本文內容轉載自《傳感器與微系統》2017年第2期，版權歸《傳感器與微系統》編輯部所有。
王司東，徐德輝，熊斌，王岳鵬，劉華巍
中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所
摘要：為了實(shí)現遠距離紅外目標的運動(dòng)和靜止狀態(tài)的識別，設計了基于熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統，系統包括梯析（GRIN）透鏡、微系統（MEMS）熱電堆傳感器、信號調理電路、數據采集電路和識別算法。探測結果表明：在相同光路系統的情況下，探測系統實(shí)現了比熱釋電系統更遠的探測距離，實(shí)現了動(dòng)態(tài)目標和靜態(tài)目標的識別，并基于探測目標溫度、輻射面積的區別，實(shí)現了人、車(chē)輛和其他紅外目標的分類(lèi)識別，可為紅外目標的探測識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；靜態(tài)識別；分類(lèi)識別
0引言
紅外探測技術(shù)憑借其環(huán)境適應性好、隱蔽性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于紅外偵查、防盜報警等領(lǐng)域。目前常用的紅外探測技術(shù)主要有基于運動(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，采用紅外成像設備系統是非常昂貴且計算復雜度高; 然而紅外目標的入侵識別應用往往不需要由圖像設備提供高分辨率，利用紅外傳感器對目標輻射特征識別來(lái)代替視頻追蹤，作為價(jià)格昂貴的熱成像紅外設備的替代品是可行的。
現有的紅外探測系統大多是基于熱釋電紅外傳感器的運動(dòng)特征識別，其探測系統只能實(shí)現紅外目標的運動(dòng)入侵識別，應用領(lǐng)域受到很大局限。
為了實(shí)現紅外目標入侵探測和靜態(tài)識別，本文設計了一種基于微系統（MEMS）熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統，采用梯析（GRIN）透鏡會(huì )聚目標輻射以提高有效探測距離，利用熱電堆傳感器探測目標紅外輻射，對探測器信號進(jìn)行小波分解和重構，濾除背景輻射帶來(lái)的基線(xiàn)漂移，通過(guò)多閾值設定實(shí)現目標的分類(lèi)識別。
1熱電堆紅外探測器工作原理
熱電堆探測器是一種可以對外界紅外輻射產(chǎn)生響應的傳感器，近10年來(lái)，由于微細加工技術(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，微機械熱電堆紅外探測器主要由紅外吸收體，絕緣結構和熱電堆組成（圖1），熱結區與紅外吸收體相鄰，其溫度隨紅外吸收體變化而變化，冷結區與熱結區通過(guò)絕緣結構隔離，其溫度與環(huán)境溫度保持一致。當紅外吸收體吸收外界輻射時(shí)，熱結區溫度升高，而冷結區溫度不變，導致熱結與冷結溫差增大，通過(guò)賽貝克效應，熱電偶材料將溫差轉換為電壓，故可以通過(guò)熱電堆兩端的輸出電壓測量外界紅外輻射的大小。
圖1 MEMS熱電堆紅外探測器組成結構
2光學(xué)系統
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(lái)配合熱電堆傳感器以提高接收靈敏度及擴大探測距離和范圍。
GRIN透鏡的參數如下：型號為GERMANIUM；焦距為41.2 mm；入瞳直徑為21.035 mm；探測角度為4°；厚度為2.55 mm。
圖2 GRIN透鏡的視場(chǎng)仿真
3信號調理電路
設計信號調理電路是為了在充分抑制噪聲的前提下，實(shí)現紅外信號的有效放大，同時(shí)保證最小的失真，電路設計的好壞對探測器性能的發(fā)揮起著(zhù)關(guān)鍵性作用。設計一個(gè)放大調理電路，首先需要對輸出信號進(jìn)行分析，常用比探測率D* 描述探測器的綜合性能，定義為
式中NEP為噪聲功率密度，S和N為探測器的信號電壓和噪聲電壓，PD為探測器靶面接收的輻射功率密度，A為探測器靶面面積，Δf為放大器帶寬（它影響著(zhù)系統中的噪聲）。D*為一個(gè)綜合反映探測信號、噪聲及帶寬的指標，D*越大，探測器性能越好。傳感器的關(guān)鍵參數：噪聲等效功率NEP為
比探測率（D*）為1.5 × 10cm
響應度R為182 V/W；
時(shí)間常數Τ為15 ms；
輸出電阻R為100 kΩ。
首先確定輸出信號的帶寬，熱電堆探測器輸出信號的數學(xué)形式為
式中Vt為一定輻照度下探測器的瞬時(shí)輸出電壓，Vmax為一定輻照度下的探測器穩態(tài)響應電壓，τ為時(shí)間常數。對式(3)進(jìn)行傅里葉變換并取值衰減至10%處為信號帶寬，得到探測器輸出信號帶寬為11 Hz。
其次需要確定探測器本地的噪聲，即噪聲等效電壓。根據探測器的噪聲等效功率為
和響應度182 V/W，得到噪聲等效電壓為
當明確了放大信號的基本特征后，方可進(jìn)行電路設計，為了滿(mǎn)足上述信號放大，選用運放AD8629作為前置放大器，電路實(shí)現框圖如圖3所示，前置放大電路用以對信號低噪聲放大，低通濾波器用以限制噪聲帶寬并進(jìn)行模/數轉換之前的抗混疊濾波，后級放大用以對信號進(jìn)行二級放大，從而有效利用模/數轉換的滿(mǎn)量程。
圖3 信號調理電路框圖
由于熱電堆傳感器信號微弱且內阻很大，同相比例運算電路具有較高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，增益不受信號源內阻的影響，不僅能夠實(shí)現傳感器的阻抗匹配，且可以實(shí)現傳感器微弱信號的拾取。熱電堆傳感器輸出信號受環(huán)境溫度影響，導致偏置電壓，影響目標的識別，采用熱電阻作為補償單元，消除環(huán)境溫度帶來(lái)的影響。
模擬低通濾波器的主要作用在于對高斯分布的廣譜噪聲進(jìn)行限帶濾波，為后級的模/數轉換提供抗混疊濾波，為了盡可能減小信號失真，需要濾波器衰減陡度較大，所以采用二階低通濾波器，截止頻率設置為15.9 Hz。在濾波后，為了充分利用后級模/數轉換器的滿(mǎn)量程，需要進(jìn)行二級放大，電路總的放大倍數為41 × 201 = 8241倍，熱電堆信號由幾個(gè)微伏量級信號被放大到幾十毫伏量級。
圖4 前置放大電路
4信號采集和識別算法
信號采集電路實(shí)現框圖如圖5所示。
圖5 信號采集實(shí)現框圖
通過(guò)熱電堆探測系統可以實(shí)現紅外目標的波形采集，如圖6所示。
圖6 運動(dòng)和靜止信號
觀(guān)察發(fā)現，目標進(jìn)入探測區域，會(huì )產(chǎn)生一定頻率的上升沿，目標如果一直存在于視場(chǎng)中，輸出會(huì )一直保持在高電平，當目標離開(kāi)探測區域時(shí)，會(huì )有一個(gè)一定頻率的下降沿。理想情況下，傳感器探測目標的輸出應該是一個(gè)矩形信號，但是由于背景干擾的影響，傳感器的輸出存在基線(xiàn)漂移的干擾，如果直接采用閾值識別方法，將會(huì )產(chǎn)生很多由于基線(xiàn)漂移帶來(lái)的誤報，影響探測系統的有效識別距離。
針對基線(xiàn)漂移的特性，提出了小波分解與重構的處理方法，將探測器信號x(t)分解成若干本征模函數（intrinsicmode function，IMF）分量，信號x(t)可以表示成
若IMF分量不包含基線(xiàn)漂移的信息，則其均值應該為0，對含有基線(xiàn)成分的IMF 進(jìn)行小波分解，將頻率范圍只覆蓋基線(xiàn)頻率的小波細節置零，然后小波重構獲得新的IMF分量，最后進(jìn)行信號重構就得到消除基線(xiàn)漂移的探測器信號。根據IMF分量的性質(zhì)，若IMFi不包含基線(xiàn)信息，則其均值應該為0，即應該滿(mǎn)足下式
結果如圖7所示，線(xiàn)漂移基本上被濾除，通過(guò)識別算法可以實(shí)現目標運動(dòng)和靜止識別，識別算法如圖8所示，識別結果如圖7矩形波所示。
圖7 小波處理結果與識別結果
圖8 識別算法框圖
5系統測試結果分析
對探測系統進(jìn)行室外測試實(shí)驗，探測器與目標距離設置為10、20、30、40、50、60 m等，探測方向與目標運動(dòng)方向垂直，人體目標速度保持在1 m/s，車(chē)輛速度保持在10 m/s，為了驗證系統的普適性，本文選擇了不同的車(chē)輛和人員來(lái)采集信息，在每一個(gè)距離點(diǎn)上各取100組實(shí)驗數據，取其平均值為信號峰值電壓。
從表1中可以看出：同一距離，人員和車(chē)輛的峰值電壓區別很大，探測系統可以實(shí)現人體目標40 m距離的無(wú)誤報探測，車(chē)輛目標的70 m無(wú)誤報探測，且基于車(chē)輛和人體峰值電壓的區別來(lái)進(jìn)行分類(lèi)識別是可行的。
表1探測器系統測試結果
6結論
基于MEMS熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統，采用GRIN透鏡會(huì )聚目標輻射以提高有效探測距離，利用熱電堆紅外傳感器探測目標紅外輻射，不僅實(shí)現獲取探測區域目標的運動(dòng)入侵探測，且能夠實(shí)現探測區域內目標的靜態(tài)識別。實(shí)驗結果表明: 該探測系統在野外測試條件下，人體目標可以實(shí)現40 m遠距離探測，車(chē)輛可以實(shí)現70 m探測，為軍事預警防御、智能小區監測等場(chǎng)所的人體以及車(chē)輛識別提供了一種低成本、遠距離探測的方案。
基于MEMS的熱電堆傳感器
