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一種熱釋電紅外探測器的單目設(shè)計(jì)

0引言

由于紅外線是非可見光，與傳統(tǒng)的探測技術(shù)相比較，紅外探測器具有隱蔽性和保密性好、光譜響應(yīng)寬、環(huán)境影響小、無需制冷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于報(bào)警探測領(lǐng)域。然而，該技術(shù)存在響應(yīng)速度慢、無法對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行定位等缺點(diǎn)，大大局限了紅外探測技術(shù)在軍用以及高端領(lǐng)域的發(fā)展[1-3]。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)眼探測器的單目，該復(fù)眼探測器要求能夠在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熱釋電紅外探測器的研究

1.1熱釋電紅外探測器的工作原理

熱釋電紅外探測器屬于被動(dòng)式的紅外探測器，自身不向外發(fā)送紅外線，可以接收探測區(qū)目標(biāo)發(fā)出的任意波段的紅外線，探測器內(nèi)部的熱釋材料可以產(chǎn)生極化反應(yīng)[3]。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，外部的自由電荷來不及中和，熱釋材料的表面形成一個(gè)外電場，這種現(xiàn)象稱為熱釋效應(yīng)[4-5]。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)物的探測功能[6]。

1.2熱釋電紅外探測器組成結(jié)構(gòu)

目前，成熟技術(shù)的熱釋電紅外探測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?；诖嘶窘Y(jié)構(gòu)的熱釋電紅外探測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，熱釋電紅外探測器無需光源，可以接收探測區(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。

圖1　熱釋電紅外探測器組成結(jié)構(gòu)圖

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。

圖2　雙元熱釋電紅外傳感器等效電路示意圖

雙元熱釋電紅外傳感器組成包括三部分：探測敏感元、濾光片以及場效應(yīng)管。探測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。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)起來的，也可以是并聯(lián)起來的，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也不盡相同。熱釋電紅外探測器的熱敏元件對(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范圍在9.33～9.36 μm，普通車輛的紅外波長范圍在8～14 μm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7.5～14 μm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(LiTaO3)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。

表1　幾種熱釋電材料的性能參數(shù)對(duì)比

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，無法直接測量。因此，需要高阻抗將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。場效應(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。

2.5單目的測試電路

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。為了檢測單目能否正常工作，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。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[7]。圖4為整體報(bào)警電路設(shè)計(jì)的框圖。

圖4　整體電路設(shè)計(jì)框圖

單目中場效應(yīng)管輸出的電壓很微弱，無法直接驅(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。測試中，利用示波器測量經(jīng)過放大電路的電壓輸出端有無電壓波形，輸出如圖5所示。

圖5　放大后的波形圖

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

本設(shè)計(jì)是基于熱釋電紅外探測的復(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)紅外探測存在的探測能力不強(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，設(shè)計(jì)一種新型紅外探測器。本設(shè)計(jì)中的單目是基于熱釋電紅外探測器設(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，具備結(jié)構(gòu)簡單、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。

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Design of the Monocular Pyroelectric Infrared Detector

崔永俊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) 電子測試技術(shù)國家重點(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)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，山西 太原030051;

中國煤炭科工集團(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器的復(fù)眼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)合熱釋電紅外探測隱蔽性好、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、復(fù)眼視場角大、體積小且靈敏度高等優(yōu)勢，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器的單目可以檢測到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

Abstract：To solve the problems of high false alarm rate, low sensitivity and unable to locate intrusion targets and other issues in ordinary pyroelectric infrared detection technology, the design based on compound eye structure is proposed for pyroelectric infrared detector. Combining the advantages of pyroelectric infrared detection, including good concealment, stable performance, environmental adaptability, large viewing angle of compound eye, small size and high sensitivity, the charge signal on pyroelectric material is converted into voltage signal, and output after filtering and amplifying. Experiments show that the monocular of the designed pyroelectric infrared detector can detect intrusion target within fifteen meters, and output pulse level as an alarm signal.

Keywords:Infrared detectorFresnel lensSensitive elementSensorSignal processingFilteringCircuit designEquivalent circuit

中圖分類號(hào)：TH7;TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604023

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者崔永俊(1973-)，男，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)在讀博士研究生，副教授；主要從事納米測試技術(shù)及儀器方向的研究。