王司東， 徐德輝， 熊 斌，王岳鵬， 劉華巍

MEMS熱電堆傳感器的紅外探測系統(tǒng)*

王司東1，2， 徐德輝1， 熊 斌1，王岳鵬1， 劉華巍1

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 微系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，上海 200050； 2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為了實現(xiàn)遠距離紅外目標(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。

熱電堆傳感器； 紅外探測； 靜態(tài)識別； 分類識別

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[1]。

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[2,3]。

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，由于微細加工技術(shù)的發(fā)展進步，MEMS熱電堆紅外傳感器也取得了飛速發(fā)展[4]。

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

Vout=SAB·ΔTHC(V)

(1)

式中SAB為物體A和物體B之間賽貝克系數(shù)差，V·K-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散的結(jié)果。

一般而言，微機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0.1 mm2，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[6]。設(shè)計一個放大調(diào)理電路，首先需要對輸出信號進行分析，常用比探測率D*描述探測器的綜合性能，定義為

(2)

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[6]為

(3)

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。

當(dāng)明確了放大信號的基本特征后，方可進行電路設(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，采用熱電阻作為補償單元，消除環(huán)境溫度帶來的影響。

圖4 前置放大電路

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，需要進行二級放大，電路總的放大倍數(shù)為41×201=8 241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。

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)(intrinsic mode function,IMF)分量[7，8]，信號x(t)可以表示成

(4)

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進行小波分解，將頻率范圍只覆蓋基線頻率的小波細節(jié)置零，然后小波重構(gòu)獲得新的IMF分量，最后進行信號重構(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

mean(IMFi(r))=0

(5)

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)別來進行分類識別是可行的。

表1 探測器系統(tǒng)測試結(jié)果

探測距離/m人體峰值電壓/mV識別率/%探測距離/m車輛峰值電壓/mV識別率/%10901001005．59520681009010973060100801898403010070301005016986045100605955068100

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、遠距離探測的方案。

[1] 李 光,余振華,李寶清,等.基于熱釋電紅外傳感器的車輛和人員分類[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10):28-31.

[2] 程衛(wèi)東,董永貴.利用熱釋電紅外傳感器探測人體運動特征[J].儀器儀表學(xué)報,2008(5):1020-1023.

[3] 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(9):2288-2292.

[4] 胡 斌.非制冷式熱電堆紅外探測器接口電路研究[D].上海:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2013.

[5] 李 釗,方勇華,雒 靜,等.紅外微弱信號的放大與調(diào)理電路設(shè)計[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報,2013(5):385-394.

[6] 徐德輝,熊 斌,王躍林.CMOS兼容自對準(zhǔn)微機械熱電堆紅外探測器[J].光學(xué)學(xué)報,2010(10):2817-2820.

[7] 李曉飛.小波分析在光譜數(shù)據(jù)去噪處理中的應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2009.

[8] 史健婷,黃劍華,張英濤,等.基于小波和自適應(yīng)濾波的ECG基線漂移校正[J].計算機工程,2013(11):226-229，244.

徐德輝，通訊作者，E—mail: dehuixu@mail.sim.ac.cn。

Infrared detection system based on MEMS thermopile sensor*

WANG Si-dong1,2, XU De-hui1, XIONG Bin1, WANG Yue-peng1, LIU Hua-wei1

(1.National Key Laboratory of Microsystem Technology,Shanghai Institute of Microsystem and
Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In order to realize recognition of moving and stationary states of long distance infrared target,infrared detection system based on thermopile sensor is designed.The system comprises a ladder analysis(GRIN)lens,MEMS thermopile sensor,signal conditioning circuit,data acquisition circuit and recognition algorithm.Detection results show that with the same optical path system,it can achieve more distance than the system of pyroelectric,realize the recognition of dynamic and static targets,and based on the difference in detecting target temperature and radiation area,it can achieve the distinction between human,vehicle and other infrared targets.This proposed method provides a new solution for the detection and recognition of infrared targets.

thermopile sensor; infrared detection; static recognition; classification recognition

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0107—03

2016—02—25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51306200，51577186)

TN 219

A

1000—9787(2017)02—0107—03

王司東(1990-)，男，碩士研究生,現(xiàn)主要研究方向為基于熱電堆紅外識別以及傳感器接口電路。