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 催永俊1,2  賈  磊1,2  王希鵬3  趙秀梅3  薛志勇3  杜文略1，2

 （中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西太原030051; 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山西太原030051; 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司3，山西太原030051）

摘要：為解決普通熱釋電的紅外探測(cè)技術(shù)誤報(bào)率高、敏感度低且不能對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行定位等問題，提出了一種基于熱釋電紅外探測(cè)器的復(fù)眼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)合熱釋電紅外探測(cè)隱蔽性好、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、復(fù)眼視場(chǎng)角大、體積小且靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，將熱釋材料上的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后輸出。通過實(shí)驗(yàn)表明，采用該熱釋電紅外探測(cè)器的單目可以檢測(cè)到15 m內(nèi)的入侵目標(biāo)，并輸出脈沖電平作為報(bào)警信號(hào)。

  關(guān)鍵詞：紅外探測(cè)器菲涅爾透鏡敏感元件濾光片傳感器信號(hào)處理濾波電路設(shè)計(jì)等效電路

  中圖分類號(hào)：TH7；TP212DOI:IO. 16086/j．cnki.issnl000 - 0380. 201604023

0引言

 由于紅外線是非可見光，與傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)相比較，紅外探測(cè)器具有隱蔽性和保密性好、光譜響應(yīng)寬、環(huán)境影響小、無(wú)需制冷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于報(bào)警探測(cè)領(lǐng)域。然而，該技術(shù)存在響應(yīng)速度慢、無(wú)法對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行定位等缺點(diǎn)，大大局限了紅外探測(cè)技術(shù)在軍用以及高端領(lǐng)域的發(fā)展。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)一種基于熱釋電被動(dòng)式紅外復(fù)眼探測(cè)器的單目，該復(fù)眼探測(cè)器要求能夠在15 m的范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行感知與定位，且目標(biāo)距離10 m范圍內(nèi)的定位誤差小于0.5 m。復(fù)眼探測(cè)器是由相當(dāng)數(shù)量的單目按照一定的排列順序組合而成的，因而單目結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是復(fù)眼正常工作的核心與關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)就是針對(duì)熱釋電紅外復(fù)眼的單目。

1  熱釋電紅外探測(cè)器的研究

1.1熱釋電紅外探測(cè)器的工作原理

 熱釋電紅外探測(cè)器屬于被動(dòng)式的紅外探測(cè)器，自身不向外發(fā)送紅外線，可以接收探測(cè)區(qū)目標(biāo)發(fā)出的任意波段的紅外線，探測(cè)器內(nèi)部的熱釋材料可以產(chǎn)生極化反應(yīng)。若恒定的紅外線照射在熱釋材料上，其溫度不變，熱釋材料內(nèi)部的電荷與外部的異性電荷中和，材料表面呈電荷中性；若受到的紅外輻射發(fā)生變化時(shí)，熱釋材料溫度發(fā)生變化，其表面極化電荷發(fā)生變化，外部的自由電荷來(lái)不及中和，熱釋材料的表面形成一個(gè)外電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為熱釋效應(yīng)。通過外部電路，將熱釋材料表面的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的探測(cè)功能。

1.2熱釋電紅外探測(cè)器組成結(jié)構(gòu)

 目前，成熟技術(shù)的熱釋電紅外探測(cè)器主要組成部分有菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、紅外信號(hào)處理電路以及關(guān)于輸出控制顯示裝置，如圖1所示�；�于此基本結(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測(cè)器的工作流程可分為四步：第一步為目標(biāo)向外輻射紅外線，溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，熱釋電紅外探測(cè)器無(wú)需光源，可以接收探測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)輻射的紅外線；第二步為接收紅外線，菲涅爾透鏡將目標(biāo)物的紅外輻射聚焦到熱釋電紅外傳感器的熱敏元件上；第三步為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，熱敏元件受到紅外輻射之后發(fā)生輻射極化反應(yīng)，熱敏元件的表面電荷發(fā)生變化，通過外部電路并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出；第四步為信號(hào)處理，信號(hào)處理電路將電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理，傳送給控制裝置進(jìn)行跟蹤和定位。

 熱釋電紅外傳感器的作用是感應(yīng)目標(biāo)紅外線，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是探測(cè)器最為核心的構(gòu)成部分。雙元型熱釋電紅外傳感器等效化電路如圖2所示。

 雙元熱釋電紅外傳感器組成包括三部分：探測(cè)敏感元、濾光片以及場(chǎng)效應(yīng)管。探測(cè)敏感元采用非接觸的方式接收感應(yīng)目標(biāo)的紅外輻射，同時(shí)濾波片能大程度地削弱目標(biāo)周圍其他物體的干擾輻射，場(chǎng)效應(yīng)管將敏感元輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)敏感元數(shù)量不同，熱釋電紅外傳感器可分單元型、雙元型。單元型指的是只有一個(gè)敏感元，只要環(huán)境中有溫度變化，傳感器就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，誤報(bào)率高，因此需要添加溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)；雙元型指的是有兩個(gè)敏感元，可以是串聯(lián)起來(lái)的，也可以是并聯(lián)起來(lái)的，敏感度低，性能良好，而且可以有效追蹤目標(biāo)，是常用的類型。

2單目結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

 單目整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入單目的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，目標(biāo)向外輻射紅外線，單目中的濾光片將自然光等干擾光源產(chǎn)生的紅外輻射濾除。菲涅爾透鏡將紅外線有效地集中，通過光纖傳送到熱敏元件上，熱敏元件將輻射的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。濾波器將噪聲濾除之后，多級(jí)運(yùn)放將電壓信號(hào)放大就可以測(cè)量了。在實(shí)物的實(shí)現(xiàn)時(shí)，圖3中濾波片通過金屬殼罩在菲涅爾透鏡上，敏感元件使用雙元敏感元件。

2.1濾波片的選擇

 在自然界中，只要是溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射紅外線，不同的物體、不同的溫度輻射的紅外線波長(zhǎng)也不盡相同。熱釋電紅外探測(cè)器的熱敏元件對(duì)各個(gè)波段的紅外線都有感應(yīng)。為了提高單目對(duì)特定目標(biāo)的紅外敏感性，需要將太陽(yáng)光、燈光等非目標(biāo)物的紅外光屏蔽掉。因此，設(shè)計(jì)采用濾波片作為窗口，只允許特定波段的紅外線輸入。濾光片是由多層濾光薄膜鍍?cè)赟基玻璃上制成的。

 一般人體的紅外線波長(zhǎng)范圍在9.33 ~9.36μm，普通車輛的紅外波長(zhǎng)范圍在8～14μm間。若將人體與車輛都作為目標(biāo)物時(shí)，則需要選擇可以通過7.5~14μm濾波片，兩種目標(biāo)物的波段都在允許的范圍內(nèi)，且可提高單目的靈敏度、降低誤報(bào)率。

2.2菲涅爾透鏡

 人體發(fā)送的紅外線能量非常微弱，如果直接輸送到熱敏元件上，只能引起新信號(hào)極其微弱的變化。而菲涅爾透鏡在熱釋電紅外探測(cè)器中起到的作用就好像是人的眼鏡一樣，它是單目的“眼鏡”。菲涅爾透鏡通常是使用電鍍模具工藝將聚乙烯壓制而成的，鏡片的表面是一圈圈精密而清晰的同心圓，從刨面看像是一排鋸齒，其作用是將入射的紅外光集中到一點(diǎn)上。菲涅爾透鏡的作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，將外界的熱釋紅外信號(hào)折射到探測(cè)器的熱敏元件上，拓寬感應(yīng)區(qū)域，增加靈敏度；二是劃區(qū)，利用自身的構(gòu)造將探測(cè)區(qū)域分為若干個(gè)敏感區(qū)與非敏感區(qū)，以增強(qiáng)熱敏元件的空間分辨能力與探測(cè)距離。因此，菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)與制備直接影響著單目的實(shí)用效果。

2.3熱敏元件的選擇與制備

 熱敏元件是使用熱釋電材料制備的。由于熱釋電材料性能的好壞對(duì)熱釋電傳感器的探測(cè)能力有很大的影響，通常選擇熱釋電系數(shù)大，體積比熱、介電常數(shù)及介電損耗都小的熱釋電材料作為熱敏元件制作材料。表1中對(duì)比了幾種熱釋電材料的性能參數(shù)。其中，鉭酸鋰( LiTa03)熱電系數(shù)大、介電常數(shù)小、對(duì)溫度的敏感度低、工作波段較寬，適用于制作熱釋電探測(cè)器的熱敏元件。本設(shè)計(jì)中的熱敏元件使用鉭酸鋰晶體制作。

2.4  阻抗變換電路設(shè)計(jì)

 熱敏元件接收到外界目標(biāo)物的紅外輻射后，產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，其表面的電荷信號(hào)發(fā)生變化，無(wú)法直接測(cè)量。因此，需要高阻抗將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。場(chǎng)效應(yīng)管是帶有PN結(jié)的半導(dǎo)體元件，其具備低噪聲、低功耗、熱穩(wěn)定性好、輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足熱敏元件高阻抗的要求。漏極接電壓正極，柵極接電源負(fù)極，源極接電壓輸出端，表示將熱敏元件的表面的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。通過對(duì)電壓信號(hào)的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的探測(cè)。

2.5單目的測(cè)試電路

 復(fù)眼是由數(shù)量眾多的單目構(gòu)成的，它雖然不能像復(fù)眼一樣全方位地探測(cè)目標(biāo)，但它也是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，在一定的方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的探測(cè)。為了檢測(cè)單目能否正常工作，設(shè)計(jì)一個(gè)以人為目標(biāo)物的報(bào)警電路完成對(duì)單目的檢測(cè)。報(bào)警電路主要包括放大濾波電路、電壓比較電路以及報(bào)警發(fā)聲電路。圖4為整體報(bào)警電路設(shè)計(jì)的框圖。

 單目中場(chǎng)效應(yīng)管輸出的電壓很微弱，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，需要對(duì)源極電壓信號(hào)濾波之后進(jìn)行放大處理。本設(shè)計(jì)使用運(yùn)放LM324芯片以及電容、電阻構(gòu)成濾波、放大電路，將源極電壓放大到可以驅(qū)動(dòng)電壓比較電路。電壓比較電路的作用是將放大后的電壓與預(yù)先設(shè)置好的閾值電壓進(jìn)行比較，若輸入的電壓超過閾值電壓，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作，發(fā)出警報(bào)聲；否則，保持低壓狀態(tài)，報(bào)警電路不工作。報(bào)警電路主要是使用雙單穩(wěn)的多頻振蕩器HEF4538B芯片觸發(fā)及控制語(yǔ)音KD9561芯片構(gòu)成。HEF4538B芯片在高電平信號(hào)的控制下，可以輸出高電平脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)，使用這個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)控制KD9561芯片報(bào)警的輸入端，驅(qū)動(dòng)其發(fā)出報(bào)警聲。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

 為了驗(yàn)證單目的性能，以人體為目標(biāo)物，從單目探測(cè)方向20 m處走近。當(dāng)人體走到距離單目15 m或在15 m的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，蜂鳴器有警報(bào)聲發(fā)出，警報(bào)聲的持續(xù)時(shí)間大約為10 s，從而初步驗(yàn)證了此次單目設(shè)計(jì)的正確性。測(cè)試中，利用示波器測(cè)量經(jīng)過放大電路的電壓輸出端有無(wú)電壓波形，輸出如圖5所示。

 由圖5可以看出，在經(jīng)過兩級(jí)放大電路放大后，有幅值為2. 80 V的脈沖信號(hào)輸出，2.80 V電壓是經(jīng)過放大后的電壓，原來(lái)單目輸出的電壓為V=2. 80 V/3 400=0.824 mV，單目的輸出電壓為1 mV左右，與理論預(yù)算相符合，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)單目的正確性。

 通過測(cè)量HEF4538B芯片6管腳，有脈寬近似為10 s的脈沖信號(hào)輸出，也與理論相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的單目的正確性與實(shí)用性。

4結(jié)束語(yǔ)

 本設(shè)計(jì)是基于熱釋電紅外探測(cè)的復(fù)眼設(shè)計(jì)開展的，研究其中構(gòu)成復(fù)眼的單目結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對(duì)紅外探測(cè)存在的探測(cè)能力不強(qiáng)、制作成本高及紅外材料不多等難點(diǎn)，將復(fù)眼和熱釋電紅外結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種新型紅外探測(cè)器。本設(shè)計(jì)中的單目是基于熱釋電紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)的，經(jīng)驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定區(qū)域內(nèi)目標(biāo)物的探測(cè)，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隱蔽性好、具有二次開發(fā)的潛力等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。