本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《傳感器與微系統(tǒng)》2017年第2期，版權(quán)歸《傳感器與微系統(tǒng)》編輯部所有。
王司東，徐德輝，熊斌，王岳鵬，劉華巍
中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
摘要：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離紅外目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)的識(shí)別，設(shè)計(jì)了基于熱電堆紅外傳感器的紅外探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括梯析（GRIN）透鏡、微系統(tǒng)（MEMS）熱電堆傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路和識(shí)別算法。探測(cè)結(jié)果表明：在相同光路系統(tǒng)的情況下，探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了比熱釋電系統(tǒng)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)目標(biāo)和靜態(tài)目標(biāo)的識(shí)別，并基于探測(cè)目標(biāo)溫度、輻射面積的區(qū)別，實(shí)現(xiàn)了人、車輛和其他紅外目標(biāo)的分類識(shí)別，可為紅外目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別提供一種新的解決方案。
關(guān)鍵詞：熱電堆傳感器；紅外探測(cè)；靜態(tài)識(shí)別；分類識(shí)別
0引言
紅外探測(cè)技術(shù)憑借其環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紅外偵查、防盜報(bào)警等領(lǐng)域。目前常用的紅外探測(cè)技術(shù)主要有基于運(yùn)動(dòng)特征的方法、基于形狀信息的方法、基于人體模型的方法等，采用紅外成像設(shè)備系統(tǒng)是非常昂貴且計(jì)算復(fù)雜度高; 然而紅外目標(biāo)的入侵識(shí)別應(yīng)用往往不需要由圖像設(shè)備提供高分辨率，利用紅外傳感器對(duì)目標(biāo)輻射特征識(shí)別來代替視頻追蹤，作為價(jià)格昂貴的熱成像紅外設(shè)備的替代品是可行的。
現(xiàn)有的紅外探測(cè)系統(tǒng)大多是基于熱釋電紅外傳感器的運(yùn)動(dòng)特征識(shí)別，其探測(cè)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)入侵識(shí)別，應(yīng)用領(lǐng)域受到很大局限。
為了實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)入侵探測(cè)和靜態(tài)識(shí)別，本文設(shè)計(jì)了一種基于微系統(tǒng)（MEMS）熱電堆紅外傳感器的紅外探測(cè)系統(tǒng)，采用梯析（GRIN）透鏡會(huì)聚目標(biāo)輻射以提高有效探測(cè)距離，利用熱電堆傳感器探測(cè)目標(biāo)紅外輻射，對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行小波分解和重構(gòu)，濾除背景輻射帶來的基線漂移，通過多閾值設(shè)定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的分類識(shí)別。
1熱電堆紅外探測(cè)器工作原理
熱電堆探測(cè)器是一種可以對(duì)外界紅外輻射產(chǎn)生響應(yīng)的傳感器，近10年來，由于微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，MEMS熱電堆紅外傳感器也取得了飛速發(fā)展。
一般而言，微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器主要由紅外吸收體，絕緣結(jié)構(gòu)和熱電堆組成（圖1），熱結(jié)區(qū)與紅外吸收體相鄰，其溫度隨紅外吸收體變化而變化，冷結(jié)區(qū)與熱結(jié)區(qū)通過絕緣結(jié)構(gòu)隔離，其溫度與環(huán)境溫度保持一致。當(dāng)紅外吸收體吸收外界輻射時(shí)，熱結(jié)區(qū)溫度升高，而冷結(jié)區(qū)溫度不變，導(dǎo)致熱結(jié)與冷結(jié)溫差增大，通過賽貝克效應(yīng)，熱電偶材料將溫差轉(zhuǎn)換為電壓，故可以通過熱電堆兩端的輸出電壓測(cè)量外界紅外輻射的大小。
圖1 MEMS熱電堆紅外探測(cè)器組成結(jié)構(gòu)
2光學(xué)系統(tǒng)
紅外輻射能量在大氣中傳輸會(huì)存在衰減，GRIN透鏡是一種非均勻介質(zhì)透鏡，用來配合熱電堆傳感器以提高接收靈敏度及擴(kuò)大探測(cè)距離和范圍。
GRIN透鏡的參數(shù)如下：型號(hào)為GERMANIUM；焦距為41.2 mm；入瞳直徑為21.035 mm；探測(cè)角度為4°；厚度為2.55 mm。
圖2 GRIN透鏡的視場(chǎng)仿真
3信號(hào)調(diào)理電路
設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路是為了在充分抑制噪聲的前提下，實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的有效放大，同時(shí)保證最小的失真，電路設(shè)計(jì)的好壞對(duì)探測(cè)器性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵性作用。設(shè)計(jì)一個(gè)放大調(diào)理電路，首先需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行分析，常用比探測(cè)率D* 描述探測(cè)器的綜合性能，定義為
式中NEP為噪聲功率密度，S和N為探測(cè)器的信號(hào)電壓和噪聲電壓，PD為探測(cè)器靶面接收的輻射功率密度，A為探測(cè)器靶面面積，Δf為放大器帶寬（它影響著系統(tǒng)中的噪聲）。D*為一個(gè)綜合反映探測(cè)信號(hào)、噪聲及帶寬的指標(biāo)，D*越大，探測(cè)器性能越好。傳感器的關(guān)鍵參數(shù)：噪聲等效功率NEP為
比探測(cè)率（D*）為1.5 × 10cm
響應(yīng)度R為182 V/W；
時(shí)間常數(shù)Τ為15 ms；
輸出電阻R為100 kΩ。
首先確定輸出信號(hào)的帶寬，熱電堆探測(cè)器輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)形式為
式中Vt為一定輻照度下探測(cè)器的瞬時(shí)輸出電壓，Vmax為一定輻照度下的探測(cè)器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓，τ為時(shí)間常數(shù)。對(duì)式(3)進(jìn)行傅里葉變換并取值衰減至10%處為信號(hào)帶寬，得到探測(cè)器輸出信號(hào)帶寬為11 Hz。
其次需要確定探測(cè)器本地的噪聲，即噪聲等效電壓。根據(jù)探測(cè)器的噪聲等效功率為
和響應(yīng)度182 V/W，得到噪聲等效電壓為
當(dāng)明確了放大信號(hào)的基本特征后，方可進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，為了滿足上述信號(hào)放大，選用運(yùn)放AD8629作為前置放大器，電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，前置放大電路用以對(duì)信號(hào)低噪聲放大，低通濾波器用以限制噪聲帶寬并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前的抗混疊濾波，后級(jí)放大用以對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，從而有效利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換的滿量程。
圖3 信號(hào)調(diào)理電路框圖
由于熱電堆傳感器信號(hào)微弱且內(nèi)阻很大，同相比例運(yùn)算電路具有較高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，增益不受信號(hào)源內(nèi)阻的影響，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的阻抗匹配，且可以實(shí)現(xiàn)傳感器微弱信號(hào)的拾取。熱電堆傳感器輸出信號(hào)受環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致偏置電壓，影響目標(biāo)的識(shí)別，采用熱電阻作為補(bǔ)償單元，消除環(huán)境溫度帶來的影響。
模擬低通濾波器的主要作用在于對(duì)高斯分布的廣譜噪聲進(jìn)行限帶濾波，為后級(jí)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換提供抗混疊濾波，為了盡可能減小信號(hào)失真，需要濾波器衰減陡度較大，所以采用二階低通濾波器，截止頻率設(shè)置為15.9 Hz。在濾波后，為了充分利用后級(jí)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程，需要進(jìn)行二級(jí)放大，電路總的放大倍數(shù)為41 × 201 = 8241倍，熱電堆信號(hào)由幾個(gè)微伏量級(jí)信號(hào)被放大到幾十毫伏量級(jí)。
圖4 前置放大電路
4信號(hào)采集和識(shí)別算法
信號(hào)采集電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。
圖5 信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)框圖
通過熱電堆探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)紅外目標(biāo)的波形采集，如圖6所示。
圖6 運(yùn)動(dòng)和靜止信號(hào)
觀察發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生一定頻率的上升沿，目標(biāo)如果一直存在于視場(chǎng)中，輸出會(huì)一直保持在高電平，當(dāng)目標(biāo)離開探測(cè)區(qū)域時(shí)，會(huì)有一個(gè)一定頻率的下降沿。理想情況下，傳感器探測(cè)目標(biāo)的輸出應(yīng)該是一個(gè)矩形信號(hào)，但是由于背景干擾的影響，傳感器的輸出存在基線漂移的干擾，如果直接采用閾值識(shí)別方法，將會(huì)產(chǎn)生很多由于基線漂移帶來的誤報(bào)，影響探測(cè)系統(tǒng)的有效識(shí)別距離。
針對(duì)基線漂移的特性，提出了小波分解與重構(gòu)的處理方法，將探測(cè)器信號(hào)x(t)分解成若干本征模函數(shù)（intrinsicmode function，IMF）分量，信號(hào)x(t)可以表示成
若IMF分量不包含基線漂移的信息，則其均值應(yīng)該為0，對(duì)含有基線成分的IMF 進(jìn)行小波分解，將頻率范圍只覆蓋基線頻率的小波細(xì)節(jié)置零，然后小波重構(gòu)獲得新的IMF分量，最后進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)就得到消除基線漂移的探測(cè)器信號(hào)。根據(jù)IMF分量的性質(zhì)，若IMFi不包含基線信息，則其均值應(yīng)該為0，即應(yīng)該滿足下式
結(jié)果如圖7所示，線漂移基本上被濾除，通過識(shí)別算法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和靜止識(shí)別，識(shí)別算法如圖8所示，識(shí)別結(jié)果如圖7矩形波所示。
圖7 小波處理結(jié)果與識(shí)別結(jié)果
圖8 識(shí)別算法框圖
5系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析
對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)，探測(cè)器與目標(biāo)距離設(shè)置為10、20、30、40、50、60 m等，探測(cè)方向與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向垂直，人體目標(biāo)速度保持在1 m/s，車輛速度保持在10 m/s，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的普適性，本文選擇了不同的車輛和人員來采集信息，在每一個(gè)距離點(diǎn)上各取100組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其平均值為信號(hào)峰值電壓。
從表1中可以看出：同一距離，人員和車輛的峰值電壓區(qū)別很大，探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體目標(biāo)40 m距離的無誤報(bào)探測(cè)，車輛目標(biāo)的70 m無誤報(bào)探測(cè)，且基于車輛和人體峰值電壓的區(qū)別來進(jìn)行分類識(shí)別是可行的。
表1探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
6結(jié)論
基于MEMS熱電堆紅外傳感器的紅外探測(cè)系統(tǒng)，采用GRIN透鏡會(huì)聚目標(biāo)輻射以提高有效探測(cè)距離，利用熱電堆紅外傳感器探測(cè)目標(biāo)紅外輻射，不僅實(shí)現(xiàn)獲取探測(cè)區(qū)域目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)入侵探測(cè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的靜態(tài)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該探測(cè)系統(tǒng)在野外測(cè)試條件下，人體目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)40 m遠(yuǎn)距離探測(cè)，車輛可以實(shí)現(xiàn)70 m探測(cè)，為軍事預(yù)警防御、智能小區(qū)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)所的人體以及車輛識(shí)別提供了一種低成本、遠(yuǎn)距離探測(cè)的方案。
基于MEMS的熱電堆傳感器
