基于紅外傳感器的生物識別

雷閏龍，盧亞玲，李　林，楊思凡

（武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430040）

基于紅外傳感器的生物識別

雷閏龍，盧亞玲，李林，楊思凡

（武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430040）

基于在山區(qū)復雜多變的環(huán)境下識別野豬的目的，采用紅外熱釋電傳感器結合黑體理論以及透鏡的光學理論設計出了識別野豬的算法，通過模擬熱源探測識別的實驗得出算法能夠識別野豬的結論。此算法不僅適用于野豬的識別，同時還可以應用于其他不同溫度物體的識別。

紅外熱釋電傳感器；生物識別；黑體輻射；溫度

在山區(qū)農作物經常受到野豬的破壞導致農民收成降低，因此山區(qū)野豬的防護工作一直都是農民很頭痛的問題，然而野豬屬于國家保護動物，不能肆意捕殺，所以需要科學合理的方式來達到既不傷害野豬又能驅趕野豬保護農田的目的。野豬喜愛在夜間活動，在山區(qū)的夜間野豬體表的溫度會低于周圍環(huán)境的溫度；在自然界中，任何溫度大于零度的物體都會不斷的向周圍空間進行紅外輻射，而不同溫度物體輻射的紅外線的光譜也不同；紅外熱釋電傳感器則是一種能以非接觸形式檢測出物體輻射的紅外線的裝置，并且能夠將這種光信號轉變成電壓信號，它還具有隱蔽性好，功率小，可流動安裝，靈敏度高，控制范圍大和漏報率低的優(yōu)點［1］因此被廣泛應用于報警檢測。本論文先分析了山區(qū)的復雜環(huán)境，再結合黑體理論及透鏡光學的理論知識利用紅外熱釋電傳感器設計出野豬的識別算法，最后在分析了大量實驗數(shù)據(jù)的基礎下得出此算法能夠用于識別不同溫度物體的結論。

1　算法設計

1.1山區(qū)復雜環(huán)境信息分析

1）環(huán)境干擾：這種干擾主要是來自于不動的物體如植物或者山石，由于外界環(huán)境基本不變，所以這種干擾可視為嚴重常數(shù)項。

2）其他動物的干擾：由于山區(qū)生物多樣性豐富，生長著，各種各樣的動物，因此其他動物進入檢測防護區(qū)必定會對野豬的識別帶來很大的干擾。

3）晝夜溫差帶來的干擾。

1.2基于黑體理論的生物識別算法研究

1）黑體輻射相關理論：

自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系［2］，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強［3］。

由斯蒂芬-玻爾茲曼定律所確定的黑體輻射出射度：

其中σ=5.6697×10-8W·m2·K-4,稱為史蒂夫玻爾茲曼常數(shù)λ表示波長，T表示熱力學溫度。

黑體ε（λ）=ε=1；灰體ε（λ）=ε=常數(shù)（小于1）；選擇性輻射體ε（λ）隨波長而變。

在自然界中幾乎所有物體的輻射都具有選擇性。具有粗糙表面的固體的選擇性最小，大多數(shù)工程材料的輻射具有很小的選擇性，它們可以看成灰體。灰體的輻射也和黑體一樣具有連續(xù)光譜，且其光譜曲線的形狀與黑體類似。在相同溫度下灰體和黑體具有相同的峰值波長。由于實際物體并非黑體，所以實際物體的輻射出射度還需要在上式中乘上物體的輻射度常數(shù)，即Mλ=εσT4根據(jù)以上黑體輻射的公式可以知道不同的物體的黑體輻射出射度是不同的，每個物體輻射出的紅外線的光譜也是唯一確定的。野豬屬于灰體研究的范疇，因此從灰體輻射的角度入手結合紅外傳感器鑒別野豬是準確可行的方法。

1.3維恩位移定律

在一定溫度下，黑體的譜輻射亮度存在一個極值，這個極值的位置與溫度有關：

λm表示最大黑體譜輻射亮度處的波長（μm），T—黑體的絕對溫度（K）。

1.4野豬的體表溫度

當溫度處于12.5～25.3℃之間時可以用公式T=13.647+ 0.597X（X是環(huán)境溫度，T為體表溫度）預測豬的體表溫度且可控制環(huán)境溫度。當豬處于12.5℃以下時環(huán)境溫度和豬只的體表溫度沒有顯著關系［4］。

1.5野豬紅外輻射主頻段

根據(jù)維恩定律，我們可以估算，當T=13.647+0.597X （12.5°≤T≤25.3°）時，野豬的輻射的最大的輻射亮度處。

為了方便計算，文中將野豬視為黑體來計算：

2　紅外熱釋電傳感器

2.1工作原理

紅外傳感器是一種雙元探測器，包含兩個反向串聯(lián)的熱釋電元件，當信號同時射到兩個敏感元件上時，由于極性相反，輸出信號相互抵消，有利于補償背景輻射等隨機噪聲產生的誤報，但也限制了目標物體運動的方向，即目標沿著兩個敏感元的中垂面方向運動時，沒有電壓信號輸出［5］。

2.2基本構造

如圖1所示，光線從（1）窗進入經過（2）濾光片到達（3）熱釋電元件，從而產生電信號，電信號經過（4）引線輸出［6］。

圖1　紅外熱釋電傳感器的構造

因此根據(jù)（4）式中野豬的紅外熱釋電傳感器的主頻段，設計出相應的透過率的濾光片就可以達到識別野豬而不識別其他動物的目的。圖2為野豬進入探測區(qū)傳感器輸出波形。

2.3紅外熱釋電傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構

為了便于描述作如下定義：

保護區(qū)：需要被保護的農田的范圍。

圖2　野豬進入探測區(qū)域傳感器輸出波形變化

探測空隙：兩個相鄰傳感器都不能探測到的區(qū)域。由于單個紅外熱釋電傳感器的探測角度為100度的錐形體以及傳感器分布距離引起。

圖3　紅外熱釋電傳感器探測范圍

由圖3（a）,（b）對比可知隨著保護區(qū)外傳感器數(shù)目的增加，探測空隙會減小，而且保護區(qū)的范圍也會隨之增大。

1）保護區(qū)面積計算

單個紅外熱釋電傳感器的探測距離r最大可達到7到10 m。為方便計算此處取r=10m。

如圖3（c）所示當傳感器的最大探測范圍在最遠處相切，即可得到最大的保護區(qū)面積。

由（5）（6）式可得ra=2.196 m

故可得4個傳感器時保護區(qū)最大面積為sa=πra2=15.15 m2

故可得 n個傳感器時保護區(qū)最大面積為 sa=πra2=π·

3　實驗部分

3.1硬件設計

使用紅外熱釋電傳感器D200BP。信號處理電路采用BISS0001芯片。經過處理后的信號再輸入STC12C5A60S2單片機進行最終的判斷,若單片機判斷目標為野豬則啟動ISD2560語音芯片的放音模式，放出錄好的野豬害怕的聲音并打開光源。

圖4　實現(xiàn)總框圖

3.2實驗方法

改變熱源與周圍環(huán)境的溫度，讓熱源從紅外熱釋電的探測區(qū)外進入探測區(qū)內，用示波器觀察并記錄紅外熱釋電傳感器輸出波形的變化并記錄系統(tǒng)輸出情況。采取熱源垂直于傳感器軸線方向進入探測區(qū)，使輸出電壓最大。

參數(shù)：熱源與傳感器距離：2 m；環(huán)境溫度：20～24℃實驗數(shù)據(jù)如表1～4所示。

由實驗數(shù)據(jù)可知，在環(huán)境溫度不變的情況下，隨著熱源溫度的升高，傳感器的輸出峰值也會隨之升高，而其最低值卻基本不變。熱源溫度不變時，傳感器的輸出峰值會隨著環(huán)境溫度的升高而降低，使溫差較小的熱源區(qū)分度減小。隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)能夠判別的熱源溫度的范圍也隨之減小，準確度也隨之降低。需要說明的是，本系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)，還與環(huán)境光強，熱源的運動速度，熱源與傳感器的距離等參數(shù)相關。實驗表明，不同溫度的熱源在環(huán)境溫度較低時，傳感器輸出電壓的峰值會有較明顯區(qū)別，并可用放大器來加大這種區(qū)別，也能較為準確地判別出物體是否為待探測目標。為了提高探測的精度，可以探究其他因素對熱釋電傳感器輸出電壓的影響。

表1　不同熱源溫度傳感器輸出環(huán)及系統(tǒng)輸出（環(huán)境20℃）

表2　熱源溫度不同時，傳感器輸出峰峰值環(huán)及系統(tǒng)輸出（環(huán)境21℃）

表3　熱源溫度不同時，傳感器輸出峰峰值環(huán)及系統(tǒng)輸出（環(huán)境22℃）

表4　熱源溫度不同時，傳感器輸出峰峰值環(huán)及系統(tǒng)輸出（環(huán)境23℃）

4　結論

文中提出的設計方法，可以應用于野外野豬的識別檢測以達到驅趕野豬保護農田的目的，而且還可以通過改變?yōu)V光片的透光頻段達到識別不同物體的效果。但是在高溫環(huán)境下，此裝置檢測準確度會受到影響，因此本文所設計的系統(tǒng)只能在環(huán)境溫度較較低的地理位置準確識別生物。若結合圖像識別算法進行后期處理則可提高識別準確度，當然如果有新的材料是傳感器能夠克服高溫環(huán)境的影響則會使本文所設計系統(tǒng)更完善。

［1］孫喬，楊衛(wèi).海洋等動態(tài)下紅外熱釋電傳感器的目標定位方法［J］.紅外與激光工程，2012,41（9）:2288-2292.

［2］徐南榮.卞南華紅外輻射與制導［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1986.

［3］VANZEYrm．紅外技術的實際應用［M］．北京：科學出版社，1972.

［4］劉龍飛.豬舍溫度與豬體表溫度的關系模型（2012-04-09）［EB/OL］.http://www.xumurc.com/main/ShowNews_8725.html.

［5］張曄，楊衛(wèi)，岳元，等.基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素的研究［J］.紅外與毫米波學報，2010,29（16）：448-451.

［6］楊波，陳憂先.熱釋電傳感器的原理及應用［J］.儀表技術，2008（6）:66-68.

Biometric identification based on infrared pyroelectric sensor

LEI Run-long，LU Ya-ling，LI Lin，YANG Si-fan
（School of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430040，China）

In order to identify wild boars and protect farmlands,we design an arithmetic by using the infrared pyroelectric sensorcombined with the theory of black-body radiation and lens optics.Draw the conclusion that the arithmetic can be used to identify wild boarsby the simulation experiment of heat source detection and recognition.The arithmetic is not only used in the identification of boars but also can be applied to recognizing other objects of different temperature.

pyroelectric infrared sensor；biometric identification；black-body radiation；temperature

TN99

A

1674－6236（2016）13-0095-03

2015-07-02稿件編號：201507024

雷閏龍（1994—），男，湖北孝昌人。研究方向：電子信息。