光电信息传输技术在安防中的应用

目前，光纤传输技术在安防监控系统中应用很广，尤其当前的有线网络均是由光纤光缆所构成。因此，凡是大型安防监控系统，其传输系统均釆用光纤传输技术。

        在实际的应用中，通常要在一条光纤上同时传输多路视频信号，这种系统称为光纤多路视频传输系统，即多路复用系统。它所采用的技术有光波分复用、光频分复用及光时分复用。这里只简要介绍一下釆用光波分复用技术的光纤多路视频传输系统。

       光波分复用（Optic Wavelength Division Multiplexing,OWDM）技术是在一根光纤中能同时传输多波长光信号的一项技术，其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用）,在接收端又将组合的光信号分开（解复用），并送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用。

       光WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带新业务（如CATV、HDTV和BIP-1SDN等）、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速传输通信等，具有十分重要的意义，尤其是WDM加上光纤放大EDFA,更是对现代电信网具有强大的吸引力。

       光波分复用技术的一种光双向单纤传输系统，如图6-24所示。

图6-24光双向单纤传输

        由图可见，它是在一根光纤中实现两个方向信号的同时传输。如终端I向终端II发送信号,由波长λ1携带；终端II向终端I发送信号，由波长λ2携带。用以实现彼此双方的通信联络，这种结构也称为单纤全双工通信系统。

       光双向单纤传输系统的光波分复用技术的一种应用于视频监控的实例如图6-25所示，前端（左端）摄像机摄取的视频信号及麦克风感应的声音信号，在混合器中形成基带信号，并以850nm的光波长经单根光纤传输到中心端（右端）的分离器，该基带信号经解调（分离）后，分别送往监视器和音箱。同时，中心端的声音信号及由控制器发出的控制信号，经混合器后,以1300nm的光波长，经同一根光纤返送到前端的分离器，分离出来的控制信号被送往解码器，经解码后可形成控制云台、电动变焦镜头及其他前端设备动作的各种控制电压。这样，借助单根光纤就实现了在中心端遥控远端摄像机组件的目的。

图6-25光波分复用技术的一种应用实例

 

这种光WDM技术的主要技术特点有

     （1）可充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，以降低成本。目前光纤通信系统只在一根光纤中传输一个波长信道，而光纤本身在波长区域有很宽的低损耗区，有很多的波长可以利用，因而具有很大的应用价值和经济价值。

     （2）可同时传输多种不同类型的信号。由于WDM技术中使用的各波长相互独立，因此可实现多媒体信号（如音频、视频、数据、文字、图像等）的混合传输。 

       (3)可实现单根光纤双向传输，由于许多通信(如打电话)都采用全双工方式，因此可节省大量的线路投资。

       (4)可降低对一些器件性能上的极高要求，同时又能实现大容量传输。因为随着传输速率的提高，许多光电器件的响应速度已显不足，因而需使用WDM技术来弥补。

       (5)对已建成的光纤通信传输系统扩容方便，只要原系统的功率富余度较大，完全可进一步增容，而不必对原系统进行大的改动。

        (6)光WDM技术在以上三种基本结构基础上，还有很多其他应用形式，如广播式分配网络，多路多址局域网络等，因此对网络的应用十分重要。

        一种实用的光纤模拟射频多路视频信号传输系统的典型的结构框图如图6-26所示，由图可知，它利用射频多频道视频信号直接调制单模激光器，并不加中继放大、均衡等处理，只经一根低损耗单模光纤长距离传送到光接收探测器，然后经检波器直接恢复多频道电视射频信号,再经对应各射频信号的解调器，解调出视频全电视信号。

图6-26   光纤模拟射频多路电视系统方框图

       实际上，图6-26是一种AM光纤传输系统，它是先将各摄像机的视频信号分别调制到对应的射频频道上，并经混合后再去调制光发射端机。光发射端机输出光信号，以送入光纤中。经光纤传输后，由光接收端机解调出射频信号，再经射频解调器，解调出对应摄像机的视频全电视信号。

        自从1800年英国天文学家F.W.赫歇尔发现红外辐射后，红外传输技术的发展己经历了两个世纪有余。近几十年来，除红外传输技术之外，又涌现出RF射频、Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等新兴的无线传输技术。为什么红外传输技术依然能在家居控制领域占据一席之地呢？主要是它与其他短距离无线传输技术相比，具有稳定性好、私密性强、成本低廉等特点。

        智能家居系统是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将灯具、窗帘、家用电器、报警设备等进行整合，实现统一管理和智能控制。而红外传输技术在这样一个控制系统中，可以同时扮演多种角色，能起到许多关键性作用。

      （1）红外线遥控。红外遥控器在人们日常生活中的应用，已有多年历史。传统的红外遥控器，一般是针对单个电器进行控制，例如通过电视遥控器控制电视机，通过空调遥控器控制空调，大部分人的家庭都有着两把、三把甚至更多的遥控器。但随着智能家居控制系统的出现,我们已经不需要这么多遥控器了，只需要一把遥控器，就可以对家中所有的电器设备进行控制。釆用综合布线技术，配合相关的通信协议，可以将家中的所有灯具、窗帘、各类家用电器及报警设备整合到统一的系统当中，然后通过遥控器或者控制面板对它们进行操作。另外，还可以配合智能家居系统的情景功能，用最简单的操作同时控制多个设备，例如下班回家后，只需要拿起红外遥控器按一下“夜间模式”，即可自动关闭窗帘、开启客厅灯光，打开电视机、空调、音响，并将家庭报警设备设置为主人在家的模式，防止误报。这样就省却了对电器及设备进行逐个操作的繁琐，轻轻一按遥控器就能收获好心情。

      （2）红外探测。红外探测技术分为主动式红外探测及被动式红外探测，两者在智能家居中有着不同的应用方式。主动式红外探测，是通过红外线发射器发出一束或多束经过调制处理的平行红外光束，由红外线接收器进行接收，并转换为数字信号发送给报警控制器，若传输区间出现障碍物，就会触发报警。主动式红外探测在家庭报警系统中有着广泛的应用，比如在阳台的两端各安装红外发射及接收器，只要有人翻越阳台，马上就会触发报警信号，让主人在第一时间做好戒备。

        被动式红外探测器是通过热释电传感器，对相应区域的红外信号的变化，来判断该区域内是否有人。由于是走动的人体，当人通过探测区域时，热释电探测器就感应到人体变化的红外信号，就会向系统提供反馈信号，配合智能家居的联动功能，可以实现人来灯亮、人走灯灭的功能。比如在卫生间的门顶安装一个被动式红外探测器，当主人起夜，走进卫生间时，灯光会自动打开，而离开卫生间后，灯光自动关闭，既方便又能达到省电的效果。

      （3）其他应用。红外线传输作为一种无线通信技术，还可以应用于家电设备之间的数据传输方面，如音频传输。无线红外技术最大的优点就是带宽大，甚至要超过其他三种主流无线技术，这就意味着采用红外无线技术的音频产品可以不用压缩来传输大容量的音频信号，可以满足更高码率格式的运行。国内的多媒体音箱领军厂家漫步者在2008年发布了一款红外功放——Ramble。由于它采用红外传输方式，无需数据线，可以随意安装于室内的任意位置，如安装于墙面或天花板，相当方便，而且不会因为裸露在墙面上的线材而影响室内装修的美观性。

        红外传输技术由于其技术成熟、稳定性好、私密性强、且成本相对低廉，在智能家居控制系统中得到广泛的应用。虽然它存在着一些技术瓶颈及缺陷，如传输距离短、通信角度小，但目前其他无线通信技术还未达到尽善尽美的程度，所以在接下来很长的一段时间内，红外传输技术依然会在智能家居控制系统占据一席之地，与RF射频、Wi-Fi,Zigbee等无线技术共存,为大众家居生活质量的提高做出贡献。

红外线传输技术在智能家居控制系统中的应用，如图6-27所示。

图6-27红外线传输技术在智能家居控制系统中的应用

        高速公路监控系统是在城市街道交通管制系统的基础上发展起来的。近年来随着计算机技术、自动化技术和光纤通信技术的发展，我国的高速公路监控系统的技术结构也随之变化，车辆检测器尤为突出。红外线车辆检测器的应用非常广泛，因其价格低廉，技术性能稳定，深受广大业内人员的欢迎。 

        红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路选通电路检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

与其他检测技术相比，红外线车辆检测器具有以下特点。

      （1）它通过类似于光学镜头式地瞄准可视范围，可以按车道“聚焦”检测域。红外线车辆检测器是靠检测车辆进入收费车道时，遮挡自身发射的红外线进行工作的，检测器收集外界的红外辐射聚焦到红外传感器（通常采用热释电检测器，这种元件在接收的红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷）上，检测处理后向车道工控机发出信号。

        当遇到车辆进入车道遮挡住传感器发出的红外光线时，传感器发给收费亭内工控机信号，车道摄像机实时抓拍，图像记录在工控机中，这样就完成了一次车辆图像抓拍，与以往单独使用线圈式车辆检测器配合车道摄像机实施抓拍的方式相比,红外线车辆检测器使图像抓拍的位置比较精确，误差小于1cm,而且反应时间短。

      （2）它不受恶劣气象条件或物体颜色的影响。红外线车辆检测器标准检测物体为75mm以上的不透明物体，在工作时适应的温度为-25°C~55°C,湿度为45〜85%RH。该检测器以被动的方式检测，能穿透烟雾和水汽，在很大程度上不受气候的影响。只对可视范围内精确定义的温度突然变化做出响应，并忽略在一天内和一年内天气情况导致的路面缓慢变化。通过以微处理器为核心的数字化处理，用以帮助摄像机实现图像的抓拍。

      （3）它仅接收自发的红外辐射，不会造成对周围环境的辐射污染。

      （4）被动车辆检测器器件功耗很小，隐蔽性较好，能装在收费亭外部，不需要昂贵的土建施工费用。

        红外线车辆检测器安装过程很简单，只需将检测器中的信号线接入到工控机中即可实现，需要用到的工具和材料也很少，不影响收费工作的正常进行。在连接完毕后，也可以重新设置和校准，节约了大量的人力物力。

        红外线车辆检测器是使高速公路监控收费系统稳定、可靠、有效、持续运行的重要保证。例如，唐港高速公路采用被动式红外线车辆检测器进行车辆图像抓拍和车牌号码识别，使唐港高速公路图像抓拍率达到92.4%,大量地杜绝了车主、司机作弊的行为，并具有安装维护简单、稳定、可靠、监测直观等优点，系统稳定运行已多年，效果良好。

红外线的应用非常广泛，作用也非常大，以下再举几例。

      （1）红外线在医疗保健中的应用o在红外线区域中，对人体最有益的是4pm〜14卩m波段，它有着孕育宇宙生命生长的神奇能量，所有动物、植物的生存、繁殖，都是在红外线这个特定的波长下才得以进行，因此许多专家、学者称之为“生育光线”。远红外纺织品是近年来新兴的一种精密陶瓷粉经特殊加工制成，具有活化组织细胞、促进血液循环和改善微循环、提高免疫力、加强新陈代谢、消炎、除臭、止痒、抑菌等功能。

      （2）红外线作接口应用。越来越多的电子设备装配了红外端口，支持无线传输，避免了通过电缆连接的累赘；如利用红外线可通过手机上网。

      （3）红外线遥感的应用。在漆黑的夜晚应用红外遥感设备可以探测各种矿藏，我国利用红外遥感照片，调查了地热资源和放射性矿藏等资源。

      （4）红外线侦察的应用。侦察卫星携带红外成像设备可获得更多地面目标的情报信息，并能识别伪装目标和在夜间对地面的军事行动进行监视；导弹预警卫星利用红外探测器可探测到导弹发射时发动机尾焰的红外辐射并发出警报，为拦截来袭导弹提供一定的预警时间。

      （5）红外线制导的应用。红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标,以提高命中率。

太赫兹波的应用非常广泛，这里主要介绍它在国家安全防范等方面的应用。

        太赫兹波最具吸引力的应用是将太赫兹辐射成像及其光谱灵敏的优点相结合，因而可在安防领域大显身手。由于许多化合物在0.5〜5THz波段具有独特的吸收谱线，因此在木箱、包裹或邮件内隐藏的爆炸物或违禁药物，不仅可被精确定位，而且由于它们独特的光谱“指纹”，还能准确地识别出它们到底是什么。

         此外，由于太赫兹波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸箱、干木材等物质具有较好的穿透性能，尤其是对塑料、纸箱等有很强的穿透力，因而可用来对已包装好的内部货物，以及人体身上的隐藏物进行成像，如经实验可检查出藏在棉布后的陶瓷刀片等，所以可用太赫兹技术进行非接触的安全检测，并识别是否有爆炸物、化学或生物危险品、毒品、刀枪武器等，尤其是可用来进行邮件监测，识别邮件内的隐藏物，如邮件炸弹等。

        目前，太赫兹技术现己受到了反恐、公安、保安等部门和海关、机场、车站检查等方面的重视。 

        由于太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更为精确的时间检测装置，可做成太赫兹雷达以对目标进行敏感探测与监视，它可探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，因此，太赫兹雷达在国家安全与军事上有广阔的应用前景。

        一般，雷达主要靠接收目标的反射信号来发现目标，如果目标表面能吸收或散射雷达波，就可大大减小被对方雷达发现的概率，从而达到隐形的目的。通常，用吸波材料构成的隐形目标只对很窄的一个波段适合，所以常规的窄带微波雷达无法有效探测雷达截面很小的隐形飞机。而太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲包含了丰富的频率，可使隐形飞机的窄带吸波涂层失去作用。

        此外，这种宽带太赫兹雷达波，对隐形飞机的扁平形、十分薄的边缘，不会像普通雷达那样形成共振吸收而减弱反射强度，它仅能产生很小的共振，从而有比普通雷达强得多的反射波。这种太赫兹雷达能以GW级和成千上万种频率发射纳秒甚至皮秒级的脉冲，使它拥有许多普通窄带雷达所没有的优点和能力。

        总之，由于雷达主要是用来探测空中目标方位和距离的，而超宽带太赫兹雷达以其高的距离分辨率、强穿透力、低截获率、强抗干扰性以及优越的反隐身能力，而完全可用于对国家安全的远程监视与探测。显然，有了此种雷达的远程监视，即可预防类似美国9-11事件的发生。

        此外，利用太赫兹技术还可进行远距离成像、多光谱成像及三维立体成像，在战场上可用于显示前方灰尘或烟雾中的坦克等。

        太赫兹波的另一个潜在应用是通信市场。虽然目前尚不存在合适的太赫兹波传输线，但人们正在设想使用100GHz及以上的自由空间信道（卫星通信或无线下载高速视频等）。由于太赫兹波是很好的宽带信息载体，显然它能做到的信道数比微波多得多，尤其适合于卫星间、星地间及地面局域网的宽带移动通信，如星际通信、短程大气通信等。

        目前，太赫兹波通信收发机的原理实验已经开展，作为宽带无线通信手段正在研发中，如欧盟等发达国家正进行该方面合作项目的开发，不久将会有产品出现。

        由于太赫兹波有强的穿透力，且其光子能量很低，只有几个毫电子伏特，穿透时不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂痕等进行无损检测和成像，在航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。如可对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤，被美国宇航局选择为发射中用来进行缺陷检测的技术之一。

       此外，还可用于大规模集成电路的质量检测，如可拍摄到封装在IC芯片中的封装的金属引线等。

        因为很多蛋白质和DNA的晶格振动模式从理论上预言是处于太赫兹波段的，所以可用来进行DNA的检测与识别。带有DNA和其他生物分子的压片已经使用太赫兹方法得到了复数的折射率，在低频红外激发的模式上存在着大量的吸收。 

        DNA的分析是利用鉴别核酸上的碱基序列，而开发并进一步应用的。根据折射率的不同，利用太赫兹光谱，已经具有分辨单股和双股DNA的能力。最近，又得到了检测飞摩尔灵敏度的单碱基对变异的识别能力，从而可对DNA进行较好的检测与识别。

        氨基酸和蛋白质等生物大分子的无标志识别，太赫兹医学成像和层析成像，可在生物和医学诊断与检测中得到广泛应用。尤其是在用于皮肤病和乳腺癌等的检测与诊断方面，国际上已取得了一定的进展。目前，太赫兹的近场成像技术已经使其分辨能力达到了波长以下的尺度,太赫兹显微成像的分辨力已经达到几十微米，能清晰地看到皮肤与乳腺中的肿瘤，从而可用于进行皮癌与乳腺癌的诊断。

        此外，利用太赫兹射线的生物探头，可探测糖蛋白avidin和维生素H的混合物；太赫兹技术还能对烧伤进行探测，可对烧伤的深度及程度进行准确标定。

        人们的食品安全也很重要，太赫兹技术还可用于对食品进行质量检测。如在肉制品的检测中，因为瘦肉吸收太赫兹射线，而脂肪对太赫兹频带几乎是透明的，利用这种特性即可对肉制品进行质量检测；对塑料膜包装的食品，可用反射太赫兹波强度来测量其表面水分的含量，从而确定其新鲜的程度等。

        除此之外，太赫兹技术还可用于大气污染检测，以及天文学的研究中等，这里就不一一叙述了。

        由上可知，太赫兹技术是一门新的极具活力的前沿领域，其应用非常广泛。目前，世界各国均争相研究发展自己的太赫兹技术，我国也不例外。但总的看来，太赫兹技术的研究仍然处于初级阶段，还存在着许多亟待解决的问题。

随着科学技术的不断发展，现在太赫兹技术领域的新理论、新现象、新方法和新应用层岀不穷，太赫兹系统已经实现了小型化。脉冲太赫兹辐射能够在最短的时间内提供宽带光谱数据,通过探测脉冲的回声（采用类似于雷达的方式），可以获得样品的深度信息。连续太赫兹辐射，能够提供日益增长的频率分辨率，因而可用于测量较窄的光谱特征。目前，连续太赫兹辐射使用的激光器要比现有的昂贵的飞秒激光器价格低廉。

        显然，太赫兹技术是在成像、光谱、通信、安防等这些具有巨大潜力应用的前沿技术，目前人们对它们的期望己经超过了现有的技术可行性。那些基于DFB二极管激光器，以及正在进一步研究的飞秒光纤激光器的光电技术，有望为太赫兹波提供更广阔的应用商机。相信不久,经过安防科技工作者的努力，太赫兹技术自然会在安全防范领域中大显身手。

       光信息调制传输技术在安防监控系统中的应用很广，因为只有在发送端把信息经过调制后再把这种调制光作为载波进行传输，才能抗干扰，而在接收端最后解调出信号来。

        如广州天网安防科技有限公司的新型远距离红外线幕墙。它釆用数字通信原理对于波长为940nm的红外射束进行编码调制，形成多光束、严密的隐形防范。当物体阻断任意相邻两根射束N20ms（相当于国际级短跑运动员冲刺速度）时，即可触发输出报警信号，并不会由于飞鸟、昆虫等飞过而引发误报警。在红外线射束附近从事正常活动的人员/物体的活动也均不会触发报警，特别适用于院落面积狭小的特定环境使用，因而具有占用最小地面面积的优点。

        由于用多根红外射束构成高约2m的防范界面，因而构成了红外线幕墙，在人的奔跑、跳跃、贴地爬行、飞身等行为穿越防范界面时，都会触发报警。该系列产品于2005年获得国家强制性认证证书，是证书中唯一具有使用距离60m,100m覆盖的系列产品。由于该系列产品釆用同步通信、自适应强度调节及自适应变换频率等多项专有技术，因而误报率较低。

该产品己成功应用于2008年北京奥运会200km周界防范，故宫博物院紫禁城周界防范,以及多省监狱的周界防范。

        一般，各种各样的远程传输系统，均要将信号进行调制后传输，在安防监控领域也不例外。说得简单一点，如DVR与DVS,以及网络摄像机，它们只有将视频图像信号经编码调制后,才能通过网络将信号传送到远端的监控中心。这就是为什么在监控中心要经过解调器解码后,才能使图像还原而上电视墙上显示出来的原因。