摘要：為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離紅外目標(biāo)的運動和靜止?fàn)顟B(tài)的識別，設(shè)計了基于熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括梯析（GRIN）透鏡、微系統(tǒng)（MEMS）熱電堆傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路和識別算法。探測結(jié)果表明：在相同光路系統(tǒng)的情況下，探測系統(tǒng)實現(xiàn)了比熱釋電系統(tǒng)更遠(yuǎn)的探測距離，實現(xiàn)了動態(tài)目標(biāo)和靜態(tài)目標(biāo)的識別，并基于探測目標(biāo)溫度、輻射面積的區(qū)別，實現(xiàn)了人、車輛和其他紅外目標(biāo)的分類識別，可為紅外目標(biāo)的探測識別提供一種新的解決方案。

0引言

紅外探測技術(shù)憑借其環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性好、體積小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)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)是非常昂貴且計算復(fù)雜度高; 然而紅外目標(biāo)的入侵識別應(yīng)用往往不需要由圖像設(shè)備提供高分辨率，利用紅外傳感器對目標(biāo)輻射特征識別來代替視頻追蹤，作為價格昂貴的熱成像紅外設(shè)備的替代品是可行的。

現(xiàn)有的紅外探測系統(tǒng)大多是基于熱釋電紅外傳感器的運動特征識別，其探測系統(tǒng)只能實現(xiàn)紅外目標(biāo)的運動入侵識別，應(yīng)用領(lǐng)域受到很大局限。

為了實現(xiàn)紅外目標(biāo)入侵探測和靜態(tài)識別，本文設(shè)計了一種基于微系統(tǒng)（MEMS）熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統(tǒng)，采用梯析（GRIN）透鏡會聚目標(biāo)輻射以提高有效探測距離，利用熱電堆傳感器探測目標(biāo)紅外輻射，對探測器信號進(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)定實現(xiàn)目標(biāo)的分類識別。

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(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。

熱電堆探測器采用賽貝克效應(yīng)（Seebeck effect）設(shè)計制作，如果兩種不同的材料或者材料相同而逸出功不同的物體A和B，在熱結(jié)相連，而在冷端區(qū)開路，熱結(jié)和冷結(jié)存在一定的溫差ΔTHC，則在冷端的兩端就會產(chǎn)生一開路溫差電動勢Vout，賽貝克效應(yīng)的數(shù)學(xué)公式可表述為

式中SAB為物體A和物體B之間賽貝克系數(shù)差，VK -1。對于半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生賽貝克效應(yīng)的主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散的結(jié)果。

一般而言，微機(jī)械熱電堆紅外探測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，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量外界紅外輻射的大小。

圖1 MEMS熱電堆紅外探測器組成結(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)大探測距離和范圍。

GRIN透鏡的參數(shù)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。

透鏡將紅外熱量投射到熱電堆敏感單元，熱電堆敏感單元的面積只有0.1mm2，經(jīng)過透鏡能夠投射到元件圓形范圍內(nèi)的現(xiàn)場景物也就局限在一個錐形空間里，即熱電堆探測器只能“看”到這個錐形空間內(nèi)的熱能景物，將這個錐形敏感空間稱為熱電堆探測器的視場，Zemax仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 GRIN透鏡的視場仿真

3信號調(diào)理電路

設(shè)計信號調(diào)理電路是為了在充分抑制噪聲的前提下，實現(xiàn)紅外信號的有效放大，同時保證最小的失真，電路設(shè)計的好壞對探測器性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵性作用。設(shè)計一個放大調(diào)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（它影響著系統(tǒng)中的噪聲）。D*為一個綜合反映探測信號、噪聲及帶寬的指標(biāo)，D*越大，探測器性能越好。傳感器的關(guān)鍵參數(shù)：噪聲等效功率NEP為；比探測率（D*）為1.5 × 108cm；響應(yīng)度R為182 V/W；時間常數(shù)Τ為15 ms；輸出電阻RS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(shù)學(xué)形式為

式中Vt為一定輻照度下探測器的瞬時輸出電壓，Vmax為一定輻照度下的探測器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電壓，τ為時間常數(shù)。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(jù)探測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)明確了放大信號的基本特征后，方可進(jìn)行電路設(shè)計，為了滿足上述信號放大，選用運放AD8629作為前置放大器，電路實現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換的滿量程。

圖3 信號調(diào)理電路框圖

由于熱電堆傳感器信號微弱且內(nèi)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(nèi)阻的影響，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的阻抗匹配，且可以實現(xiàn)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(dǎo)致偏置電壓，影響目標(biāo)的識別，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高斯分布的廣譜噪聲進(jìn)行限帶濾波，為后級的模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)置為15.9 Hz。在濾波后，為了充分利用后級模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿量程，需要進(jìn)行二級放大，電路總的放大倍數(shù)為41 × 201 = 8241倍，熱電堆信號由幾個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

信號采集電路實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 信號采集實現(xiàn)框圖

通過熱電堆探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)紅外目標(biāo)的波形采集，如圖6所示。

圖6 運動和靜止信號

觀察發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域，會產(chǎn)生一定頻率的上升沿，目標(biāo)如果一直存在于視場中，輸出會一直保持在高電平，當(dāng)目標(biāo)離開探測區(qū)域時，會有一個一定頻率的下降沿。理想情況下，傳感器探測目標(biāo)的輸出應(yīng)該是一個矩形信號，但是由于背景干擾的影響，傳感器的輸出存在基線漂移的干擾，如果直接采用閾值識別方法，將會產(chǎn)生很多由于基線漂移帶來的誤報，影響探測系統(tǒng)的有效識別距離。

針對基線漂移的特性，提出了小波分解與重構(gòu)的處理方法，將探測器信號x(t)分解成若干本征模函數(shù)（intrinsicmode function，IMF）分量，信號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)行信號重構(gòu)就得到消除基線漂移的探測器信號。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，通過識別算法可以實現(xiàn)目標(biāo)運動和靜止識別，識別算法如圖8所示，識別結(jié)果如圖7矩形波所示。

圖7 小波處理結(jié)果與識別結(jié)果

圖8 識別算法框圖

5系統(tǒng)測試結(jié)果分析

對探測系統(tǒng)進(jìn)行室外測試實驗，探測器與目標(biāo)距離設(shè)置為10、20、30、40、50、60 m等，探測方向與目標(biāo)運動方向垂直，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，在每一個距離點上各取100組實驗數(shù)據(jù)，取其平均值為信號峰值電壓。

從表1中可以看出：同一距離，人員和車輛的峰值電壓區(qū)別很大，探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)人體目標(biāo)40 m距離的無誤報探測，車輛目標(biāo)的70 m無誤報探測，且基于車輛和人體峰值電壓的區(qū)別來進(jìn)行分類識別是可行的。

表1探測器系統(tǒng)測試結(jié)果

6結(jié)論

基于MEMS熱電堆紅外傳感器的紅外探測系統(tǒng)，采用GRIN透鏡會聚目標(biāo)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(biāo)紅外輻射，不僅實現(xiàn)獲取探測區(qū)域目標(biāo)的運動入侵探測，且能夠?qū)崿F(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的靜態(tài)識別。實驗結(jié)果表明: 該探測系統(tǒng)在野外測試條件下，人體目標(biāo)可以實現(xiàn)40 m遠(yuǎn)距離探測，車輛可以實現(xiàn)70 m探測，為軍事預(yù)警防御、智能小區(qū)監(jiān)測等場所的人體以及車輛識別提供了一種低成本、遠(yuǎn)距離探測的方案。