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1、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 别信息工程系专 业电子信息工程班 级指导教师2010年5月24日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
2、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251000MHz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Infrare
3、d alarm system of research and application designAbstract this paper designed a new photoelectric security alarming system. Double detecting technology integrates the two detecting technology, with the relation of together to trigger the alarming system The infrared radiation (human body temperature
4、) 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 chan
5、ges 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 canbe received by the accepting circuit or the r
6、adio. 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 251000MHz frequency disturbance, and can withstand 100 W interfering sig
7、nals 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目 录第1章 绪论11.1引言
8、11.2防盗报警系统的发展状况21.3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42.1热释电红外探测原理与器件42.1.1热释电效应42.1.2热释电光敏器件的结构52.1.3多视场菲涅尔光学镜72.2微波探测原理及活动目标的探测方法92.2.1多普勒效应及检测方法92.2.2连续波辐射相干检测法检测活动目标122.2.3相干脉冲检测法检测活动目标142.3系统组成框图及工作原理152.4热释电红外探测电路的设计162.5微波多普勒探测电路的设计162.6报警发射和接收电路172.7报警系统的安装19第3章 防盗报警系统性能的实验检测203.1热释电红外探测器件性能的检测203.2微
9、波多普勒探测系统性能的检测243.3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
10、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2560m;透射式的灵敏度最低，探测距离为2l0m;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
11、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
12、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
13、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
14、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(
15、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: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种类声波报警器超声波报警器微波报警器热释电红外报警器超声波热释电红外报警器超声波微波热释电红外微波误报率可信度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
16、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
17、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
18、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。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
19、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
20、光器作为窗口材料，以Si为例，把它作为窗口材料，在1m以上与波长无关。有的窗材只能通过4.1m附近的光，而有的可通过6.1m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和波长表示，即为： （2.1）式中：h为普朗克常数，；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
21、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，热释电系数表示为： （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
22、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（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814m的干涉滤光片，它透射过来的光
23、谱如2.4 (b)所示。波长小于8m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（m）(a)人体辐射红外光谱图(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
24、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0.35Hz。场效应管的输出阻抗为1047k。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12m。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，
25、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2560m；透射式的灵敏度最低，探测距离为210m；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。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
26、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.
27、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：68mm38mm；(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。实际上，菲涅尔透镜有
28、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
29、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Umber das febrile Licit dear Dopplersterner 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
30、续波，其瞬时值为： （2.3）式中：，f0为探测信号的频率；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： （2.4）式中：为回波信号瞬时高频相位；为回波信号相对于探测信号的时延。的值为： （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3108m/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 相同，则固定物体反射回波的瞬时值为： （2.6）式中：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 （2.7
31、）式中：为移动目标被发现时相对于探测器的起始距离；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（2.8）式中：为活动目标回波信号的幅值。定义： （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。将代入(2.7)式，则可写作 （2.10） 式中: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。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： （2.11）式中：为活动目标移动的瞬时
32、速度；为运动轨迹与探测器馈源和目标连线的夹角。当时，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911 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)9876543210.5fd(Hz)563520437.5375312.5250137.512562.531.5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
33、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
34、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 （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 （2.13）式中：为回波信号相对于探测信号的延时；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，
35、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 （2.14）式中：为探测信号的瞬时相位；为目标回波信号的瞬时相位。对于静止物体，径向速度，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（2.15）式中：为回波信号的时延；为差拍合成信号的角速度，其值为（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，其合成信号的幅值是不随时间变化的；而对于活动目标，其合成信号的幅值是随时间变化的。用连续波
36、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： （2.17）式中：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
37、波器的信号有两个：一个是探测目标回波信号，另一个是作为基准的相干振荡信号。（2.18）式中：、别为目标回波信号和相干振荡信号的幅度；为相干振荡起始相位；为相干振荡的瞬时相位。在相位检波器中对信号和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(、)（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（2.20）式中：为活动目标回波信号幅值；为在 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
38、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（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
39、所示。图2.10 热释电红外报警装置组成框图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715m。它可将人体辐射出的红外信号能量转换成相应频率(0.35Hz)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：2mm1mm。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7075dB。 IC2也采用A3140，
40、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IC2脚的信号高于脚设定的参考(比较) 电压，其输出端脚转呈高电平，使VT2饱和导通，其集电极呈低电平(约为0.35V) 。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
41、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。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。
42、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3mm的金属线弯成120mm150mm的圆环状。A2A4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
43、.14。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 （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3DA386
44、6A8，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88108MHz的调频信号，并经天线WT发射至空中。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。解调后的信号由脚输出。图中IC2采用优质双声道小功率音频放大集成电路TDA282
45、2M，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、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0.71mm漆包线在4mm钻头圆棒上密绕5匝后脱胎即成；天线WR使用7001000mm软线即可。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
