专利名称：基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种使用热释电红外传感器进行目标探测的系统及方法，尤其是涉及一种基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法。
背景技术：
红外辐射在自然界中十分普遍，任何物体只要它的温度高于绝对零度(_273°C )， 就会有红外线向周围空间辐射，由于不同物体材料性质各不相同，其向外辐射的红外辐射也不同物体表面温度越高，它辐射的能量就越强。热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件，这些探测元件在温度变化时，会出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的自发极化强度发生变化，从而在它们的两端产生异号的束缚电荷；而在每个探测器内装入两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于外界环境温度漂移而产生的干扰，由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电红外传感器属于被动型红外传感器，有以下特点(1)由于远红外线不受可见光影响，故可不分昼夜连续监测；(2)由于被测对象自身发射红外线，故可不必另设光源，不会产生任何类型的辐射；(3)大气对某些特定波长(如8-14 μ m)红外线吸收甚少，故较易检测到；(4)这类传感器制作成本低廉，功耗小，隐蔽性好，因此在目标探测领域应用广泛。但是热释电红外传感器受其本身属性的制约导致还有许多问题的存在热释电红外传感器检测距离很短，所以在使用热释电红外传感器时需要在其前面加上一定的光学装置来提高其探测距离，光学装置的主要功能是收集被测目标发射的红外辐射能量，进而把他们汇聚到红外探测器的光敏表面上。光学装置决定了热释电红外传感器的视场大小，热释电红外传感器的视场与它的另一个重要性能参数——距离系数直接相关，距离系数与视场角成反比关系，所以使用热释电红外传感器进行远距离目标探测时其视场角就会变的很小，如果我们要探测远距离大范围内的目标就要使用多个热释电红外传感器。现在市场上常见的光学装置是菲涅尔透镜，其探测距离最远可达到40米，但是在 40米时其视场角仅为8度，我们如果想探测360度范围内的目标，就要使用45个热释电红外传感器及菲涅尔透镜，这就对装置的机械设计及电路设计造成很大困难，并且加大了探测系统的体积及成本。另外，热释电红外传感器只能进行被动式工作，不能探测静止物体，并且信号幅度小，容易受各种热源，光源的干扰，当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，有时还会造成短时失灵，并且其主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差，这些缺点大大限制了热释电红外传感器的使用范围。现在最常用的热释电红外传感器是双元热释电红外传感器，双元热释电红外传感器是指热释电红外探头包含两个互相串联或并联的热释电元件，并且制成的两个电极方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，于是传感器无信号输出。即仅当传感器监测范围内温度有ΔΤ的变化时，热释电效应才会在两个电极上会产生电荷Δ Q，在两电极之间产生一微弱电压AV，当环境温度稳定不变时，ΔΤ = 0，传感器无输出。如专利号为ZL 200720006151.3的实用新型专利公开了一种双热释电红外线传感器差分输出被动红外双鉴探测器，其技术解决方案是用两个热释电红外线传感器形成差分输出。其特征在于在探测器的菲涅尔透镜下，两个热释电红外线传感器上下分布，传感器的顶视图左右相反，分别对应各自的菲涅尔透镜的相应位置，其对外的整体视角几乎完全相同，使人体移动时在菲涅尔透镜的作用下输出形成差模信号，外界环境温度的变化形成共模噪声信号，在两个传感器的后面接入差分放大器形成差分输出。上述方案存在的缺陷是该探测器不能在动态下使用，因为一旦探测器动起来就意味着其检测范围内的环境在做相对运动，这样环境中的所有物体都成会有温度变化，都会导致热释电输出信号，其检测结果就会有误；另外，其主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差，这些缺点大大限制了其使用范围。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术中的不足，提供一种视场角度大、探测灵敏度高、 既可进行主动式工作还可进行被动式工作的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法。为解决现有技术中的问题，本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统采用了如下的方案包括热释电红外传感器、与所述热释电红外传感器相连接的主控制器、分别与所述热释电红外传感器和所述主控制器相连接的红外采集硬件处理单元，还包括设置在所述热释电红外传感器的下端并与其相配合的转台模块、设置在所述主控制器内的信号处理模块，所述转台模块还与所述主控制器相连接。进一步，所述红外采集硬件处理单元依次包括高通滤波器、信号放大器、低通滤波器和A/D转换器，所述高通滤波器与所述热释电红外传感器相连接，所述A/D转换器与所述主控制器相连接。进一步，所述热释电红外传感器包括双元热释电红外感应体及设置在所述双元热释电红外感应体前面的菲涅尔透镜。进一步，所述主控制器还连接有报警单元。一种基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法，包括如下步骤1)设置热释电红外传感器的零点起始位置；2)热释电红外传感器采集背景初始信号；3)红外采集硬件处理单元对步骤2、中采集的背景初始信号进行硬件处理；4)主控制器内的信号处理模块提取步骤幻中经硬件处理后的背景初始信号，并绘制背景初始信号波形；5)主控制器向转台模块发送开始旋转指令及转动角度指令；6)转台模块根据步骤6)中的指令带动热释电红外传感器开始旋转并转动规定的角度；7)热释电红外传感器进行检测信号采集；8)红外采集硬件处理单元对步骤7)中采集的检测信号进行硬件处理；9)主控制器内的信号处理模块提取步骤8)中经硬件处理后的检测信号，绘制检测信号波形；10)信号处理模块采用帧间差分法对步骤9)中的检测信号波形与步骤4)中的背景初始信号波形进行对应伏值相减计算，得到伏值差值；11)判断伏值差值是否超过设定的阈值，若是，则判定出现目标，执行步骤12)，否则判定没有出现目标，重复执行步骤幻至步骤11)；12)提取目标信号，报警单元进行报警提示。上述方法中，所述步骤8)包括以下分步骤8. 1)高通滤波器对检测信号进行高通滤波以消除温漂；8. 2)信号放大器对经过分步骤8. 1)中高通滤波后的检测信号进行信号放大；8. 3)低通滤波器对分步骤8. 2)中放大后的检测信号进行低通滤波以进一步消除噪声信号；8. 4) A/D转换器将经过分步骤8. 3)中低通滤波后的检测信号进行A/D转换。具备上述结构和步骤的本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法，具备以下优点1)视场角度大、节省成本转台模块的设置大大扩大了热释电红外传感器的视场角度，譬如，若转台模块带动热释电红外传感器保持一定的速度勻速转动，一个热释电红外传感器就可以探测360°范围内的目标，提高了对径向运动的目标的探测能力，大大节省了成本；2)可进行主动或被动工作方式转台模块的设置使热释电红外传感器能够在静止状态下的被动工作方式的基础上增加了动态下的主动式工作方式；3)探测灵敏度红外采集硬件处理单元的设置，通过高通滤波器滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，通过低通滤波器可以进一步消除噪声信号，通过信号放大器可以隔离掉信号中的直流分量，并且给其提供一个恒定的偏置电压，只对我们需要的交流信号进行放大，采用这些措施大大提高了系统对目标信号的探测灵敏度。综上所述，本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法， 能够以较大的视场角和主动式工作方式实现对目标信号的探测，探测灵敏度高，在目标信号的探测领域有着比较好的应用前景。
图1为本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统实施例的结构示意框图；图2为图1中红外采集硬件处理单元的结构示意框
图3为本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统，包括热释电红外传感器1、主控制器2、红外采集硬件处理单元3、转台模块4和报警单元5及设置在主控制器2内的信号处理模块21，其中，热释电红外传感器1分别与主控制器2、红外采集硬件处理单元3相连接，主控制器2还与红外采集硬件处理单元3、转台模块4和报警单元5分别相连接，转台模块4设置在热释电红外传感器1的下端并与热释电红外传感器1 相配合。如图1所示，在本实施例中，所述热释电红外传感器1包括双元热释电红外感应体 12及设置在双元热释电红外感应体12前面的菲涅尔透镜11。如图2所示，在本实施例中，所述红外采集硬件处理单元3由模拟电路及数字电路两部分构成模拟电路部分包括高通滤波器31、信号放大器32、低通滤波器33 ；数字电路部分包括A/D转换器34。其中，高通滤波器31外接热释电红外传感器1，A/D转换器34外接主控制器2。在本实施例中，所述热释电红外传感器1设置菲涅尔透镜11，一方面把人体辐射出的红外线聚集到双元热释电红外感应体12上，从而加大探测的距离；另一方面也能将入射的红外线做周期性的遮断，使热释电红外传感器1可以输出连续信号。在本实施例中，所述高通滤波器31，主要用来滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，人体信号的频率主要在0. 6HZ-1.2HZ之间，而环境中的影响因素，譬如风、阳光会导致信号变化的特别缓慢，频率特别低，可以直接通过高通滤波器31将这些影响因素滤掉。在本实施例中，所述信号放大器32，主要用来隔离掉信号中的直流分量，并且给其提供一个恒定的偏置电压，只对我们需要的交流信号进行放大。在本实施例中，所述低通滤波器33，主要用来进一步消除噪声信号，提高探测灵敏度。在本实施例中，所述A/D转换器34，主要由0805F020型单片机组成，用来将经过滤波及放大处理后的模拟信号转换为主控制器2内的信号处理模块21所识别的数字信号。在本实施例中，所述转台模块4，主要是利用一个可编程步进电机，根据主控制器 2发送的指令勻速转动，从而带动其上的热释电红外传感器1以合适的特定速度勻速转动， 并且给热释电红外传感器1提供起始点及在某一时刻的特定位置。图3为本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法的流程图结合附图3对本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法进行详细的说明。步骤S101，设置热释电红外传感器1的零点起始位置。步骤S102，热释电红外传感器1采集背景初始信号。步骤S103，红外采集硬件处理单元对步骤S102中采集的背景初始信号进行硬件处理，硬件处理过程如下(1)高通滤波器31对背景初始信号进行高通滤波以消除温漂；(2)信号放大器对高通滤波后的背景初始信号进行信号放大；
(3)低通滤波器对放大后的背景初始信号进行低通滤波以进一步消除噪声信号；(4)A/D转换器将低通滤波后的背景初始信号进行A/D转换。步骤S104，主控制器2内的信号处理模块21提取A/D转换后的背景初始信号，进行分析处理并绘制背景初始信号波形。步骤S105，主控制器2向转台模块4发送开始旋转指令及转动角度指令。步骤Sl06,转台模块4根据主控制器2发送的指令，利用可编程步进电机勻速转动，从而带动其上的热释电红外传感器1勻速转动，并转动主控制器2所规定的角度。步骤S107，热释电红外传感器1进行检测信号采集。菲涅尔透镜11将周围环境中的红外线作为检测信号聚集到双元热释电红外感应体12上，热释电红外传感器1将红外检测信号转化为电压检测信号输出到红外采集硬件处理单元3上。步骤S108，红外采集硬件处理单元3对步骤S107中采集的检测信号进行硬件处理，硬件处理过程如下1)高通滤波器31对检测信号进行高通滤波以消除温漂；2)信号放大器对高通滤波后的检测信号进行信号放大；3)低通滤波器对放大后的检测信号进行低通滤波以进一步消除噪声信号；4) A/D转换器将低通滤波后的检测信号进行A/D转换。步骤S109，主控制器2内的信号处理模块21提取A/D转换后的检测信号，进行分析处理，并绘制检测信号波形。步骤S110，信号处理模块21采用帧间差分法对步骤S109中得到的检测信号波形与步骤S104中得到的背景初始信号波形进行对应伏值相减计算，得到伏值差值。所述帧间差分法是图像识别领域进行目标判断的常用方法，是将前后两帧图像对应像素点的灰度值相减，在环境亮度变化不大的情况下，如果对应像素灰度相差很小，可以认为此处景物是静止的，如果图像区域某处的灰度变化很大，可以认为这是由于图像中运动物体引起的，将这些区域标记下来，利用这些标记的像素区域，就可以求出运动目标在图像中的位置。在本实施例中，转台模块4给热释电红外传感器1提供一个起始信号，每转360度再给一个归零信号，每采一周信号都与前一周信号伏值进行相减，相当于每周采集信号看做图像中的每帧图像。步骤S111，判断伏值差值是否超过设定的阈值，若是，则判定出现目标，执行步骤 S112，否则判定没有出现目标，重复执行步骤S105至步骤S111。步骤S112提取目标信号，报警单元进行报警提示。目标处理模块21根据目标发现的时间可以大致判断目标所处角度及目标运动方向，主控制器2将出现目标的判定结果输出给报警单元，报警单元进行声光报警提示。总之，本发明的实施例公布的是其较佳的实施方式，但并不限于此。本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统，其特征在于包括热释电红外传感器、与所述热释电红外传感器相连接的主控制器、分别与所述热释电红外传感器和所述主控制器相连接的红外采集硬件处理单元，还包括设置在所述热释电红外传感器的下端并与其相配合的转台模块、设置在所述主控制器内的信号处理模块，所述转台模块还与所述主控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统，其特征在于所述红外采集硬件处理单元依次包括高通滤波器、信号放大器、低通滤波器和A/D转换器，所述高通滤波器与所述热释电红外传感器相连接，所述A/D转换器与所述主控制器相连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统，其特征在于所述热释电红外传感器包括双元热释电红外感应体及设置在所述双元热释电红外感应体前面的菲涅尔透镜。
4.根据权利要求3所述的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统，其特征在于所述主控制器还连接有报警单元。
5.一种如权利要求1所述的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤[1)设置热释电红外传感器的零点起始位置；[2)热释电红外传感器采集背景初始信号；[3)红外采集硬件处理单元对步骤2)中采集的背景初始信号进行硬件处理；[4)主控制器内的信号处理模块提取步骤3)中经硬件处理后的背景初始信号，并绘制背景初始信号波形；[5)主控制器向转台模块发送开始旋转指令及转动角度指令；[6)转台模块根据步骤6)中的指令带动热释电红外传感器开始旋转并转动规定的角度；[7)热释电红外传感器进行检测信号采集；[8)红外采集硬件处理单元对步骤7)中采集的检测信号进行硬件处理；[9)主控制器内的信号处理模块提取步骤8)中经硬件处理后的检测信号，绘制检测信号波形；[10)信号处理模块采用帧间差分法对步骤9)中的检测信号波形与步骤4)中的背景初始信号波形进行对应伏值相减计算，得到伏值差值；[11)判断伏值差值是否超过设定的阈值，若是，则判定出现目标，执行步骤12)，否则判定没有出现目标，重复执行步骤5)至步骤11)；[12)提取目标信号，报警单元进行报警提示。
6.根据权利要求5所述的基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统的探测方法，其特征在于，所述步骤8)包括以下分步骤[8. 1)高通滤波器对检测信号进行高通滤波以消除温漂；[8. 2)信号放大器对经过分步骤8. 1)中高通滤波后的检测信号进行信号放大；[8.3)低通滤波器对分步骤8. 2)中放大后的检测信号进行低通滤波以进一步消除噪声信号；.8. 4)A/D转换器将经过分步骤8. 3)中低通滤波后的检测信号进行A/D转换。
全文摘要
本发明公开了一种基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法，包括热释电红外传感器、与热释电红外传感器相连接的主控制器、分别与热释电红外传感器和主控制器相连接的红外采集硬件处理单元，还包括设置在热释电红外传感器的下端并与其相配合的转台模块、设置在主控制器内的信号处理模块。本发明基于动态下使用热释电红外传感器的目标探测系统及其方法，能够以较大的视场角和主动式工作方式实现对目标信号的探测，探测灵敏度高，在目标信号的探测领域有着比较好的应用前景。
文档编号G01V8/10GK102183795SQ201110048360
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者于海洋, 刘俊, 孙乔, 张文栋, 张晔, 张皎, 李飞, 杨卫, 殷强, 王正言, 石云波, 赵玲玲, 邵星灵, 鲜浩, 齐明思 申请人:中北大学