趙 迪， 楊 衛(wèi)， 劉前進(jìn)

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原030051; 2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

自然界中，任何溫度大于絕對零度的物體時刻都在向周圍空間進(jìn)行紅外輻射[1]。熱釋電紅外探測器由于其成本低、功耗小、隱蔽性好，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[2,3]。熱釋電紅外傳感器能夠探測人體發(fā)出的微弱紅外信號，在有效范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動人體的檢測。近年來，使用熱釋電傳感器獲得開關(guān)量信號的技術(shù)已日臻成熟，而利用熱釋電傳感器進(jìn)行人員的定位技術(shù)卻是一個全新的領(lǐng)域，尤其在探測目標(biāo)距離方面，顯得少之又少。利用專門設(shè)計(jì)的裝置把紅外透鏡與熱釋電紅外傳感器相結(jié)合，代替了傳統(tǒng)使用的菲涅爾透鏡，進(jìn)一步提高了探測距離，克服了熱釋電紅外線傳感器探測距離近的缺點(diǎn)，為人體距離探測方面的研究提供了方便。

本文對文獻(xiàn)[4]中未涉及到的問題進(jìn)行了探討，進(jìn)一步豐富和完善了時間差測距方法[4]，并對改進(jìn)后的算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了很好的效果。

1 時間差法測距原理

熱釋電傳感器探測單元都有一個探測視場角θ，由熱釋電傳感器本身的視場角和所用光學(xué)鏡片共同確定，當(dāng)傳感器和光學(xué)鏡片選定后，該角度θ便被確定下來，為一個定值，即熱釋電傳感器所探測的區(qū)域是有限的[5]，如圖1所示。

人員目標(biāo)水平穿過探測視場時，會產(chǎn)生如圖2所示的波形圖[6]。其中，t1表示目標(biāo)熱電信號正半軸時間，t2表示目標(biāo)熱電信號負(fù)半軸時間，T表示目標(biāo)信號出現(xiàn)的總時間，T=t1+t2。假定目標(biāo)均是從圖1中A點(diǎn)位置處出發(fā)，運(yùn)動方向從左至右，目標(biāo)(人體)運(yùn)動速度保持在步速為1.1～1.5 m/s(成人正常步速)，在圖1所示的圖形中，利用幾何關(guān)系就可以測得目標(biāo)與探測器之間的距離。

圖1 PIR探測視場示意圖

圖2 目標(biāo)通過傳感器時信號波形圖

2 運(yùn)動方向?qū)r間差法測距的影響分析

當(dāng)人員目標(biāo)勻速穿過熱釋電探測視場，運(yùn)動方向與熱釋電傳感器中軸線夾角不同時，產(chǎn)生的信號波形會發(fā)生很大的變化。圖3表示人員目標(biāo)以不同角度橫向穿過傳感器探測視場時所產(chǎn)生的波形。

圖3 不同角度穿過探測視場產(chǎn)生的波形

由圖可以看出:人員入侵方向不一致時，所產(chǎn)生的波形發(fā)生很大的變化。當(dāng)目標(biāo)橫向穿過探測視場時，熱釋電信號波形是正區(qū)負(fù)區(qū)對稱的正弦信號；當(dāng)目標(biāo)斜切穿過探測視場時，波形改變較大，熱釋電信號正區(qū)負(fù)區(qū)不再對稱。因?yàn)榉濉鍟r間差法測距是建立在信號波形正區(qū)負(fù)區(qū)對稱的前提下，計(jì)算出信號的峰峰差值Δt。若信號波形正區(qū)負(fù)區(qū)不對稱，測距結(jié)果就會產(chǎn)生較大的誤差。

3 時間差測距改進(jìn)算法

針對文獻(xiàn)[4]中峰—峰時間差法測距未涉及人員斜切進(jìn)入傳感器探測視場的情況，先給出具體的算法流程。圖4為目標(biāo)斜切視場路徑示意圖，假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動路徑為AB段直線，其中,O點(diǎn)表示探測節(jié)點(diǎn)，d為目標(biāo)距節(jié)點(diǎn)距離，點(diǎn)E為節(jié)點(diǎn)探測視場中軸線與0°方向直線(圖中CD段直線)交點(diǎn)，目標(biāo)斜切視場運(yùn)動角度為θ，l1，l2分別為目標(biāo)從A點(diǎn)到E點(diǎn)的距離和從E點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，l為點(diǎn)C到點(diǎn)E的距離，角度γ為加了紅外透鏡后的傳感器的1/2探測視場角，為已知量。設(shè)AB段總長度為l,由圖可知，在直角△OCE中，有

圖4 目標(biāo)斜切視場路徑示意圖

l=d·tanγ,

(1)

(2)

在△ACE中，由正弦定理有

(3)

由以上三式得

(4)

在△EBD中，有

α2=π/2+γ,

(5)

(6)

結(jié)合式(5),式(6)有

(7)

(8)

又知AB=L

L=l1+l2,

(9)

(10)

對于一個確定目標(biāo)的熱釋電信號來說，比例系數(shù)k與總時間T可通過信號處理中的統(tǒng)計(jì)學(xué)算法解算出來，從而由式(7)可以反推得到目標(biāo)運(yùn)動方向的角度θ，由式(10)可以反推得到運(yùn)動目標(biāo)距探測節(jié)點(diǎn)的距離d，從而便實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)距離的測量。

在目標(biāo)距傳感器距離d，目標(biāo)行進(jìn)速度v，1/2探測視場角γ已知的情況下，通過計(jì)算確定距離確定角度下的比例系數(shù)k和總時間T，計(jì)算結(jié)果如表1，表2所示，其中，表1中由近至遠(yuǎn)表示目標(biāo)進(jìn)入探測視場時靠近探測節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)出探測視場時較進(jìn)入時而言遠(yuǎn)離探測節(jié)點(diǎn)。在圖4中即是指目標(biāo)從左側(cè)運(yùn)動至右側(cè)過程中，目標(biāo)從A點(diǎn)進(jìn)從B點(diǎn)出；相反，由遠(yuǎn)至近表示目標(biāo)從B點(diǎn)進(jìn)A點(diǎn)出。當(dāng)目標(biāo)從右側(cè)運(yùn)動至左側(cè)過程中分析情況類似。

表1 確定角度下的比例系數(shù)k值計(jì)算結(jié)果

表2 確定距離和角度下的總時間T值計(jì)算結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：比例系數(shù)k、總時間T與目標(biāo)運(yùn)動角度θ呈現(xiàn)線性對應(yīng)關(guān)系。只要找出目標(biāo)熱電信號中所蘊(yùn)含的k與T值的信息，便能計(jì)算出目標(biāo)沿不同角度方向穿過探測視場時相對探測節(jié)點(diǎn)的距離。

根據(jù)峰峰值時間差法測距原理，總時間T=2Δt，所以,求解總時間T的過程也就是求解峰峰值時間差Δt的過程，即可將對目標(biāo)的測距轉(zhuǎn)換為解算熱釋電信號中所蘊(yùn)含的k與Δt值的信息。圖5所示為斜切時間差法測距算法流程圖。

圖5 斜切時間差法測距算法流程圖

根據(jù)斜切時間差法測距算法編寫實(shí)驗(yàn)程序，進(jìn)行算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，表3所示為多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:改進(jìn)后的時間差測距算法較之前的時間差測距算法，測距精度得到了很大的提高，說明斜切時間差法測距算法是正確可行的。

表3 目標(biāo)斜切視場實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié)束語

峰—峰值時間差法測距是熱釋電傳感器較為全新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文對人員目標(biāo)斜切進(jìn)入探測視場的情況進(jìn)行了闡述與分析，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，求得經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通過對原來算法的改進(jìn)和修正，計(jì)算出人員目標(biāo)到傳感器節(jié)點(diǎn)的距離。結(jié)果表明：30 m范圍內(nèi)該算法能夠大大提高測距精度，使誤差控制在可接受范圍之內(nèi)，具有重要的研究意義和很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 孫 喬,楊 衛(wèi),于海洋，等.動態(tài)下紅外熱釋電傳感器的目標(biāo)定位方法[J].紅外與激光工程,2012,41(9):2288-2292.

[2] 辜文杰,方 宏.基于熱釋電效應(yīng)的紅外人體檢測[J].電子世界,2012(13):48-49.

[3] 萬柏坤,馮 莉,明 東,等.基于熱釋電紅外信息的人體運(yùn)動特征提取與識別[J].納米技術(shù)與精密工程,2012,10(3):249-256.

[4] 楊 衛(wèi),李波,孫 喬，等.基于熱釋電紅外傳感技術(shù)測距的時間差法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):37-40.

[5] Zappi P,Farella E,Benini L.Tracking motion direction and distance with pyroelectric IR sensors[J].IEEE Sensors Journal,2010,10(9):1486-1494.

[6] Fang J S,Hao Q,Brady D J,et al.Path-dependent human identification using a pyroelectric infrared sensor and Fresnel lens arrays[J].Optics Express,2006,14(2):609-624.