基于ARM的机场围界激光报警系统的研究

2015-12-31王増彩

机械工程与自动化 2015年4期

王増彩，赵彦

（大连理工大学城市学院工程实践中心，辽宁大连 116600）

1 激光围界的现状及优势

1.1 国内外现有的周界安防前端探测技术

当前国内外现有的周界安防探测技术主要有以下5类：①以围栏震动、震动光缆、地埋震动以及地埋压力为代表的震动探测技术，通过检测电脉冲波型或光折射变化量感受入侵引起的围栏震动，或探测器埋入地下探测由入侵者造成的土壤压力变化或震动，从而触发报警，此探测技术探测距离短，误报率高，不适用于安全防范要求高的场合；②泄漏电缆探测和微波探测，触发报警的条件是入侵者引起的电磁场的变化，该探测技术需要在特定的场合使用，造价较高、安装工程量较大；③以户外视频移动探测为代表的探测技术，户外视频移动探测器整理CCTV摄像机搜集的标准视频信号，通过每个区域图像的变化来判断有无异物入侵，此探测器探测的距离不超过80m，对工作时间和场合有严格的要求，探测效果受光线、天气影响严重；④以张力围栏探测及高压脉冲电网探测为代表的探测技术，是由入侵者攀爬围栏引起的钢丝张力变化而触发压电探测器报警或者触碰电网引起高压放电而触发报警，张力围栏探测设备造价极高，安装调试工程量巨大，受环境、温度影响大，对环境要求高；⑤以被动红外、激光对射为代表的探测技术，探测由入侵者造成的光线被遮断的情况触发报警，红外探测技术具有3m左右的防御距离，受环境影响大。

1.2 激光对射技术的优势

激光束主要有4大特点：①亮度高，因激光的发射能力强，并且能量的集中度高，所以亮度比较高，比普通光源能高出亿万倍，甚至比太阳表面的亮度高出几百亿倍；②方向性强，激光的发散角很小，射出距离达20km，光斑直径仅有20cm～30cm；③单色性好，光的波长决定了光的颜色，颜色不同，波长不同；④相干性好，激光与普通光源不同，它是受激辐射光，有极强的相干性，被称为相干光。激光对射技术正是利用了激光的这些优点，具有了探测距离远、受环境温度影响小、安装简单、易于移动、便于隐蔽、误报率低等优势，很好地克服了以上几类探测技术的缺点。

2 机场围界内激光的组网形式

图1为机场围界激光组网结构框图。本系统主要由现场装置模块、通信网络模块和监控模块3部分组成。现场装置模块包括激光收发单元和单片机。激光收发单元采用3组激光对射装置，属于点对点的对射方式，分别放置于离地高度40cm、80cm和120cm处（大致对应了人的小腿、腰和胸3个部位，具体高度可以调节），若无异物挡住时，接收端产生高电平，一旦有异物挡住激光，则接收端出现下降沿。单片机控制单元又可以分为信号接收单元、信号处理单元和报警指示单元，主要负责数据的传输、处理和电路的报警控制。单片机通过不断地对上述3路激光信号从低到高进行循环扫描，发现下降沿信号，然后对信号进行采样及处理，确定是否为人为入侵，控制报警指示单元的报警类型，并通过CAN总线上传至PC机，PC机通过CAN总线上传信号监控现场情况。

图1 机场围界激光组网结构框图

3 探测节点控制器的选择

探测节点控制器要求对激光信号进行实时监测并及时将监测数据上传，且采样周期短，持续时间长，具有较大的内存空间存储采样数据，同时为便于调试和扩展需要具备丰富的外围接口，ARM芯片作为当前主流的微控制器芯片，能够满足上述要求。本设计选用LM3S8962微控制器，其具备实时性高、内存空间充足、外围接口丰富、体积小、功耗低和开发环境简便等优势。所以，LM3S8962微控制器非常适用于作为探测节点控制器，能够充分满足设计需要。

4 激光对射在机场围界内的抗干扰性能与改进

抗干扰能力的高低是衡量系统稳定性的重要指标，激光对射装置位于报警系统的最前端，是引起报警的信号源，因此激光对射装置的稳定性和可靠性对整个报警系统的抗干扰性能起着决定性的作用。下面主要针对激光对射中常出现的3种典型的干扰因素进行研究，并提出改进方案。

4.1 激光对射装置高度不一致引起的误报

安装时，激光对射装置很难保证高度统一，一旦高度不一致就会引起激光接收器接收不到激光，因而判断为有异物入侵，从而产生误报。激光校准技术可以对激光对射角度进行校准，促使发射装置与接收装置能最大程度地处在同一水平线上，因此可以降低传输问题所引起的误报，从而使误报率大大降低。同时激光校准技术还可以提升激光发射功率的利用率，使其传输距离更远，进而减少激光收发装置的数目，使其成本得到很好的控制。

4.2 其他发射装置引起的干扰

当前我国大部分机场周界长度都在25km以上，因此需要安装激光发射装置的数目非常大。但激光的方向性极好，因此其传输距离很远，并且其发射角会因传输距离增长而呈线性增长的趋势，这就使本对激光束被遮挡时，还可以接收到相邻激光束甚至更远距离的激光束，如此便会造成漏报。其他发射装置的干扰产生的漏报示意图如图2所示。为解决上述问题，可以对接收信号的强度设定一定的阈值，超过该阈值则认为激光对射正常，低于该阈值则认为激光被遮挡，以此来避免相邻激光束的干扰。并且通过对相邻激光束设置不同的发射频率，将接收的激光束发到微处理器中检测其频率，对比其频率值是否与对应的发射装置的频率值一致。通过激光强度的阈值设定和激光频率的匹配检测，基本可以排除相邻激光束和较远处激光束的干扰与影响。改进后的对射装置识别示意图如图3所示。

4.3 鸟兽等引起的误报问题

一般机场位置偏远，飞禽会经常出没，甚至有小动物出现也不足为奇，因此不能避免鸟兽闯入或者跳出机场围界的现象，这就对机场围界报警系统提出了更严峻的考验。一般小型鸟类的飞行速度比较快，所以通过计算激光束的遮挡时间和遮挡个数可以排除小型飞鸟类入侵时的误报。鸟类展开翅膀时，宽度大约为10cm左右，身体的长度一般是50cm左右，因此可以得出其飞行时间约为100km/h，经计算可以得出其遮挡激光束的时间大约为18ms，一般遮挡激光的个数为1个。对于人类而言，身体厚度一般为20cm，设机场围界的设计令入侵者无法助跑的情况下，人的移动速度约为1m/s，那么人穿过激光所需要的时间约为200ms，并且人一般能遮挡2个～3个激光束，通过设定这些参数就可以辨别出鸟类和人类的入侵。对于小动物而言，其奔跑速度大约为20km/h，身体长约60cm，得出遮挡时间大约为108ms，但激光的遮挡个数会因动物的大小而不同，一般为1个或2个，因此通过设定参数也可以区别动物和人类的入侵。