基于熱釋電傳感器的時(shí)間差測(cè)距改進(jìn)算法

趙 迪， 楊 衛(wèi)， 劉前進(jìn)

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)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(duì)零度的物體時(shí)刻都在向周圍空間進(jìn)行紅外輻射[1]。熱釋電紅外探測(cè)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(cè)人體發(fā)出的微弱紅外信號(hào)，在有效范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)人體的檢測(cè)。近年來，使用熱釋電傳感器獲得開關(guān)量信號(hào)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(gè)全新的領(lǐng)域，尤其在探測(cè)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(cè)距離，克服了熱釋電紅外線傳感器探測(cè)距離近的缺點(diǎn)，為人體距離探測(cè)方面的研究提供了方便。

本文對(duì)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(shí)間差測(cè)距方法[4]，并對(duì)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(shí)間差法測(cè)距原理

熱釋電傳感器探測(cè)單元都有一個(gè)探測(cè)視場(chǎng)角θ，由熱釋電傳感器本身的視場(chǎng)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(gè)定值，即熱釋電傳感器所探測(cè)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(cè)視場(chǎng)時(shí)，會(huì)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(hào)正半軸時(shí)間，t2表示目標(biāo)熱電信號(hào)負(fù)半軸時(shí)間，T表示目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)的總時(shí)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(dòng)方向從左至右，目標(biāo)(人體)運(yùn)動(dòng)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(cè)得目標(biāo)與探測(cè)器之間的距離。

圖1 PIR探測(cè)視場(chǎng)示意圖

圖2 目標(biāo)通過傳感器時(shí)信號(hào)波形圖

2 運(yùn)動(dòng)方向?qū)r(shí)間差法測(cè)距的影響分析

當(dāng)人員目標(biāo)勻速穿過熱釋電探測(cè)視場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)方向與熱釋電傳感器中軸線夾角不同時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)波形會(huì)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(cè)視場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的波形。

圖3 不同角度穿過探測(cè)視場(chǎng)產(chǎn)生的波形

由圖可以看出:人員入侵方向不一致時(shí)，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(cè)視場(chǎng)時(shí)，熱釋電信號(hào)波形是正區(qū)負(fù)區(qū)對(duì)稱的正弦信號(hào)；當(dāng)目標(biāo)斜切穿過探測(cè)視場(chǎng)時(shí)，波形改變較大，熱釋電信號(hào)正區(qū)負(fù)區(qū)不再對(duì)稱。因?yàn)榉濉鍟r(shí)間差法測(cè)距是建立在信號(hào)波形正區(qū)負(fù)區(qū)對(duì)稱的前提下，計(jì)算出信號(hào)的峰峰差值Δt。若信號(hào)波形正區(qū)負(fù)區(qū)不對(duì)稱，測(cè)距結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

3 時(shí)間差測(cè)距改進(jìn)算法

針對(duì)文獻(xiàn)[4]中峰—峰時(shí)間差法測(cè)距未涉及人員斜切進(jìn)入傳感器探測(cè)視場(chǎng)的情況，先給出具體的算法流程。圖4為目標(biāo)斜切視場(chǎng)路徑示意圖，假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑為AB段直線，其中,O點(diǎn)表示探測(cè)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(cè)視場(chǎng)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)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(cè)視場(chǎng)角，為已知量。設(shè)AB段總長(zhǎng)度為l,由圖可知，在直角△OCE中，有

圖4 目標(biāo)斜切視場(chǎng)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(duì)于一個(gè)確定目標(biāo)的熱釋電信號(hào)來說，比例系數(shù)k與總時(shí)間T可通過信號(hào)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(dòng)方向的角度θ，由式(10)可以反推得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距探測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離d，從而便實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)距離的測(cè)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(cè)視場(chǎng)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(shí)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(cè)視場(chǎng)時(shí)靠近探測(cè)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)出探測(cè)視場(chǎng)時(shí)較進(jìn)入時(shí)而言遠(yuǎn)離探測(cè)節(jié)點(diǎn)。在圖4中即是指目標(biāo)從左側(cè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)間T與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角度θ呈現(xiàn)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。只要找出目標(biāo)熱電信號(hào)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(cè)視場(chǎng)時(shí)相對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離。

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

圖5 斜切時(shí)間差法測(cè)距算法流程圖

根據(jù)斜切時(shí)間差法測(cè)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(shí)間差測(cè)距算法較之前的時(shí)間差測(cè)距算法，測(cè)距精度得到了很大的提高，說明斜切時(shí)間差法測(cè)距算法是正確可行的。

表3 目標(biāo)斜切視場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié)束語

峰—峰值時(shí)間差法測(cè)距是熱釋電傳感器較為全新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文對(duì)人員目標(biāo)斜切進(jìn)入探測(cè)視場(chǎng)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(duì)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(cè)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。

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