1 热释电红外探测器件性能的检测

1.热释电红外光敏器件特性

热释电红外光敏器件可以用灵敏度R、检测度D、噪声等效功率NEP以及特定检测度D*等来评价。

图3.1 灵敏度R和特定检测度D*与遮光频率f的关系

因为热释电式器件属于热型红外光敏器件，故应注意其响应速度。一般

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将器件输出信号达到峰值的60%的时间定义为其响应时间。

此外，热释电式器件比较特殊的问题是其灵敏度R和特定检测度D*与器件前方所置机械遮光装置的遮光周期T有关，如图3.1所示，灵敏度R和特定检测度D*随遮光频率f增加而降低，这就表明器件工作在电容状态。

器件本身在相当宽的温度变化范围内输出几乎不变(见图3.2 )。

图3.2 元件本身的温度特性

这说明利用热释电式红外光敏器件时可不必像利用热敏电阻那样来进行温度补偿。但是，实际运用中发现的器件用于低温时灵敏度有所降低。这其实并非器件本身受温度影响而改变了灵敏度，多数是器件光窗结露所致。此问题可以从器件的结构改善等因数考虑解决办法。 2.热释电红外传感器的噪声特性

由于热释电红外传感器是一种非接触方式检测人或物体等被测对象的热释红外线。由于检测温度范围大(-80～1500°C)，在整个光波范围内频率响应均匀，灵敏度高，才得到广泛应用。一般说来，热释电红外传感器检测到的红外线信号极其微弱，加之传感器及电路会出现虚报信号。为了提高系统使用的可靠性，对热释电红外传感器的噪声性能进行比较全面的分析以便改进性能是很重要的。

热释电红外传感器由热释电元件、低噪声结型场效应晶体管[10](JFET ) 阻抗匹配器和滤波片组成。热释电体是一个具有强烈自发极化效应的电介质材料，如锆钛酸铅(PZT)陶瓷、钽酸锂( LiTaO3)单晶体等。

热释电元件的等效电阻高达1010，为了获得最佳噪声系数，必须进行阻抗匹配，前置级一般采用高输入阻抗、低噪声JFET与其匹配。其等效电路如

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图3.3。

图3.3 热释电红外传感器等效电路

第一级JFET输出信号的信噪比由热释电红外传感器决定。同时，为了使热释电红外传感器只对红外光谱中的某段红外辐射敏感，必须在热释电体前设置滤光片。这样可以避免太阳光的辐射和其他的红外辐射的干扰，从而减少虚报。

热释电红外传感器的工作特性取决于热和电性能，其温度变化(ΔT)与入射红外辐射的关系为

ad?T

0dt?a1?T?aW?t?（3.1）

式中：a0?CsV为传感器的热容量。其中Cs为传感器的比热，V为传感器的体积；a1??Fd，其中?和Fd分别表示单位热释电体的表面辐射，对流的热损耗引起的热阻和热释电体的表面积；?为热释电体对辐射的吸收系数；w(t)为入侵辐射功率。将△T作为S?i?的函数对式(3.1)两边进行Laplace变换后得出

?T?s??aW?s?a

0S?a1（3.2）

热释电材料产生的电流i?S??SQ?S?，电荷Q?S?是热释电系数P、温度变化?T?S?和热释电表面积Fd三者的乘积，于是得出

i?S??aW?S??FdS

a??a?0

?S?1a?0?（3.3）

将式(3.2)中a0，a1用Cs，Fd代入，d代表热释电材料的厚度；

?T?a0/a1?Csd/?，代表热时间常数，则得出

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i?s??a??TSW?S?C

sd???TS?1?（3.4）

由式(3.3 )可知，热释电体可作为一个电流源，JFET组成的抗阻变换器作为其负载。阻抗变换器采用图3.3所示的形式时，电路增益较小，JFET的低频跨导gm约为0.8。热释电传感器的噪声模型[11]如图3.4所示。

JFET可看作无噪声场效应管。图3.4中Ip为热释电体产生的信号电流；

Ipn??4KT?f/Rp?12为电阻Rp产生的热噪声；In，En分别为JFET产生的等

效输入噪声电流和噪声电压值；?f为热释电红外传感器的信号－3dB带宽，则热释电红外传感器的宽度输出噪声电压用均方根值表示为

1

Un0?0.8?f1?df??I2?2??fpn?I2n?Z2p?E2n??0?f?

（3.5）

其中，

ZR2pp?

1?2j?fR(3.4 )并化简得

pC将Zp，Ipn表达式代入式p

1 ?U?R222n0?0.8??1KT?pIn?n

?2?C?4?arctan?2?R?pCp??Ef???p???f??f???（3.6）

图3.4 热释电红外传感器噪声模型

利用式(3.5)进行计算机仿真，得到等效输出电压与频率的关系曲线如图3.5所示。

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图3.5 热释电红外电压和频率的关系曲线

由于热释电红外传感器主要对人体目标移动做出响应，根据人行走的频率计算结果，电流的频率响应最好在0.1～10Hz之间，这样既可截止过低频率的信号，也可截止较高频率的信号。因为小于0.1 Hz的信号易受外界环境温度变化和元件参数改变的影响，大于10Hz的信号从图3.5可以看出，噪声电压随着频率的增大而迅速增大，加之当信号频率接近50Hz电源频率时，易受50Hz电磁干扰，因此在电路设计中应根据输出噪声电压变化及信号频带要求，采用有源带通滤波器消除干扰，提高整个系统的可靠性[12]。

通过实验分析阻抗变换器JFET与其负载电阻、动态电阻的关系，可知JFET工作电压低于6V且漏电流在0.1～10μA范围内时传感器的性能最好，此时JFET的噪声系数在低电流时较佳。分析图3.5所示噪声电压与频率的关系可知，工作带宽外任何频率信号都会给系统带来附加噪声，特别是随着频率的升高，传感器噪声性能变坏，为此在选用前置放大器时，应该首先选用JFET或BIFET(bipolar field effect transistor)运算放大器。

表3-1列出了P228型热释电传感器主要参数。

表3.1 P228型热释电传感器主要参数

型号 P228 噪声系数 /mV 80 敏感度 /(V/W) 6500 噪声等效功率 /(W/Hz) 1×10-9 1/2工作电压 /v 3～15 探测功率 /(cmHz1/2/W) 1.5×108 3.2 微波多普勒探测系统性能的检测

1.系统干扰的来源及进入仪器的途径

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(1)脉冲干扰

在实际工作环境中干扰源是广泛存在的，脉冲干扰就是其中的一种。这种干扰也是微波多普勒接收系统经常遇到的一种干扰形式。它主要特点是幅度高，持续时间短，而且时间间隔是随机的，干扰脉冲幅度通常在毫伏范围，有时比一般有效信号大的多。干扰脉冲持续时间很少超过25～50μs。因此，由于脉冲干扰的存在，造成报警系统受此干扰产生误报。经分析干扰脉冲主要来源是由于各种电器设备启动时因电流或电压的急剧变化所形成电磁辐射祸合所造成的干扰。

(2)电源干扰

电源干扰，这是一个重要的干扰途径，主要是由电路方面所引起的干扰，当交流电网的负载突变时(如电机的启动和制动)在负载突变处交流电源线与地之间将产生高频电压，该电压引起的高频电流将通过直流稳压电源，放大电路与地之间的分布电容，经过地线返回负载突变处组成回路。这样就构成对系统的高频干扰，而且这个高频电流不仅沿导线流动，凡有电容的地方都是良好的通道。因而，该高频干扰对高灵敏度报警设备来说影响较大，因此必须采取措施加以抑制。同时工厂电网一般都有很多干扰信号叠加在它上面。种种强电设备，例如：行车频繁起停使电网电压产生强烈波动，空间电磁波进入电网。若仪器接在这样的电网上，这些不同频率干扰信号就会随电源进入仪器。例如，直流电源中往往混有50Hz及其谐波成分。

另外，当仪器中几个电路共用一电源时，由于电源内阻及线路电阻影响，仪器中不同支路电流的任何变化均会影响到电路中的电源电压。 (3)电路干扰

电路干扰来自于两个方面，一方面来自电源，而另一方面来自接地回路。所以，接地电位差是一个主要噪声干扰源，它是一种由于接地点地线安排不合理所造成的干扰。在理想情况下，一个系统所有接地点与大地之间应具有零阻抗，实际上这是不可能的。由于系统与大地之间总有一定的阻抗而会造成严重的干扰。这样均会给仪器带来很大的影响。 2.干扰噪声的抑制方法 (1)脉冲干扰的抑制

上面分析了干扰信号的来源及进入仪器的途径，针对这些问题，在电路设计中，可以加入如下措施:由于脉冲干扰的存在，就不可避免地给接收电路中信号处理带来很多困难。为了解决上述问题，最大限度地抑制噪声干扰对提取信号的影响，可以在前置放大电路前端，接入一个如图3.6所示的有源窄带滤波器，滤除频带以外部分噪声。

有源窄带滤波器实质上是由运算放大器组成的调谐放大器，主要采用LC

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并联谐振回路作运算放大器反馈阻抗。其LC选频网络的特点是，它的输出幅度不仅随着输入信号频率不同而改变，并且具有一个最大值，所以具有良好的选频特性。即放大器对设定频率信号具有较高的放大倍数，而对于其他频率干扰或噪声则有较强的抑制能力，从而实现了有源窄带滤波的作用。本电路信号增益由Rf/R1的比值决定，最大增益频率由下式决定：

f0?12?LC

图3.6 有源窄带滤波器

在谐振频率上，回路阻抗最大，增益最高，在其他频率上回路阻抗减小，增益降低，从而实现了有源窄带滤波的目的。

其信号电压增益

K?v?V0/Vi?Rf/R1 （3.7）

式中：R?f?Rf/Roe

R2oe?QoRo(并联谐振回路阻抗)

Q?oLio?R(电感线圈空载品质因素)

o R0为电感线圈直流电阻。

本电路主要由运算放大器组成，电路简单，调试方便。本电路另一个特点是，当改变L或C时，可改变滤波器中心频率，改变Rf可以改变最大增益频率。由实验的数据，有源窄带滤波器的输出频率特性如图3.7所示。从图中可以看出，最大增益频率f0=31kHz时，信号电压增益的理论计算值与实测数据基本一致。

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图3.7 有源窄带滤波器的输出特性

(2)电源干扰抑制

电源干扰是一个重要的干扰源，为了有效抑制由电源进、出线的电网干扰，避免的主要方法为，在设备的交流22OV输入端加装电源高频滤波器，使高频电感与旁路电容防止交流进线引入高频噪声。电源变压器采用双重屏蔽措施:将初、次级隔开来，使混入初级的外部噪声干扰不致进入次级回路。变压器绕制时，除要求级间电容小外，还要求初级线圈两侧的电容量对称。在整流滤波电路中采用低频电解电容与无电感高频电容的并联组合，以进一步减小高频瞬间进入设备的可能性。信号地与电源地均应分开处理，最后接入一个总的系统接地点。 (3)接地干扰的消除

信号检测与处理系统采取适当方式良好接地是有效抑制外部噪声最重要的措施之一。首先遵循单点接地的原则，模拟地与数字地，信号地与电源地分开处理，最后接至一个总的系统接地点(系统地)。前置放大器放大非常微弱的电信号，具有很高的灵敏度。那么，它也必然很容易受干扰与噪声的影响，放大倍数很高的放大器自身还可能产生自激振荡。所有这些都将影响放大器的正常工作，甚至使放大器失去放大能力。由此可见，在调整微弱信号的放大器时，抑制干扰和噪声，消除放大器的自激振荡往往成为调整工作的主要部分。

将接地点选在滤波电容的负极，这样不仅使电源的滤波电流可以在滤波电容的负极直接入地，不再经过放大器的地线，而且使各级交流电流等都由前向后入地，不致在下级输入回路引起干扰。此外，放大器的地线最好采用较粗的裸铜线，直径为1mm，并且由末级向前级依次连接，在一点接地。为了减少外界干扰，可以采用电磁场屏蔽措施。屏蔽结构选用金属薄板材料制成，这样可以将干扰源或受干扰器件用屏蔽罩屏蔽起来，并妥善接地，特别是多级放大电路的第一级，输入线采用具有金属套的屏蔽线的外套选一点接地，将放大电路屏蔽起来。同时严防工艺质量不好所引起的干扰，其中最重

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要的是虚焊。所谓虚焊是指一个焊点从表面上看似乎已经焊牢，但是，实际上在焊点的地方接线并没有很好的接触，或时通时断，从而引起很多的干扰，或使工作不正常。由于一个放大器的焊点数目往往成千上万，虚焊点又很难找到，加上虚焊而产生的现象变化多端容易造成各种错觉，以至严重地延误调整时间，因而对焊点的质量必须从思想上引起足够的重视。焊接前，一般都要认真查元件和导线，并且镀上锡，然后焊接，焊点要光滑。焊接时可以使用松香当焊剂，最好不要用焊油，因为焊油具有腐蚀性。

3.3 系统综合指标测试

本系统在实验室进行了模拟实验。实验现场设置了典型的实验环境：

(1)警戒范围为12m左右的空间；

(2)警戒区域内设置了各种光干扰源，包括自然光、白炽灯光、日光灯光等；

(3)设置电火花、大电流强电场等电磁干扰环境。

经实验测出其技术指标为:探测距离不小于10m，微波中心频率f0=2000 MHz，能经受25～1000MHz范围内的频率干扰，相距3m处可经受住100w干扰信号。在上述环境内重复进行“入侵”实验，系统正常，误报率低于1%。

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第4章 红外防盗报警系统的应用

红外探测技术已在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用，己经成为现代光电子技术的重要组成部分，得到世界各国越来越高的重视。随着很多军事技术转向民用，基于红外探测技术的光电防盗报警系统也进入到千家万户。

在军事上，红外探测技术是未来高技术局部战争使用的主要技术之一，在现代战争中，获取战场信息的优势己经成为获取战争主动权的关键，红外探测技术则是获取战场信息的关键技术之一。因此，许多国家均投入很大的人力和财力，研制各种红外探测器件，并广泛应用于军事领域。早期的红外探测器通常工作在短波红外波段。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中波红外和长波红外。例如美国高级研究计划局为能找到一种更为有效的安全探测地雷的方法，提出了超波谱地雷探测计划。该计划需利用空间调制成像傅立叶变换光谱仪，此光谱仪是一种红外传感器，己在直升机上进行了短波和中波段的试验，下一步计划是把工作波段延伸到长波红外。

通常，在大气环境中，目标的红外辐射只能在1～2.5μm、3～5μm、8～14μm脚三个大气窗口内有效地传输。红外探测器件己经从只是将红外辐射信号转换成电信号的第一代迅速向焦平面阵列(FPA，第二代)发展。由于FPA采用集成电路技术将光敏元以面阵形式与信号读出电路 (ROIC)、信号处理芯片连接在一起，可以获取热辐射图像信息，在成像质量等方面比一代红外探测器件性能优越得多。二代红外探测器可以分为扫描型(如4N系列)和凝视型(staring)( M×N面阵系列)。也有将Staring队红外探测器称为“第三代”探测器。如果一个红外探测系统能同时在两个或多个波段内获取目标信息，就可以更丰富、更精确、更可靠地获取目标的信息，提高对目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显地降低虚警率，并显著提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性，从而满足各军队兵种的需要。目前，多波段的红外探测系统已经研制成功。例如，法国和瑞典联合研制的“博纳斯”末敏子弹药，就是采用了多波段红外探测系统来探测目标。红外探测器最早是用单元探测器，后来为了提高灵敏度和分辨率而发展为多元线列探测器，现己向多元面阵探测器发展。相应的系统已实现了八点探测到目标热成像的飞跃。红外热成像仪是一种最有发展前途的红外探测器，代表着夜视器材的发展方向，它用焦平面阵列取代光机扫描机构。目前，长波HgcdTe探测器面阵已经达到640×480元，但是集成式多波段探测器仅仅达到64 x64元;焦平面阵列探测器的实验室水平己经达256×256元。

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红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外侦察、红外夜视、红外报警以及红外制导等方面。将凝视型红外探测器安装在飞机、舰艇等平台上，可用于对来袭导弹和其他红外威胁告警。或自动发出对抗指令，或自动启动红外干扰设备进行自卫。

就目前的军事应用而言，由于第二代红外探测器的明显优势和迅速发展，正在大量研制、装备，对目标进行热成像探测成为发展趋势。一般的，多元线列与4N器件多用在大视场红外预警搜索系统(IRST)中，凝视型则多用于高灵敏分辨、识别与机动跟踪。总的趋势是长波器件为主，同时大力发展中波器件，并在系统中采用中波、长波段融合探测。目前军事应用的红外探测器中HgCdTe占总数一多半。按照功能种类不同，独立的红外探测系统可以划分为IRST(红外搜索跟踪系统)和FLIR (前视红外)。一般IRST要求能够远距离、大范围、多视角(仰视、俯视、平视)、各种背景条件下自动搜索和跟踪多个战斗目标，因此多采用多元线列或4N系列扫描型F队、目标一般为点源;而FLIR属于成像系统，一般用来精确跟踪，视场角较小，目前多采用凝视型面阵FPA。此外，作为攻击拦截武器的目标探测系统，红外成像制导技术也发展迅速。

目前，国外已经着手建立新的一体化防空系统来防御巡航导弹。美军将部署由6颗运行在高轨道的天基红外系统(SBIRs)卫星和11颗位于低轨道的空间和导弹跟踪系统(SMTS)卫星组成的天基红外预警系统取代现用的DSP(国防支援计划)系统。SBIRS采用1台高速扫描型探测器和1台与其互补的凝视型HgCdTe探测器。其扫描型探测器比DSP卫星的探测器灵敏度高20倍、扫描速度快10倍。扫描探测器对飞行中的导弹所产生的尾焰进行初步测定，凝视型面阵以此为线索对导弹进行更详细的探测。从发现目标到告警信息中继到地面部队仅需10－205。此外，飞行在多个轨道面上的SMTS卫星将成对工作，以提供立体观测。每对卫星通过60GHz卫星间通信链路进行相互通信。每颗卫星将装有1台宽视场短波红外捕获探测器和1台窄视场凝视型多色(中波、长波红外及可见光)跟踪探测器。目前美国已开始发射部署试验SBIRS卫星，并将逐步取代DSP卫星。机载红外搜索和跟踪系统(IRsT)用于辅助有源雷达搜索、探测和跟踪空中目标，抗干扰性很强，不易被敌方发现，利于战机的隐身。同时，用机载陀螺稳定的光学镜头，角分辨力高，可以大幅度提高空中目标的搜索、探测、跟踪和测量精度。目前国外有代表性的机载IRsT系统有:美国的AN/AAs一42IRST吊舱系统以及监视红外搜索和跟踪系统(SIRST)，英、德、意和西班牙联合研制的EF－2000机载被动红外跟踪系统(PIRATE)，法国研制的OSF系统以及俄罗斯、瑞典等国研制的机载IRST

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系统等。由美国空军和海军联合研制，现己装备于海军F-14D战斗机上。该系统的红外探测器采用第二代长波红外HgCdTe器件，主要通过气动摩擦产生的蒙皮热辐射来探测目标，能使IRST对各个方向(前、后、侧等)的目标进行探测。据报道，AN/AAS-42传感器在晴朗天气条件下对蒙皮红外辐射的探测距离超过185km。此IRST系统传感器光学系统和控制装置安装在吊舱内，三轴惯性稳定万向支架系统能自动(或手动)准确搜索探测多个扫描空间。该系统使用大规模集成电路来实现一系列复杂的滤波技术和软件算法，对目标进行选择性探测，抑制背景杂波，显示真实目标，并与机载中央计算机联网，与机载雷达中的6种工作模式同步，对超视距多目标采用边跟踪边扫描探测。其对远距离目标的探测能力与机载AN/A PG-TI火控雷达大体相当，其中方位和俯仰扫描可采用自动控制或由驾驶员手动控制。1996年2月，体斯飞机公司(目前是雷声系统公司的一部分)与美海军研究所(ONR)和海军航空兵系统司令部签订了监视红外搜索和跟踪(SIRST)的演示合同。公司交付的样机装备在E-ZC飞机上进行试验。口径为7.scm的传感器安装在直径为38cm的常平架上，位于飞机头部，方位搜索范围为±45°。SIRST安装了凝视型双波段FPA，工作于3.4-3.8μm中波和8.2-9.2μm长波波段。电子稳定传感器的瞬时视场为87μrad，在俯仰方向上的总视场为3.2，帧频为250Hz(frame rate)。SIRST系统采用了Hawkeye的主处理器，可使其输出信号与标准监视雷达的输出信号进行融合。

除了上面介绍的各种应用以外，红外探测技术还被用于军事通信等方面。军用红外技术的飞速发展和广泛应用，表明红外技术的地位已从以往的战术地位向战略地位发展，对未来战争将有重大的影响。

在民用方面，光电防盗报警系统的应用就更广泛了。美国用于飞机货舱防火的热监视系统就是基于这个道理，现在飞机货舱配置的火灾探测系统并不符合目前联邦航空管理局的要求，其中有一条技术规定，即在火灾发生后一分钟内将其探测出来。联邦航空管理局关于适航性的新规定要求改进由波音公司和麦克道耐尔道格拉斯公司生产的所有客货飞机上的火灾探测系统。人们研制了一种符合联邦航空管理局新规定的热监视/火灾探测系统。它基于同菲涅尔扫描光学系统祸合起来的红外探测技术，并且使用双重的计算机控制装置，这使得该系统能够对货舱进行全面的热监视。系统对过热和火灾状态敏感，它具有三种火警信号电平，包含完整的光学视界和电路，能够提供有关火焰位置的信息。它可靠性高，不会产生误警。每个传感器都被设计得能够覆盖高度为12英尺的一部分货舱。系统由基于微处理器的双重控制器、一个报警屏和16个称为热成像监视器(TIM)的红外光电探测装置构成，报警屏装在消防站，探测装置则装在货舱内，即在两排集装箱的每一处四角接合

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点上方装一个探测器。热成像监视装置从前到后按1至N的顺序编号。一个控制器电路同所有的奇数热成像监视器联系，另一个控制器电路则同所有的偶数热成像监视器联系。这两个控制器之间有一条串联通信线路，它为这两个完全独立的控制系统提供联络，并且可用来确定过热/火灾和故障状况的位置。奇数和偶数的热成像监视器的光学覆盖面是交迭的，因此，系统具有一定的冗余度，但光学覆盖面的损失很小。其红外探测器是一个带有滤光片、响应波长为3.35μm的非制冷热电堆。探测器的响应度为8.1V/W，噪声等效功率为1.6nw(Hz)1/2，探测率为1 .25x108cm(Hz)1/2/w。

其他方面：如银行、库房和家庭。随着住宅智能化系统设计的不断扩大和深入，安防系统工程的实施越来越普及。住宅用光电防盗报警系统可以利用电话的免提功能或号码记忆功能，直接报警给监控中心，而监控中心一旦接到报警信号，可查出住户姓名、地址、单元楼层，很快作出反应。而对于库房，尤其是部队的弹药库，如果没有技术防范措施，单靠传统的人防方式，难以满足库区的需要，特别是夜间，更需要现代化的安全监控设施。影响库区的安全因素，一是人为火灾，二是人为破坏盗窃。可根据库区的条件和系统的特点，避免系统出现“牵一发而动全身”的情况，造成整个系统错误以致瘫痪的后果，系统采用多级防范措施和分系统设计，库区设置周边震动电缆、室外摄像机、热释电红外一微波探测器、门磁开关、红外对射探测器、室内摄像机等。这样可以确保即使一种探测装置出现漏报，其他的探测装置也能发现目标。室外摄像机通过三可变云台可以上下左右运动，对库区的环境进行严密监视。这样系统分为图像监控、防盗报警、门禁管理等分系统，各个系统在功能上自成体系，相互独立，且各分系统的技术比较成熟，有与此相对应成熟的产品。其中图像监控系统、防盗报警系统和门禁管理系统分别由1台计算机负责完成其功能。

光电防盗报警系统之所以有如此广泛的应用，与其检测范围宽、探测距离远、可靠性高、隐蔽性好等优点是分不开的。光电防盗报警装置在发达国家已差不多进入到每个家庭。在我国红外安全报警装置也将应用的越来越普遍。

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结 论

本文针对目前市场上出现的多数单探测器防盗报警系统和少数的双探测器防盗报警系统误报率高，抗干扰能力小的情况，研制了一种基于热释电红外一微波双探测技术的新型光电防盗报警系统，并通过实验对热释电红外探测器和微波多普勒探测器的性能进行了研究。

(1)在比较了不同探测技术报警器的误报率后，发现目前市场上的光电防盗报警系统普遍存在着误报率高(大于20%)或是灵敏度低的情况，确立了研制一种基于热释电红外一微波双探测技术的新型光电防盗报警系统，经实验验证其误报率约为1%。

(2)在微波多普勒探测系统中，利用相干脉冲检测法检测活动目标，将目标回波信号与相干用的基准信号进行比较，用相应滤波器将多普勒频移信号滤出，将静止物体的信号分量抑制掉，从而实现对活动目标信号的检测。与连续波相干检测体制相比，其接收通道放大器的频带宽度较窄，相应地输出噪声也较小，引起的误报也较少，脉冲调制相干体制方式还能防止外界的无线电干扰源和同一地区多个探测器之间的相互干扰引起的虚报。

(3)设计并制作了热释电红外一微波防盗报警系统，其基本原理为：热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温)，将其转换成超低频信号，经电路放大，输出。同时由于微波探测器接收到的回波信号的频率(或相位)发生变化，经过电路处理后转变为电信号，输出。两组信号同时到达与门，经判断，再将报警信号通过天线发射出，可以用接收电路或收音机接收报警信号。经实验测出其技术指标为:探测距离不小于10m，微波中心频率f0=2000MHz，能经受25～1000MHz范围内的频率干扰，相距3m处可经受住100w干扰信号。

(4)检测了热释电红外光敏器件的特性，分析了灵敏度R和特定检测度D与遮光频率f的关系、元件本身的温度特性和噪声特性。对微波多普勒探测系统干扰的来源及其进入仪器的途径进行了分析，并提出了抑制办法。

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致 谢

本学位论文是在导师陈戈珩老师的悉心指导下完成的，论文的字里行间都凝聚了导师无数的心血和辛勤汗水。作者在与导师的多次交流和探讨过程中，被导师渊博的学识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度、诲人不倦的精神所深深折服，也成为作者不断努力探索，奋发向上的一种动力。正是由于陈戈珩老师孜孜不倦地在学术上给予的详尽指导，才能使本课题顺利完成。陈老师在学术上严谨务实，工作中身体力行，是我今后工作中学习的楷模。值此论文完成之际，学生谨向导师致以最诚挚的谢意!

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