（信号与信息处理专业论文）主被动结合型智能红外监控系统研究和设计.pdf

，：_ ji i , j 耐 苏州大学学位论文使用授权声明 川帅i l l l l l l 川| i i l l y 17 3 2 8 5 6 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年_ 月解密后适用本规定。 非涉密论文囱 论文作者签名： ：钲鑫叠 日期： 碰：! 足 导师签名：二当年日。期：一 p o o 一 一 主被动结含型智能红外监控系统研究和设计中文摘要 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 中文摘要 当前基于红外技术的目标监控系统主要有两种：一种为主动红外跟踪定位系统， 另一种为基于热释电红外传感器的报警系统，本文结合两种安防监控系统的特点，提 出针对单目标的，兼主动跟踪与被动跟踪报警功能于一身的智能红外安全监控系统。 进入系统监控区域的目标，根据其是否携带发射装置分为两类：“既定目标 和 “裸目标 。对于“既定目标”，通过检测其携带的发射装置发射出的红外辐射，进 行目标身份判断，分析目标运动轨迹，跟踪目标，为监控场所提供2 4 小时的视频流； “裸目标”视为进入系统检测范围的“非法入侵人员 ，系统通过热释电开关检测“裸 目标 ，控制器发出报警和跟踪命令，监控目标的运动情况。主、被动结合起到全方 位的监控和安全防范作用，并且弥补了当前安防系统无法辨别“访客”身份的不足， 实现了选择性报警功能，使系统在较低成本基础上达到较高的智能化。 本文整体描述了系统结构模型和使用环境，及其工作原理；然后分模块介绍设计 思路和实现方案。由于各模块感应原理的差异性，因此主被动两模块采取独立的跟踪 算法，论文对每个模块的跟踪算法给出详细描述，并就避免传感器在感应边界灵敏度 下降提出方案，提高了系统工作的稳定性、及时性和准确性；并完成了感应节点的硬 件设计，电路板的制作和调试，以及执行机构的设计等。实验结果表明，系统工作稳 定，环境依赖程度小，网络连接易扩展，具有良好的应用价值，达到了本文的预定目 标。 关键字：目标跟踪；主被动结合；语音报警；有限状态机 作者：郭秀秀 指导老师：吕建平 p r e s e n t e d t h et a r g e ti n t ot h es y s t e mc a nb ed e v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ，a c c o r d i n gt ow h e t h e r t h e yc a r r yt h el a u n c h e ro rn o t ：t h ep r e d e t e r m i n e dt a r g e t a n d t h eb a r et a r g e t t h e p r e d e t e r m i n e dt a r g e ti sd e t e c t e dt h r o u g ht h ei n f r a r e dr a d i a t i o ne m i t t e db yt h ei n f r a r e d d e v i c ei ni t ，t h e n , t h et a r g e ti st r a c k e dw i t h i nt h ed e t e c t i o nr a n g ea f t e rt h ei d e n t i t yo ft h e t a r g e ti sd i s t i n g u i s h e d t h eo t h e rk i n do ft a r g e tc a ng i v eo f fi n f r a r e dr a y si t s e l fw i t h o u t e m i s s i o nd e v i c ea n di sr e g a r d e da s ”i l l e g a li n v a s i o np e r s o n ”w h e nt h ep a s s i v ei n f r a r e d s e n s o ri n d u c e st h i s r a d i a t i o n ，at r i g g e rs i g n a lw i l lb es e n tt ot h em i c r o p r o c e s s o rw h i c h g i v e sa l a r m i n ga n dt r a c k i n gc o m m a n d ，t h e nt h et a r g e ti st r a c k e da u t o m a t i c a l l y s ot h e s y s t e mc a ns u p p l yc o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n ga n dp r e v e n t i o nf o rt h eb u i l d i n gw h i c hi s p o o ri nr e c o g n i z i n g ”g u e s t ”，a n da c h i e v et h ef u n c t i o no fa l a r m i n gf o rt h es e l e c t e dt a r g e t t h e s y s t e mp e r f o r m sh i g hi n t e l l i g e n tb u tw i t hl o w e rc o s t t h es t r u c t u r eo ft h e s y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n to ft h e a p p l i c a t i o ni sf i r s td e s c r i b e d ，t h e n ，t h ed e s i g nc o n c e p ta n dr e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a ma r e p r e s e n t e di ns u b - m o d u l e t r a c k i n ga l g o r i t h m si sd i f f e r e n tw h i c hi sg i v e ni nd e t a i lf o re a c h m o d u l e f u r t h e r m o r et h es o l u t i o no ft h ep r o b l e mt h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o rd r o p so n t h eb o u n d a r yi sd e s c r i b e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t y ，t i m e l i n e s sa n da c c u r a c yo ft h es y s t e m i i r e s e a r c ha n dd e s i g n ：a ni n t e l l i s e n ts e c u r i t ys ) , s t e mb a s e d o na c t i v e - p a s s i v ei n f r a r e dt e c h n o l o g , ! a b s t r a c t p e r f o r m a n c e a sw e l la st h ed e s i g no ft h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s ，t h et r a c k i n ga l g o r i t h m ， c i r c u i tb o a r dp r o d u c t i o na n dc o m m i s s i o n i n gi sc o m p l e t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mi ss t a b l ea n dd e p e n d e n tl e s so ne n v i r o n m e n t i ti se a s yt oe x p a n dn e t w o r ka n d m a k ei tag o o da p p l i c a t i o n ， k e y w o r d s ：t a r g e tt r a c k i n g ；a c t i v e - p a s s i v e ；v o i c ea l a r ms y s t e m ；f i n i t e 。s t a t ea u t o m a t a i i i w r i t t e nb y ：x i u x i ug u o s u p e r v i s e db y ：j i a n p i n gl v 目录 第一章绪论1 1 1 红外目标跟踪监控技术简介1 1 1 1 目标跟踪系统特点及分类1 1 1 2 现有红外系统分析3 1 2 本文主要研究内容5 1 2 1 系统总体设计6 1 2 2 本文研究工作。8 1 3 内容安排9 第二章主动红外跟踪模块设计。1 0 2 1 主动模块组成及工作原理1o 2 2 红外感光系统结构与建模1 1 2 2 1 红外点光源模型1 l 2 2 2 红外感光器件15 2 2 3 结构模型1 6 2 3 信号生成和检测电路1 7 2 3 1 目标信号生成与识别1 7 2 - 3 2 红外传感器i r 2 6 38 特性l8 2 3 3 红外传感电路2 0 2 4 小结2 2 第三章被动红外跟踪报警模块设计2 3 3 1 被动模块结构设计与功能分析2 3 3 2 被动红外传感器工作原理及特性2 4 3 2 1 热释电红外传感器2 4 3 2 2 干涉滤光片2 7 4 1 系统有限状态机模型4 5 4 1 1 有限状态机原理4 5 4 1 2 系统状态分析4 6 4 2 主动跟踪策略4 8 4 2 1 贝叶斯滤波理论4 8 4 3 被动跟踪策略51 4 3 1 跟踪原理5l 4 3 2w i e n e r 状态估值器解决边界状态抖动5 3 4 4 通信程序设计5 5 4 4 1 物理层5 5 ，4 4 2 数据链路层5 5 4 4 3 应用层。5 7 ： 4 5 系统工作流程5 7 ；4 6 小结6 1 5 第五章系统性能与结果6 2 l 5 1 主动跟踪性能6 2 5 2 被动跟踪性能6 4 5 3 小结6 6 第六章总结与展望6 7 6 1 本文工作总结6 7 6 2 课题延伸6 8 6 3 研究过程中的问题和解决办法6 8 参考文献7 0 攻读学位期间公开发表的论文和科研成果7 3 致谢7 4 | i 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 红外目标跟踪监控技术简介 1 1 1 目标跟踪系统特点及分类 随着科学技术的发展，传感器性能获得了很大的提高，各种面向复杂应用背景的 多传感器系统大量涌现。安防领域的监控系统便是其中一个典型例子。监控系统的基 本要求是利用一个或多个异构( 或同构) 、主动( 或被动) 传感器及计算机子系统对 监视区域的目标进行跟踪。大致说来，目标跟踪的任务就是充分利用传感器所提供的 信息，形成目标轨迹，得到监视区域内所关心目标的一些信息，如目标的状态( 包括 位移、速度、加速度等信息) 以及目标的其他特征信息等。 从被跟踪目标是否携带发射设备来看，基于传感器的目标跟踪系统设计可以分为 两大类：配合式( 主动式) ，非配合式( 被动式) 。 在配合式系统中，目标携带发射信号的设备。如p f i y a n t h a 等人研制c r i c k e t 定位 系统很好的解决了室内的定位问题。c r i c k e t 是利用目标所携带的装置发射具有标记 的射频信号和超声波信号，通过计算超声波信号的传播时间进行定位。bk u s y 等人 将室内定位技术应用于仓库管理( a s s e tt r a c k i n g ) 1 2 1 3 1 ，通过将传感器节点附着在物品 上，利用节点移动时产生的多普勒频移来确定目标的位置，实现仓库物品跟踪。福罗 里达大学和密苏里州大学联合设计的d e e r n e t 系统，在野生动物的身上携带传感器节 点，当达到一些预先设置好的视频节点通信范围时，视频节点被唤醒采集视频数据【2 】。 在配合式系统中系统可以只检测目标发出的特有信号，简化了目标发现环节，常 用于民用系统，提供一些f r e e g p s 的应用。而非配合式的目标跟踪系统需要检测目 标的特有信息，目标不会主动发射与传感器通信的信号，所以非配合式也称为被动式 检测。 随着红外技术的发展及其在各领域的广泛应用。在安防领域智能监控技术姗姗发 展的今天，可以说红外技术在该领域的运用是全新的，且一经应用，人们发现红外技 术在该领域的应用，将为智能监控技术的发展插上自由翱翔的双翅。典型的红外安全 分为光子传感器和热敏传感器两大类，红外传感器是红外系统的核心。 信号处理：将传感器所接收到的低电平信号进行放大、滤波，并从这些信号中吸 取所需信息，然后将此信号转换成要求的形式，输送给控制器。 控制显示：根据系统运用场所，控制显示的器件也有所不同，通常为显示器、记 录仪表、电机等终端设备。 根据目标信号来源，广泛应用的基于红外技术的目标跟踪安防系统主要有两类： 主动红外跟踪定位系统和被动红外跟踪报警系统。 早期的主动红外跟踪系统主要是基于红外入侵探测器的安防监控系统，主动红外 ； 入侵探测器是由发射机与接收机配对组成，发射机发出红外光束，同时接收机接收发 射机发出的红外光束。应用较多的是红外对射探测器全名叫“光束遮断式感应器”。 ：其侦测原理是利用红外线经l e d 红外光发射二极管，再经光学镜面做聚焦处理使光 线传至很远距离，由受光器接受。当有人横跨过监控防护区时，遮断不可见的红外光 束而引发警报。常用于室外围墙报警，它总是成对使用：一个发射，一个接收。发射 2 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第一章绪论 机发出一束或多束人眼无法看到的红外光，形成警戒线，有物体通过，光线被遮挡， 接收机信号发生变化，放大处理后报警。红外对射探测器主要应用于距离比较远的围 墙、楼体等建筑物。由于其采用对射技术，因此不适于在室内等有隔间或者遮挡物较 多的场所，而且对目标身份无法确定。 由于对射技术无法识别目标“身份 ，造成误报警或者漏报警。之后出现了广义 上的主动红外技术，即目标发出特定波段的红外线，通过相应的红外感应电路接收到 此信号，完成对目标的定位或者身份分析等，主动红外技术的出现弥补了红外对射技 术无法识别“来访人员”身份的缺陷。但是主动红外技术的识别也是有限制的，只能 对佩戴特殊“证件 的目标才能鉴别。因此主动红外技术主要用于定位系统，如对大 楼内的工作人员、医院病人等的定位。而在安防领域，我们更需要有这样的一种监控 设备：能够被动的检测到进入系统的人员，并跟踪分析其在系统范围内的动作行为， 若为可疑人物还要进行预警，因此要求这种技术能够根据人体的特征监测人体行为， 被动红外技术应运而生。 被动红外跟踪系统主要是基于被动红外探测器的目标监控系统。由于人体体温高 于绝对零度( 2 7 3 。c ) ，所以每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射载有人 体的特征信息，通常来讲，人体辐射出的红外线波段为9pm 左右 4 1 。被动红外探测 器即是靠探测外界红外线而工作的，通过热释电器件将检测到的红外信号转换成电信 号。实际应用中安防领域的被动红外探测器其探测的波段均在1 0 um 左右，再加上滤 光片、透镜等辅助器件，能够很好的检测人体发出的红外辐射。被动系统常用于军事 领域中的战场监视、民用领域中的入侵监测等应用中。 1 1 2 现有红外系统分析 与主动红外跟踪系统相比，被动式系统的难度显著增加，需要在低成本的传感器 节点上实现准确的目标检测与跟踪算法，同时需要降低系统的虚警率与漏检率。准确 提取目标特征也是非常重要的问题，需要有全面的应用背景知识作为基础。另外，由 于无法预知非配合目标何时出现，系统必须在目标未出现时系统的低能耗与目标出现 时系统响应的灵敏性之间达到平衡。 此外，当前目标监控设备还扮演着两种角色【5 j ：一为重大事件现场提供远程实 ( 2 ) 环境中的信号干扰和信道特殊性是造成传统方法下室内定位瓶颈的最大障碍。 环境温度和湿度的变化，都会产生随机性干扰噪声，导致各类传感信号感知单元的偏 差。加上信号传播受到墙壁、天花板、隔间等障碍物的阻挡，引起信号发生反射、折 射、衍射现象，发射信号经过多条不同路径，以不同的时间到达接收端，产生多径效 应，带来角度、时间、信号强度等变化，从而带来基于信号传播参数的跟踪算法误差， 降低系统的精度。更精确范围的目标定位和更高的系统鲁棒性是现有研究的一个方 向。 ( 3 ) 目前目标跟踪主要采用滤波估计等算法，通过初始状态及观测值来估计目标下 一时刻的位置，由此确定目标运动方位和速度。且多数算法通过迭代的方法来完成运 动轨迹的分析。因此，当目标运动速度过快或者目标在系统检测边界时，传感器节点 要对目标的变化做实时灵敏的反应，同时要求跟踪算法做出迅速“回应”，但是为了 跟踪的准确性，跟踪算法往往比较复杂，所以系统延时较严重。这种情况下，算法的 自适应性和跟踪的稳定性就为跟踪系统的关键技术之一。 ( 4 ) 网络连接几乎成为目标识别和跟踪系统的必备属性之一，方面，传感器数量 的增加大大拓展了系统的工作空间范围，另一方面，分布式的传感器及其数据融合， 也带来了单位空间内跟踪动作的精细。网络通过物理连接、信号传输和数据通讯三个 4 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第一章绪论 层次，构成一条基本的信息关联途径。网络构建和传感器的协作也是近年来的一个难 点和热点。 本文的红外跟踪系统采用点源跟踪系统模型，将红外探测器检测到的红外线转换 成电信号，经处理后，送入摄像机伺服系统，控制摄像机云台在3 6 0 。范围内旋转来 寻找目标并完成跟踪报警任务。 1 2 本文主要研究内容 国内目前使用的各类防盗、安保报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接 收以及微波等技术为基础。按照目标信号的特征和检测机制，当前广泛应用的基于红 外的目标跟踪以及防盗系统主要有两类：主动红外跟踪系统和被动红外跟踪报警系 统。前者主要用于视频会议、办公室人员的定位跟踪或者医院对病人的定位跟踪等， 主动红外跟踪系统其优点在于针对性强、误报率低，但是尚未应用于防盗领域。后者 主要应用于一些民用或商用报警系统，由于人本身辐射一定波长的红外线，红外探测 器检测到红外辐射变化产生斩波信号从而触发报警电路，其灵敏度较高。 随着智能家居的发展以及目前对于一些大型仓库或者保密性较高的场所，我们通 常都希望工作人员或指定人群进入时对其行为进行跟踪而不报警，而对外来人员则进 行防盗报警，并对其行为跟踪录像。这就很好的解放了上节中提到的监控过程中的人， 完全靠系统本身智能地完成对来访人员的跟踪报警，这就是本课题的研究出发点。根 据课题研究思路，将来访目标人物分为两类，一类是大楼内的携带有工作证件的工作 人员；一类是陌生访客。对于大楼内的工作人员，默认其危险性为o ，因此识别到是 工作人员，则不进行报警，只对其跟踪，跟踪目的在于为大楼( 或者仓库) 提供全天 2 4 小时完整的视频流。对于陌生入侵人员，对其跟踪的同时报警，通知相关人员， 有目标入侵，采取对应行动，同时跟踪入侵人员在系统范围的活动轨迹，为事后取证 提供重要的录像资料依据。 在系统框架模型建立后，针对红外传感器特点，选择了适合其特点的目标跟踪方 法，并通过实验证明了其正确性和可行性。 图1 2 系统模型 6 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第一章绪论 系统主要由两大功能模块组成，其中之一是由红外接收器、微处理器、电机驱动 电路、摄像头等组成红外主动跟踪模块。主动模块用于跟踪进入检测范围的携带有红 外发射电路的既定目标，模块中的红外接收器用来接收来自既定目标的特定频率的红 外信号，并将该红外信号转换成电信号输出给微处理器，微处理器对信号进行调理， 分析目标运动轨迹，得到目标当前位置，再通过电机来转动云台来实现摄像头对目标 的跟踪。完成主动跟踪目标的功能。 主动模块由以下子模块构成： 1光源模块：信号介质产生模块，主要器件为红外l e d 。 2 光电转换模块： 翥薹柔萎；篡藉：羹曩霎翥嚣篡荐蕃。 3 控制模块： 翕亲詈凳：箬竺詈蓑誓竺雯曩誓羹。 另一模块是由热释电红外传感器、微处理器、电机驱动电路、摄像头、语音报警 电路等组成被动跟踪报警模块。被动跟踪报警模块用于跟踪进入系统的未携带红外发 射电路的未知目标，模块中的热释电红外传感器用来检测人体辐射的红外信号，并将 其转换成电信号输出给微处理器，微处理器在获得信号及目标位置后，输出报警信号 进行报警；同时输出跟踪信号通过电机驱动云台完成摄像头对目标的跟踪。 被动模块由以下子模块构成： 1 传感模块：热释电传感器及其配套使用的滤光片、菲涅尔透镜等。 2 信号调理模块：滤波、放大及其辅助器件等。 f 命令中心：微处理器及其外围电路。 3 控制模块： 语音模块：单片机控制的语音报警芯片及配套功率放大电路等。 i 动作执行单元：步进电机驱动电路及摄像头。 两大模块与c p u 之间的通信是通过网络数据通信来完成。数据通信协议是为保 证数据通信网中通信双方能有效、可靠通信而规定的一系列约定。这些约定包括数据 的格式，顺序和速率，数据传输的确认或者拒收、差错检测、重传控制和询问等操作。 数据通信协议分两类：一类称为基本通信控制协议，用于以字符为基本单位的数据传 7 植性强；设计了在垂直和水平两自由度可转动的感应节点，获得了视场范围可调整并 能实时跟踪目标动作的现场画面信息；并研究了步进电机的动作状态，实现了目标跟 踪动作的精细和平滑。 2被动跟踪报警模块中，首先分析了菲涅尔透镜将红外光线汇聚于热释电传感器上 的基本原理，目标通过菲涅尔透镜形成的敏感区时产生的交变信号。同时对菲涅尔透 镜在增加探测距离方面做出的贡献给出了详细描述，就感应电路核心芯片b i s 0 0 0 1 的工作原理作了详细介绍。在此基础上，引出了被动模块的硬件电路设计。针对本系 统设计的特殊性，研究了适合该模块的跟踪算法，采用状态向量估计的基本思路，提 出了目标“运动方向角”概念，针对实验过程中的两种实际检测情况分别给出了确定 “运动方向角 的方法。采取w i e n e r 估值滤波器解决传感器在探测边缘状态抖动不 稳的问题，提高了系统检测灵敏度和工作稳定性。 系统根据目标红外辐射的特征，判断目标身份，对不同目标采取对应的动作，实 现了智能辨别、自动跟踪的功能。且采用基于跟踪环境特点和目标特征的跟踪算法， 跟踪实时性和有效性较现有监控系统得到很大提高，在低成本的基础上，完善了其功 能，具有较大的实用价值和拓展空间。 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第一章绪论 1 3 内容安排 本文从安防角度出发，设计了一套工作稳定，环境依赖程度小，技术原理易硬件 实现，目标跟踪算法白适应性强，报警灵敏度高，网络分布便于扩展的室内目标跟踪 与报警系统。 内容安排如下： 第一章介绍了基于目标监控的技术背景，并对当前红外技术支持的监控设备的功 能特性进行分析，归纳了当前红外监控设备的优点和不足，并在此基础上提出本文的 设计思路及系统模型，且对系统根据其功能进行划分主动跟踪模块和被动跟踪报 警模块。 第二章阐述了主动目标跟踪模块的电路设计，模块组成及工作原理。分析了红外 光线的频响特性，对所选取的红外接收器件做了详细描述，在此基础上设计了基于其 的感光系统，介绍了基于频谱调制的信号发送、接收原理。 第三章研究了被动红外跟踪报警模块电路组成及信号传输通路。分析了热释电红 外传感器的工作原理及所选红外探测器的特性，设计了感应电路、报警电路，详细分 析了微处理器电路控制原理，针对主动跟踪与被动报警的优先级别给出了设计方案。 第四章讨论了系统的软件设计，根据有限状态机原理，描述了系统状态，给出系 统状态转换图。以状态图为出发点，介绍了主动目标跟踪策略和被动跟踪策略，并对 微处理器响应机制进行详细分析，给出对应的流程图，接下来对网络通信协议进行了 设计，最后给出整个系统的工作流程及电机控制方法的详细介绍。 第五章对系统的性能进行验证并给出实验结果，给出对应的实验条件，附上实际 测试数据，并对实验结果进行了分析和总结。 第六章对本文的研究工作进行了总结，提出了课题的延伸方向。 9 研究和设计 外感应系 光源的特 被动模块 有红外信 感器和视 微处理器 的任意角 度和速度的旋转运动；“目标 发出的红外光束通过光学系统形成红外光斑，通过对 光斑信号的特殊处理，使红外目标感应节点感应到这一信号，并将信号传递给控制单 元，执行跟踪任务。本模块组成如图2 1 所示。 图2 1 主动跟踪模块化组成 本模块之所以选择红外光作为目标产生的信号，主要是基于以下几个因素： 1 0 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第二章主动红外跟踪模块设计 1红外光与可见光在电磁波中处于两个波段，能有效的抵抗可见光对系统性能的影 响，使系统能够在白天和夜间均正常工作。 2红外光不能通过墙壁或其它不透明的物体，因此系统可以用于整座楼( 仓库) 的 多个房间跟踪，可以有效隔离不同房间的信号干扰，优化房间级目标的跟踪效果。 3红外信号在传输过程中不必采用复杂的信号处理技术，在调制装备上比无线电波 设备简单得多，极大的简化了连接装置的设计。 4新的光学材料和技术使红外发射器的性能有了很大的提高，成本也只有几十元甚 至几元，对于本系统低成本的红外发射器即能达到设计要求。 这些条件使得红外技术具有实现的可行性。另外，近年来对红外技术的研究，克 服了传统红外感应距离短的不足，使红外技术成熟稳定，且有大量采用红外光作为目 标跟踪对象的实例生动的说明了红外技术的技术成熟性和市场成熟性。这也是本文基 于红外技术进行系统设计的思路。 2 2 红外感光系统结构与建模 2 2 1 红外点光源模型 在光学中，点光源是发光体的最简单的模型，光线从一点出发，均匀地向四周发 散，它是对场景中比物体小得多的光源的合理地近似。红外辐射【4 】是点光源辐射的一 种典型例子。 红外辐射从可见光的红光边界开始，一直扩展到电磁学中的微波区边界。红外辐 射的波长范围是0 7 5 1 0 0 0l am ，是个相当宽的区域。在电磁波中，红外辐射只占有一 小部分波段。整个电磁波谱包括2 0 个数量级的频率范围，可见光谱的波长范围 ( 0 3 8 0 7 5 p m ) 只跨过一个倍频程，而红外波段( 0 7 5 1 0 0 0 9 m ) 却跨过大约1 0 个 倍频程。因此，红外光谱区比可见光谱区含有更丰富的内容。在红外技术领域中，通 常把整个红外辐射光谱区按波长分为四个波段，见表2 1 。 研究和设计 折射、衍 外光接近 律，为保 踪系统的 障目标电 的活动人 个厘米的 数量级，相对于感应距离，是非常小的，因此可将目标的红外源视为点光源。 系统选取红外发光二极管( l e d ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 作为点光源的电光转换元 件。红外l e d 是指具有p n 结的化合物半导体发光二极管 6 1 ，峰值发光波长在红外 ( 8 0 0 1 0 0 0 n m ) 范围的器件。红外l e d 具有单向导通性，l e d 工作需要满足两个条 件：一是正向电压y ，= 1 4 v 左右( 有的更低) ，二是正向电流，在2 0 m a 到极值电 流之间。导通电流随驱动电压增加而增加，系统采用的极值电流达到1 0 0 m a 。 红外发光二极管在流过正向电流时发射出红外光。红外发光二极管发射的光的全 部能量叫做辐射束。而发光二极管在光轴方向上发射的光的能量叫做辐射强度。辐射 束和辐射强度大致与电流成比例，如图2 2 所示。红外发光二极管中，用，表示辐 射束，单位是w ( 瓦) 。辐射强度用，e 表示，单位是w s r ( 瓦球面角度) 。 1 2 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 第二章主动红外跟踪模块设计 辐 射 强 度 l o o j i j 7 一， ， ， ， 7 朋 ， 。 ， 于 ， 1 0 1 u ul u u u 1 0 0 0 0 正向电流 图2 - 2 辐射强度正向电流特性 红外发光二极管的辐射强度不仅与正向电流有关，而且在不同方向上辐射强度也 是不同的。图2 - 3 给出了辐射强度与角度之间的关系。 一2 0 0一1 0 。0 。+ 1 0 。+ 2 0 。 角度 图2 3 辐射强度角度特性 口 o o o 坩 扩 甜 咿 咿 孵 + + 卅 + + + 塑壁章主动红外跟踪模块设计主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 目前多数红外发光二极管使用g a a s 制作的红外发光二极管，这种二极管的峰值 发光波长是9 4 0 9 5 0 n m 。人类眼睛对于这个波长范围是不敏感的，看不见这种红外光。 但是，一般的受光器件是用半导体硅制造的光敏二极管或光敏三极管，它们对这个波 长范围具有很高的灵敏度。本文中，选取常用的9 4 0 n m 波段的l e d 。 系统采用光源凸透镜成像法将红外l e d 发出的红外光线变换成相应的红外光 斑，来增强后续传感器单位感应面积上的光强，提高了系统的光感能力。光源凸透镜 成像法，是利用物点发出( 反射) 的光线经凸透镜作用后，都要经过它的像点的特点 解决相关问题的几何方法【4 】。图2 4 给出了系统红外点光源的凸透镜成像示意图。p 为位于2 f 以外的红外点光源，其发射光束经过凸透镜后，会在f 与2 f 之间成一个倒 立缩小的实像p 。，如果此时在透镜与像点之间插入接收屏，则透镜的出射光束会在 屏上投影成一个光斑，光束的横截面近似为圆形，即我们所要得到的红外光斑n n 。 m p 图2 4 红外点光源的凸透镜成像示意图 形成的光斑大小与红外点光源物距呈现一定的关系，当接收屏位置固定时，点光 源横坐标u 与光斑直径d 负相关，u 绝对值越大，d 越小。 1 4 主被动结合型智能红外j l ：f 控系统研究和设计 第二章主动红外跟踪模块设计 j l 0l ( c 图2 5 红外光斑大小与红外电光源物距关系 且通过实例验证【3 1 1 得到点光源的纵坐标与光斑纵坐标成线性比例关系，物距越 远，则光斑相对偏移量越小。 由上述分析可知，通过感知成像面光斑坐标即可获得目标与光轴的方位角，通过 检测光斑直径大小即可估算目标到镜头的距离，通过调整成像接收屏位置，即可获得 限定的视场范围。 2 2 2 红外感光器件 感光元件吲的选择是光学系统的技术关键。按工作机理和结构划分，感光元件主 要有c c d ，p i n 型光电二极管和一体化红外传感器三种。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 是在m o s 集成电路基础上发展 起来的，其体积小、重量轻、功耗小、长寿命、工作电压低和抗冲击、抗烧毁等优点， 而且在分辨力、动态范围、灵敏度、实时传输和电子自扫描等方面的优越性非常明显。 因此在当前固体成像器件中占据主导地位，并在实现各种高速图像处理等方面得到了 广泛应用。 光电二极管是以光导模式工作的结型光伏探测器。将接收到的光信号转换成与之 成比例的电流信号，具有单向导电特性。在反向电压作用下工作的，没有光照时，反 向电流( 暗电流) 极其微弱；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。 光的强度越大，反向电流也越大。主要应用在微弱、快速光信号探测方面有着非常重 要的应用。 一体化红外传感器，是在各类家电和工业控制场合应用广泛，工作距离远，性能 稳定，集成度高的红外遥控系统的接收部件。而红外遥控信号是一连串强度调制的二 第二章主动红外跟踪模块设计主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 进制脉冲，为了使其在无线传输过程中免受其他红外信号的干扰，通常都是先将其调 制在特定的载波频率上，然后再经红外发射二极管发射出去，而内置于各类设备的红 外线接收装置则要滤除其他杂波，只接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲 码，也就是解调。目前，对于这种进行了调制的红外遥控信号，采用一体化红外线传 感器进行调解。一体化红外传感器将红外光电二极管，低噪音放大器，限幅器，带通 滤波器，解调器，以及整形驱动电路等集成在一起，体积小，灵敏度高，通常采用三 端封装，除了电源和地之外，只有一条数据通道，外接元件少，抗干扰能力强，并且 输出信号兼容1 v r l 电平，和后续信号处理电路的接口十分方便。 本文采用红外传感器i r 2 6 3 8 作为光学系统接收屏的感光元件。i r 2 6 3 8 是一种典 型的三端一体化红外传感器，集成了光感测器和前置放大器，能检测微弱的红外光信 号并进行高增益电压转换；内置了解调器和p c m 频率滤波器，自动解调3 8 4 0 k h z 载波，适合o o k 信号的判别；进行了阻止电场干扰的内部屏蔽处理，能耗低，工作 电流仅为l m a ；窄的通频带设计，对周围光线有很高的抑制性，兼容t t l 和c m o s ， 输出信号可以直接被一个微处理器解码。具体特性将在2 3 2 中给出详细介绍。 2 2 3 结构模型 目标辐射的红外光线先要经过透镜，经透镜折射汇聚，由2 2 1 中可得，若在像 与透镜间加一接收屏，即可得到目标的红外光斑，若将红外光斑捕捉到红外传感器感 光面上，则达到我们预期的设计要求，即实现了光线的汇聚，也使形成的红外光斑便 于后续目标跟踪算法对目标状态的获得。因此，光学系统的模型也根据其要实现的功 能而成型，图2 - 6 给出了实际模型图。 1 6 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 第二章主动红j l - 跟踪模块设计 接收屏 光斑 图2 - 6 光学系统模型图 图2 - 6 是图1 1 给出的系统模型中一个感应节点的一个探头，每个感应节点都有 对应的感应视场，当节点传感器阵列感应到红外光斑，则可根据光斑大小判断目标距 离该节点的距离，以及根据光斑移动方向判断目标运动方位，因此每个感应节点的任 务即搜索其感应视场内的目标，终止搜索条件即是目标离开此区域或者无目标进入。 所以，可以形象的称光学系统为整个系统的“眼睛 。 2 3 信号生成和检测电路 2 3 1 目标信号生成与识别 根据前节所述，系统选择的红外电光和光电器件不仅要求红外波段范围，而且还 要求工作波形的频率范围，因此选择信号生成电路并做级联，如图2 - 7 所示。 利用两片两相输入四与非门7 4 h c 0 0 组成的自谐振荡电路合成了间断发射的脉 冲信号，其包括三种频率的信号：由u 1 d ，r 3 和c 2 产生的3 8 k h z 载波信号( 一体 化传感器工作的中心频率) ，经u 1 c 后，控制由u 1 b ，r 2 和c 1 产生的第一特征调制 信号( 每帧内的脉冲信号) ，形成连续的调频信号，该信号与由u 2 b ，r 6 和c 3 产生的 脉冲信号( 产生帧间隔，截断连续脉冲) 输入两相与t l - ju 2 c 的两个输入端，相与后在 1 7 第- 二章主动红外跟踪模块设计主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 u 2 c 的输出端形成最终发射信号。两相输入四与非门7 4 h c 0 0 具有功耗低，工作电压 范围广( 3 - 1 2 v ) 等优点，方便了供电方式的选择和信号强度的调节。发射管为红外 发射二极管d 1 d 4 ，采用直流脉冲电流驱动，多个管子并且增大场角，保障光强分布 的全向覆盖。图中与- - - i f - l - j 首尾相连，对第二级与二i f - l q 输入、输出端之间的电阻r 和c 有： t = 互+ 疋= r c l n 4 1 4 r c ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 为振荡信号的周期【9 1 。通过调节可变电阻的阻值，即可改变特征频率。 r 8 ，n n 1 u l a u 1 b 广l _ 厂7 ，广上门1 。 r 9 1 0 0 一 d 2d 1 p 。习矗荨一 3【之3 【毫 呦 ，u l c l lu1d7 q 1 l 。 i l - 一j i l1 l 一 乙一l l ! 叫 一 7 4 h c o o7 4 h c o o u 2 c 睁一鬈c 2 咖p 。：f 。h d 4d 3 7 ；h c o l 0i 3【b3 - - - ：j , e d 1 1 u 2 au 2 b 广上- f 可l 一广上可。 i 订5 1 厂觥 孟鲜。 u 一刚 i 。 l i i - l b o o r , 图2 7 目标信号合成电路原理 2 3 2 红外传感器i r 2 6 3 8 特性 选择i r 2 6 3 8 是基于其光谱响应和所选红外l e d 匹配的特点，其响应的红外光峰 值波长为9 4 0 n m ，载波频率响应如图2 8 所示。 1 8 主被动结合型智能红外监控系统研究和设计第二章主动红外跟踪模块设计 r 、 l | | | ll j| 1l li 1 - 载波中心须翠( k h z ) 图2 8i r 2 6 3 8 频率响应分布 i r 2 6 3 8 对信号的响应特性如图2 - 9 ( a ) 所示，当有与其中心频率一致的红外光 信号时，输出为低电平，否则，输出为高电平。实验表明，i r 2 6 3 8 对连续的频率匹 配信号并不能持续响应，比如对单一连续的3 8 k h z 的红外信号，输出端先出现短暂 的低电平脉冲跳变，随后恢复高电平并不再变化。实际上，感应信号有如图2 1 0 ( e ) 所示的要求，输入信号必须是间隔的脉冲串形式，每帧信号至少包含一串脉冲和一个 帧间隔，每串脉冲至少为1 0 个单位，帧间隔最小应为2 5 m s 。 t l j ，伙平 俞入波形 一 6 0 吣 6 0 吣。 输出波形 ( a ) 输入信号格式 ，。 ( b ) 输出信号格式 图2 - 9i r 2 6 3 8 输入输出特性 1 9 圪 范围，因此可选取发射信号频谱作为目标特征：将每帧脉冲许可频段均匀分割成若干 条频带，每个频带峰值对应一路目标信号特征，接收端通过信号调理电路检测一体化 传感器输出的脉冲间隔和脉冲频率两个值，就能判断该信号是否属于既定跟踪目标。 i 一一 载 调制 ， 、 、厂、 一、 波 特征脉 红外光 信 冲信号