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现代化大型国际机场周界防范系统的分析与设计考虑

现在,在现代化大型国际机场的建设中设计并安装使用电视监控、防盗报警、通道控制、火灾报警等安全防范系统设备已经为大家所认知接受,无论是在领导管理层面,还是在技术和使用人员层面,都已经对这些系统有不同程度的了解和认识,这一结果经历了近二十年左右的时间。
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【安防知识网】现在,在现代化大型国际机场的建设中设计并安装使用电视监控、防盗报警、通道控制、火灾报警等安全防范系统设备已经为大家所认知接受,无论是在领导管理层面,还是在技术和使用人员层面,都已经对这些系统有不同程度的了解和认识,这一结果经历了近二十年左右的时间。但是,对在现代化大型国际机场的建设中设计并安装使用周界防范系统这一“新系统”的认知接受,似乎并不那么一致,也不太了解这个系统。即使在已经设计安装了周界防范系统的机场,由于种种原因,使用的结果也不尽如人意。

  周界防范系统在安全防范系统中的定位

  安全防范系统是电视监控系统、防盗报警系统、通道控制系统、火灾报警系统、防恐慌逃生系统、周界防范系统、巡更系统等的总称。这些系统虽因实现防范的技术手段不同而各具特色,但它们的功能目的却是一致的,它们既相对独立不可取代,又相互关联互为补充。周界防范系统顾名思义是解决外围的防范问题,显然周界防范系统也就是安全防范系统的第一道防线了。这如同战场上往往会设置多道防线进行防御一样,可见周界防范在安全防范系统中的重要性和地位。随着社会的发展,科学技术的进步,特别是美国“9.11”以后,反恐形势的严峻,大量的社会财富、机场、军事设施、电站、易燃易爆物资仓库等都需要采用周界防范系统进行有效的防范,以确保安全。因此,周界防范系统一定会越来越被人们认识、接受和重视。

  周界防范系统防范手段的分类和分析

  与其它安全防范系统的子系统一样,周界防范系统因采用的技术不同,也有许多不同种类,这主要是指其传感器的种类。通常,我们可以把周界防范系统的传感器分为三类:即容量类、围栏安装类和地面基础类。每种传感器,根据其探测的原理、成本的高低、被克服的难易、误报率的大小和安装的难易程度不同而决定了他们自己的特点和特性。由于计算机技术、图象数字化技术和通讯技术的不断发展,使得电视监控也能被直接应用于周界防范系统中承担工作,故本文中把智能视频系统作为第四类进行了介绍。

  容量类传感器

  这里主要是指适用于室外周界防范系统的容量类传感器。

  1、微波传感器(Microwave sensors)

  微波能量的无形方向图是由微波探测器产生的。探测器包含了一套发射/接收系统,接收器借助于由于入侵者在探测区域内运动、步行或爬行通过微波波束而引起发射器的变化来集中监视视场的情况。敏感区域的传感器将不仅会在垂直方向,而且在水平方向也发挥作用,无形的微波视场使系统能在入侵者进入探测视场时就被确定入侵点。

  这类传感器对安装现场的地形的要求很高,在系统设计中是需要重点考虑的因素。这实际上与微波能量的传输特性有关,因为微波的传播是直线传播方式,因此比较适用于开阔平坦的直线式警戒区域。

  2、主动红外传感器(Infrared sensors)

  与微波探测器的原理相似,它也包括了一套发射/接收系统,当有入侵者进入探测保护区域时,其主动红外波束将会因被阻挡而发生变化,系统借助于发射器和接收器来探测能量的变化。由于红外波束非常窄,这就让入侵者有可能大致确定波束的情况并试图去克服系统。但是,我们可以使用多波束红外形成波栅来增加波束的密度,这不仅可以克服单光束红外的缺点,而且还能与基本的信号处理结合起来以尽量减少由小动物、鸟等引起的误报。当然,我们还可以把主动红外与微波结合起来形成微波、红外组合式传感器进行使用。 [nextpage]

  波栅式主动红外传感器和微波、红外组合式传感器原理示意图如下面图1图2所示。

图1  波栅式主动红外传感器示意图(Infrared Perimeter Defence System)

图2  微波、红外组合式传感器示意图(Microwave & Infrared DualTec system)

  这类周界防范系统在设计使用时需要注意一些问题:(1)红外波栅必须要包围被保护区域;(2)在两个波栅塔之间不能有有形的障碍物,如树、灌木等;(3)需要仔细的观察波栅塔之间的地面条件,因为最低的波束距塔的基础板的高度一般为100多毫米。当然,对于地面条件确实很困难的地方,设计时允许视地面条件适当升高最低波束的高度,但必须确保安全;(4)对一些小动物,如兔子、猫等可能会引起的虚报警,可以通过调整塔的特性,使小动物通过最低波束时不发生报警;(5)在设计时应考虑当地的气候条件;(6)设计时,两个塔必须在同一直线上;(7)设计时,两个塔之间的距离最大不应超过100米。

  图2是一种微波、红外组合式传感器周界防范系统的示意图。这类周界防范系统通过红外和微波传感器的组合使用,从而增加了系统的可靠性、降低误报。同时,通过这种组合技术的使用,可以尽量减少因红外和微波自身特性所引致的对环境的要求和影响。

  3、静电传感器(Electrostatic sensors)

  这类传感器是通过集中并行的电场与感应线组成的长静电场来保护周围环境和边界安全的。电场和感应线是用来保证区分每两个支撑柱子间独立电场范围的状态和保证现有柱子间围拦的警戒。

  由入侵者造成的电场变化,使得传感线上的电信号发生变化,当信号的特性变化到足以确信的报警标准值时,系统就会发出报警信号。

  根据静电传感器的结构形式不同,单个传感器的警戒范围可超过300米长。 [nextpage]

  围拦安装类传感器 (Fence mounted)

  1、微音电缆传感器(Microphonic cables)

  微音电缆传感器适用于安装在各类以金属材料为基础的围拦上,要达到他们的最佳性能,则应考虑安装在铰链式或焊接网式围栏上。

  系统的心脏是安装在围栏上的电缆,它的作用就如同经专门调谐过的麦克风一样,随时可以监听围栏上的动静。实际上,这是一种经过特殊充电处理后带有永久预置静电荷的介电材料,并把他放在电缆的内、外导体之间。所以,也有把他称之为驻极体电缆传感器或麦克风电缆。

  这类系统设计了对电缆传感器的特性灵敏度进行调整和复杂情况进行分析的电路,用来分析是入侵者企图爬过或剪断周界围栏,还是其他小动物。传感器的这种特性使得操作人员能够在发出报警前先去确定并区分在规定的时间内发生事情的相关数据。

  这种电缆传感器的一个重要优点是使操作人员借助于围栏上的电缆具有了听力,并使他们能够去辨别企图入侵的类型。这类传感器的缺点是,若运输车辆来回开过围栏或入侵者从车辆顶部跳跃过围栏的话,系统就可能会不报警或误报。因此,为了使系统有效地工作,围栏必须保持在规定的基础上,如拉紧的铰链式围栏等等。

  如图3所示,是一种微音电缆传感器的原理结构示意图。在电缆的中心部分,由两条半园磁石组成,周围填满磁力聚合体。在这两条半园磁石中间固定有两条绝缘导体,其中留有间隙。在他们的外侧有两条没有绝缘的导线,可在气隙中自由活动,在这一层的外围包有聚脂薄膜铝箔,用以阻挡无线电射频的干扰,并作为活性导体的绝缘间隔层。漏管在任何一点均能触及铝箔屏。电缆的黑色表层是坚韧的聚乙烯,不易破损,并可防潮。电缆末端连接四个导体,形成两个闭合回路,以消除外界的电力干扰。

图3  一种微音电缆传感器原理结构示意图

  沿电缆任何一点极轻微的震荡,都能触发活性导体在气隙中活动,切割磁力场而产生一道微弱的电流回馈分析器,由电子装置分析这一扰动的强弱、频率及时间,并与预定的参数进行比较。电子分析系统的喇叭还会传出现场任何震荡而引发电缆被扰动产生的电信号声响。如系统确认干扰是由入侵引起的,便会发出报警。 [nextpage]

  2、紧线式传感器(Taut wire)

  这类传感器实际上是一种机械装置,用来探测传感线在围栏柱子间被拉紧后张力的变化偏差或被剪断时的情况。故这类传感器也被称张力传感器。

  紧线式传感器可以来自周界的物理阻挡层本身或直接被编入现有的围栏结构上。一般说,它的作用范围可达一公里,并能提供误报率非常低的识别能力,但这也是一种价格昂贵的方案。

  这类周界防范系统不受温度、湿度的变化和土壤变化的影响,甚至在非常苛刻的气候条件下,也能达到每公里、每月只有几次误报,这样低的误报率(FAR)仍能保证其具有非常高的探测概率和灵敏度。

  这类周界防范系统抗小动物干扰的能力强。系统在设计上,对于小于15公斤(30Ibs)的力的变化不会引起触发。这就避免了由这样一些小动物,如:兔子、猫、狗和鸟等可能引起的误报。

  3、光纤导线传感器(Fibre optic strands)

  光纤导线传感器现在大家可能知道的比较多,笔者在此不多作介绍。由于光纤导线很细,故一般是被安装在表面能弯曲的钢套内,钢套往往带有短短的倒钩,以增强它的物理防护性能。

  根据光纤导线的原理结构,我们可以知道,当光纤导线被折弯曲或被切断时,就如同使用一个断路探测器那样,系统会发出报警信号。

  地面基础类传感器(Ground based)

  1、掩埋式电磁线传感器(Electromagnetic buried-line sensors)

  这类周界防范系统是借助于埋在需防范保护区域围界地下的一对泄漏同轴电缆之间所产生的探测磁场来保护边界安全的。当有入侵者入侵时,使电缆间电磁场发生变化并通过信息的检测、分析,进而发出报警。系统运用技术的方法感觉入侵者的物理特性,并有效的区分来自正确目标与小动物或环境的干扰。

  这种形式的单一探测器能够警戒的边界区域可超过150米,当防御的高度增加到1-1.5米时,警戒电磁场的覆盖面积是很广阔的。一般讲,系统的警戒区域宽度等于电缆之间的距离,并在两侧各增加半米。

  室外掩埋式电缆传感器在地面上产生了一种看不见的屏蔽警戒,他们在任何形式的土壤中提供了高的探测率并具有看不见和几乎不能发现的优点。

  电磁线传感器的结构和基本工作原理如图4所示。

图4 电磁线传感器的结构示意图

  图4是电磁线传感器的结构示意图。我们可以看到,其外导体上开有按一定规律排列的小孔,允许一部分传输能量从电缆内部泄漏出去,并在电缆周围建立起一个电磁场。根据孔的尺寸和间隔可控制泄漏出去能量的大小。沿着泄漏电缆长度的外表面,在近场区(离电缆几米内)传播的是表面波,该波的传输速度和衰减由电缆周围的介质所决定。如电缆被安装在地面空气中,其传输速度就接近于波在自由空间的传播速度,其衰减相当的低。而如电缆被埋设在非常潮湿的泥土中,则其传播速度就要降低,衰减也非常高。因此,我们不仅要选用能适应目标灵敏度变化的泄漏电缆传感器,同时还要在设计时注意埋设电缆地面的变化程度、埋设深度和环境条件。因大暴雨而产生的突然变化,常常会产生类似入侵者的信号变化,从而发生误报。

  在这类周界防范系统的设计中,工作频率的选择是非常重要的。据报道,人体的截面在40Mhz~100Mhz频率范围内的变化是相当恒定的,在这个范围内,频率越低,则越能识别人、小动物和鸟。当然,在选择频率时,不仅要考虑耦合的有效系数,也要考虑在这个频率上作为防范目标的人的电学长度。另外,两根电缆的间距也是一个重要参数,一般讲选在2〜2.5米可满足最小传感区域。美国联邦电信委员会(FCC)规定:40Mhz〜60Mhz(中心频率为40.685Mhz)为扰动传感器的工作波段。 [nextpage]

  图5是这类周界防范系统的基本工作原理图。双平衡鉴频处理器R,一路输入直接耦合信号(被放大了70db),另一路输入从发射机T所连接电缆终端送来的直接发送信号。发射电缆与接收电缆并行安装,在无人跨过这对泄漏电缆时,鉴频器输入的这两路信号的相位相同,且幅值相等,所以鉴频器的输出为零。当有入侵者跨过这对电缆时,接收电缆除了接收到直接耦合信号外,还会接收到入侵者的人体反射信号。由于反射能量与串信能量所经历的路径不同,所以相位不同,幅值也要小的多。同时,反射能量只能在从入侵者人体进入和离开敏感区域这一段时间产生并维持。系统用积分的办法把它积累起来,取其绝对值进行放大处理,若此电平超过一既定的阀值,就触发报警电路。

图5  周界防范系统的基本工作原理图

  2、地音传感器(Geophones)

  这种地音传感器实际上是一种震动装置,也是一种证实入侵的探测技术。地音传感器能探测小的地面震动,如由步行所产生的震动。现在,随着数字技术和计算机技术的发展,有效的和更灵敏的提取、分析这种地面震动的电子系统技术也不断取得进展,并能克服与产生误报有关的问题,可以滤除所有的虚伪震动,除非他们具有特殊的需要。

  如同所有的掩埋式周界防范系统一样,也是完全在地面上看不见的安全防范系统。

  3、压力管传感器(Pressure tubes)

  这种传感器是把二种不同的液体混合在一起充入掩埋在地面下的管中,当入侵者步行通过他们时,压力管传感器就会对有限距离内的压力变化做出反应。其鉴别的门限值可以根据压力管传感器所处位置的不同条件来设置,例如茅草地面和沥青地面等等。系统只对达到预置的门限值信号发出报警。

  当然,这种传感器对充入的液体和管道是会有特殊要求的,并且对安装掩埋传感器的地面条件也有要求,否则系统不会有效的进行探测。需要指出的是,单一使用这种压力管传感器仍然不可能非常有效地去探测。这种类型的传感器虽然现在已不多见,但在周界防范系统各种技术的发展过程中也曾发挥过作用,故笔者还是把他作为一种技术手段介绍给大家。

  非传感器类技术设备在周界防范中的应用

  除了上面分析介绍的各种型式传感器可以被选择设计在周界防范系统中使用外,随着计算机技术和图象数字化处理技术的发展,电视监控系统也被广泛应用于周界防范中,并能直接承担周界防范的工作。

  相信每一个从事安全防范系统技术工作的人都会真实体会到计算机技术、数字技术、通信技术日新月异的迅猛发展,尤其是这三大技术的融合应用的发展,更是让安全防范系统频添了许多功能,解决了许多以往靠单一技术所不能解决的问题,使得系统更加完善、可靠、稳定。

  在20世纪90年代初,研究、生产智能视频监控(Intelligent Video Surveillance)系统和设备的公司还是凤毛麟角,笔者也只了解、接触到欧洲的一家公司这方面的系统产品。时至今日,经过近二十年的发展,这类智能视频系统和设备已如雨后春笋般的被推出,令人目不暇接。

  在周界防范系统中,电视监控系统主要有两个方面的作用:

  ·利用摄像机的可直观性对周界防范的区域进行监视观察,以了解现场情况,配合其他传感器系统的探测进行分析。这种情况下的摄像机只需要使用普通摄像机即可;

  ·把电视监控作为主要防范手段使用,这就需要使用全数字化智能视频系统和设备了。这种智能视频系统实际上是利用计算机技术和图象数字化处理技术对视频图像信号中的平均亮度信号、对比度信号、同步信号等进行抽样采集、对比、分析,从而以实时视频的方式对监视器屏幕上的百万多个像素建立起多达上千个赋值评定区域(或称为视场),这多达上千个赋值评定区域可以被设置成多道防线或防范区域。当然也可以只在监视器屏幕上设置光斑报警点,这只能监视某一特定的目标或一个小的范围。图像赋值可以是彩色赋值(RGBY)、单色赋值(Y)或单色轮廓变化赋值(YK)等供选择使用。

  现在,智能视频技术的发展已经可以通过图像的处理来消除云层影子、均衡运动、抖震动、雪点、雾气、闪光等对摄像机摄取图像的影响,而且可以通过视频分析非法入侵、车辆检测、行李检测、流量检测、排队检测、人数检测等工作情况。但需要指出的是,目前视频分析还没有统一的标准。

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