基于ARM的機場圍界激光報警系統的研究

王増彩，趙 彥

（大連理工大學 城市學院 工程實踐中心，遼寧 大連 116600）

1 激光圍界的現狀及優勢

1.1 國內外現有的周界安防前端探測技術

當前國內外現有的周界安防探測技術主要有以下5類：①以圍欄震動、震動光纜、地埋震動以及地埋壓力為代表的震動探測技術，通過檢測電脈沖波型或光折射變化量感受入侵引起的圍欄震動，或探測器埋入地下探測由入侵者造成的土壤壓力變化或震動，從而觸發報警，此探測技術探測距離短，誤報率高，不適用于安全防范要求高的場合；②泄漏電纜探測和微波探測，觸發報警的條件是入侵者引起的電磁場的變化，該探測技術需要在特定的場合使用，造價較高、安裝工程量較大；③以戶外視頻移動探測為代表的探測技術，戶外視頻移動探測器整理CCTV攝像機搜集的標準視頻信號，通過每個區域圖像的變化來判斷有無異物入侵，此探測器探測的距離不超過80m，對工作時間和場合有嚴格的要求，探測效果受光線、天氣影響嚴重；④以張力圍欄探測及高壓脈沖電網探測為代表的探測技術，是由入侵者攀爬圍欄引起的鋼絲張力變化而觸發壓電探測器報警或者觸碰電網引起高壓放電而觸發報警，張力圍欄探測設備造價極高，安裝調試工程量巨大，受環境、溫度影響大，對環境要求高；⑤以被動紅外、激光對射為代表的探測技術，探測由入侵者造成的光線被遮斷的情況觸發報警，紅外探測技術具有3m左右的防御距離，受環境影響大。

1.2 激光對射技術的優勢

激光束主要有4大特點：①亮度高，因激光的發射能力強，并且能量的集中度高，所以亮度比較高，比普通光源能高出億萬倍，甚至比太陽表面的亮度高出幾百億倍；②方向性強，激光的發散角很小，射出距離達20km，光斑直徑僅有20cm～30cm；③單色性好，光的波長決定了光的顏色，顏色不同，波長不同；④相干性好，激光與普通光源不同，它是受激輻射光，有極強的相干性，被稱為相干光。激光對射技術正是利用了激光的這些優點，具有了探測距離遠、受環境溫度影響小、安裝簡單、易于移動、便于隱蔽、誤報率低等優勢，很好地克服了以上幾類探測技術的缺點。

2 機場圍界內激光的組網形式

圖1為機場圍界激光組網結構框圖。本系統主要由現場裝置模塊、通信網絡模塊和監控模塊3部分組成。現場裝置模塊包括激光收發單元和單片機。激光收發單元采用3組激光對射裝置，屬于點對點的對射方式，分別放置于離地高度40cm、80cm和120cm處（大致對應了人的小腿、腰和胸3個部位，具體高度可以調節），若無異物擋住時，接收端產生高電平，一旦有異物擋住激光，則接收端出現下降沿。單片機控制單元又可以分為信號接收單元、信號處理單元和報警指示單元，主要負責數據的傳輸、處理和電路的報警控制。單片機通過不斷地對上述3路激光信號從低到高進行循環掃描，發現下降沿信號，然后對信號進行采樣及處理，確定是否為人為入侵，控制報警指示單元的報警類型，并通過CAN總線上傳至PC機，PC機通過CAN總線上傳信號監控現場情況。

圖1 機場圍界激光組網結構框圖

3 探測節點控制器的選擇

探測節點控制器要求對激光信號進行實時監測并及時將監測數據上傳，且采樣周期短，持續時間長，具有較大的內存空間存儲采樣數據，同時為便于調試和擴展需要具備豐富的外圍接口，ARM芯片作為當前主流的微控制器芯片，能夠滿足上述要求。本設計選用LM3S8962微控制器，其具備實時性高、內存空間充足、外圍接口豐富、體積小、功耗低和開發環境簡便等優勢。所以，LM3S8962微控制器非常適用于作為探測節點控制器，能夠充分滿足設計需要。

4 激光對射在機場圍界內的抗干擾性能與改進

抗干擾能力的高低是衡量系統穩定性的重要指標，激光對射裝置位于報警系統的最前端，是引起報警的信號源，因此激光對射裝置的穩定性和可靠性對整個報警系統的抗干擾性能起著決定性的作用。下面主要針對激光對射中常出現的3種典型的干擾因素進行研究，并提出改進方案。

4.1 激光對射裝置高度不一致引起的誤報

安裝時，激光對射裝置很難保證高度統一，一旦高度不一致就會引起激光接收器接收不到激光，因而判斷為有異物入侵，從而產生誤報。激光校準技術可以對激光對射角度進行校準，促使發射裝置與接收裝置能最大程度地處在同一水平線上，因此可以降低傳輸問題所引起的誤報，從而使誤報率大大降低。同時激光校準技術還可以提升激光發射功率的利用率，使其傳輸距離更遠，進而減少激光收發裝置的數目，使其成本得到很好的控制。

4.2 其他發射裝置引起的干擾

當前我國大部分機場周界長度都在25km以上，因此需要安裝激光發射裝置的數目非常大。但激光的方向性極好，因此其傳輸距離很遠，并且其發射角會因傳輸距離增長而呈線性增長的趨勢，這就使本對激光束被遮擋時，還可以接收到相鄰激光束甚至更遠距離的激光束，如此便會造成漏報。其他發射裝置的干擾產生的漏報示意圖如圖2所示。為解決上述問題，可以對接收信號的強度設定一定的閾值，超過該閾值則認為激光對射正常，低于該閾值則認為激光被遮擋，以此來避免相鄰激光束的干擾。并且通過對相鄰激光束設置不同的發射頻率，將接收的激光束發到微處理器中檢測其頻率，對比其頻率值是否與對應的發射裝置的頻率值一致。通過激光強度的閾值設定和激光頻率的匹配檢測，基本可以排除相鄰激光束和較遠處激光束的干擾與影響。改進后的對射裝置識別示意圖如圖3所示。

4.3 鳥獸等引起的誤報問題

一般機場位置偏遠，飛禽會經常出沒，甚至有小動物出現也不足為奇，因此不能避免鳥獸闖入或者跳出機場圍界的現象，這就對機場圍界報警系統提出了更嚴峻的考驗。一般小型鳥類的飛行速度比較快，所以通過計算激光束的遮擋時間和遮擋個數可以排除小型飛鳥類入侵時的誤報。鳥類展開翅膀時，寬度大約為10cm左右，身體的長度一般是50cm左右，因此可以得出其飛行時間約為100km/h，經計算可以得出其遮擋激光束的時間大約為18ms，一般遮擋激光的個數為1個。對于人類而言，身體厚度一般為20cm，設機場圍界的設計令入侵者無法助跑的情況下，人的移動速度約為1m/s，那么人穿過激光所需要的時間約為200ms，并且人一般能遮擋2個～3個激光束，通過設定這些參數就可以辨別出鳥類和人類的入侵。對于小動物而言，其奔跑速度大約為20km/h，身體長約60cm，得出遮擋時間大約為108ms，但激光的遮擋個數會因動物的大小而不同，一般為1個或2個，因此通過設定參數也可以區別動物和人類的入侵。

圖2 其他發射裝置的干擾產生的漏報示意圖

圖3 改進后的對射裝置識別示意圖

經過以上分析，將遮擋時間閾值設為150ms，遮擋個數閾值設為2，可區分人類、動物以及飛禽的入侵。

5 總結

本文對機場圍界報警系統進行了研究。充分利用了ARM芯片的優勢，將ARM芯片應用到探測節點的主機上，設計了基于激光的機場圍界報警系統，并對影響報警系統的幾種典型問題進行了分析和探究，提出解決方案。

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