（生物医学工程专业论文）基于热释电红外信息的人体身份识别研究.pdf

a b s t r a c t g a i tr e c o g n i t i o ni san e wf i e l df o r t h eb i o m e t r i cr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y i t sa i mi s t or e c o g n i z ep e o p l eo rd e t e c tp h y s i o l o g i c a l ，p a t h o l o g i c a la n dm e n t a lc h a r a c t e r sb y t h e i rw a l k i n gp o s t u r e t h e r e f o r e ，t h i st e c h n i q u eh a sab r i g h tp r o s p e c ta n da t t r a c t s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mt h ef i e l do fb i o m e d i c a li n f o r m a t i o nd e t e c t i o n p y r o e l e c t r i ci n f r a r e d ( p i r ) s e n s o r sc a nd e t e c th u m a nb o d ym o t i o nw i t h i naf a i r l y r e a s o n a b l ed i s t a n c eb yt h e i rh e a te m i s s i o n s p i rs e n s o r sh a v eb e e nu s e df o raw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha si n t r u d e rd e t e c t i o na n dl i g h ta c t u a t o r sd u et oi t sl o wc o s t a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ei n f r a r e dr a d i a t i o no faw a l k i n gp e r s o na l s oc o n t a i n s p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl i m bs w i n ga n dw a l k i n gp o s t u r ei n f o r m a t i o n ，w h i c h p r o v i d e san e ws o u r c ef o rg a i tf e a t u r ee x t r a c t i o na n di d e n t i f i c a t i o n h u m a nb o d ym o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o nf o raw a l k i n g p e r s o n i s i n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i su s i n gap i rs e n s o rw i t hf r e s n e il e n sa r r a y s t e m p o r a l v o l t a g es i g n a l sc o l l e c t e df r o map i rs e n s o rw e r ea n a l y z e dt oe x t r a c tt h em o t i o n f e a t u r e so fi n d i v i d u a l sf o rh u m a ni d e n t i f i c a t i o n i no u rs t u d y , w es e tu pa ni n f r a r e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，c o n d u c t e dd a t aa c q u i s i t i o ne x p e r i m e n ta n de s t a b l i s h e da s m a l l s c a l ei n f r a r e dd a t a b a s e t h e nt w om e t h o d sw e r eu s e df o re x t r a c t i n gt h ef e a t u r e s f o ri d e n t i f i c a t i o n o nt h eo n eh a n d ，w ee s t a b l i s h e da u t o - r e g r e s s i v e ( a r ) m o d e l sf o r t i m e - d o m a i ns i g n a l s ，e x t r a c t e da rc o e f f i c i e n t sa st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e nu s e d s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) f o rt h ec l a s s i f i c a t i o np r o c e s s t h eh i g h e s tp r o b a b i l i t y o fc o r r e c tr e c o g n i t i o nw a s6 6 4 8 ：o nt h eo t h e rh a n d w ee x t r a c t e ds p e c t r u m i n f o r m a t i o no ft h et i m e d o m a i ns i g n a lb yu s i n gf o u r i e rt r a n s f o r m ，a n de m p l o y e d p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) m e t h o df o rd i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o no fs p e c t r u m m a t r i x t h eh i g h e s tp r o b a b i l i t yo fc o r r e c tr e c o g n i t i o nw a s8 6 5 3 i ns v mc l a s s i f i e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es p e c t r u mi n f o r m a t i o no fp y r o e l e c t r i c i n f r a r e ds i g n a lb yt i m e f r e q u e n c yt r a n s f o r m i n gf o l l o w e db yp r o c e s s i n go fp c a ，w a s b e t t e rt h a nt h ef i r s tm e t h o do ff e a t u r ee x t r a c t i o n t h er e s e a r c hd i s p l a y e dt h a ti d e n t i f i c a t i o no fh u m a nb o d yb yp r o c e s s i n go ft h e o u t p u ts i g n a lo fap i rs e n s o rc a nb ea c h i e v e dt os o m ee x t e n t ，a n dt h i sw a sa l s o l o w - c o s th u m a ni d e n t i f i c a t i o ns y s t e mp r o g r a m si ns o m el o w - s e c u r i t ya p p li c a t i o n s a t p r e s e n t ，r e s e a r c ho nm o v i n gh u m a ni d e n t i f i c a t i o nb a s e do np y r o e l e c t r i ci n f r a r e d i n f o r m a t i o ni ss t i l li na ni n i t i a ls t a g e ，t h er e s u l t so ft h i st h e s i sw i l lp l a ya ne x p l o r a t o r y r o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r , f r e s n e ll e n s ，a rm o d e l ，f o u r i e r t r a n s f o r m ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ，h u m a n i d e n t i f i c a t i o nr e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邀日l 鸨售 签字日期： 砂。7 年莎月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：题目捣蛋 导师签名： 签字日期：口7 年歹月牛日 签字日期： 日 天津大学硕士论文 第一章绪论 随着全球信息产业的飞速发展和人类物理与虚拟空间的不断扩大，现代社会 对身份识别的准确性、安全性与实用性提出了更高要求。然而，日常生活中往往 会出现这样一些情况：钥匙丢了，无法进门；密码忘了，无法取钱：电脑资料被 他人非法复制；手机号码被他人盗用，这些都给我们造成了很大的麻烦，甚 至巨大损失。因此，我们需要更为方便、有效、安全的身份识别技术来保障我们 的生活! 而生物特征识别技术正顺应了这一要求。 1 1 身份识别技术概述 1 1 1 传统的身份识别方法 鉴别人的身份是一个非常困难的问题，传统的身份识别方法把这个问题转化 为鉴别一些标识个人身份的事物，这包括两个方面：1 ) 身份标识物品，比如钥 匙、证件、a t m 卡等；2 ) 身份标识知识，比如用户名和密码。在一些安全性要 求严格的系统中，可以将这两者结合起来，比如a t m 机要求用户同时提供a t m 卡和密码。但是，这些传统的身份识别方法存在明显的缺点：个人拥有的物品容 易丢失或被伪造，个人的密码容易遗忘或记错，更为严重的是这些系统无法区分 真正的拥有者和取得身份标识物的冒充者，一旦他人获得了这些身份标识物，就 可以拥有相同的权力。因此，运用传统的身份鉴别方法将很难保证身份识别的方 便性、识别结果的唯一性和可靠性。 1 1 2 生物特征识别技术 人类利用生物特征识别的历史可追溯到古代埃及人通过测量人体各部位的 尺寸来进行身份鉴别，现代生物识别技术始于7 0 年代中期，由于早期的识别设 备比较昂贵，因而应用仅限于安全级别要求较高的原子能实验、生产基地等。现 在由于微处理器以及各种电子元器件成本不断降低，精度逐渐提高，生物识别系 统逐渐应用于商业上的授权控制，如门禁、企业考勤管理系统安全认证等领域。 所谓生物特征识别( b i o m e t r i c sr e c o g n i t i o n ) 就是，通过计算机与各种传感 器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特征和行为特 征，来进行个人身份的鉴定。生理特征( p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ) 包括指纹、 第一章绪论 声音、耳廓、面部、骨架、视网膜、虹膜和d n a 等，行为特征( b e h a v i o u r a l c h a r a c t e r i s t i c ) 包括签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等。生理特征与 生俱来，多为先天性的：行为特征则是习惯使然，多为后天性的。将生理特征和 行为特征统称为生物特征峨 生物特征识别的技术核心在于如何获取这些生物特征，并将其转换为数字信 息，存储于计算机中，利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。 生物特征识g 技术的特点如下： ( 1 ) 普遍性：生物特征识别所依赖的身体特征基本上是人人天生就有的。 ( 2 ) 唯一性和稳定性：经研究和经验表明，每个人的指纹、掌纹、耳廓、 面部、发音、虹膜、视网膜、骨架等特征均与生俱来，各不相同。 ( 3 ) 不易复制性；要精确复制人的活体指纹、掌纹、面部、虹膜等生物特 征比较困难。 备类身份识别技术的安全级别比较如图1 - l 所示 安 全 级 锣静 别 m m ( 0 善* ? 曩曳 、 一。23 p 、圃疆牲 禁誓纛。 旃mc 婴! o m g 一 b l! 三竺 s 认证# 潍度 4 圈i - 1 各类身份识别技术的安全级别 与传统的识别方法的不周在于，生物特征识别身份验证方法不依赖各种人造 的和附加的物品来证明人的自身，而用来证明自身的恰恰是人本身! 生物特征识 别技术以其普遍性、唯一性、稳定性和不可复制性的特点成为我们最安全、最有 效的“钥匙”、“密码”和“身份证”。 生物特征识别被评为2 】世纪十大高科技之一。比尔盖茨曾做过这样的断言： 生物识别技术，即利用人的生物特征，例如指纹、虹膜等来识别个人的身份，将 成为未来几年i t 产业的重要革新，生物特征识别将会改变人类的生活! 盖茨这 天津大学硕士论文 段言论的背后支撑是，越来越多的个人、消费者、公司乃至政府机关都承认，现 有的基于智能卡、身份号和密码的身份识别系统是远远不够的，生物特征识别技 术将在未来提供解决方案方面占据重要的地位。 1 2 本文研究背景及意义 目前，整个全球生物识别应用的发展在广度和深度两方面都呈现出了高速增 长的局面。广度方面，包括政府、国防、金融、电信、海关、教育等多个行业都 开始呈现大规模应用生物识别技术的前景。而以p c 和手机为代表的个人应用也 呈现极为美好的前景。深度方面，传统的以门禁、考勤等为主的低端应用开始向 信息安全、金融支付等高端应用演化。金融行业目前已准备在包括柜员机、上岗 操作、银行帐号等多方面部署生物识别技术。 据国际生物组织( i n t e r n a t i o n a lb i o m e t r i cg r o u p ，i b g ) 统计，2 0 0 6 年生物识 别市场的全球年销售额为17 亿美元，2 0 0 7 年生物识别市场的年销售额约将达到 3 2 亿美元，从2 0 0 5 到2 0 0 9 年，生物识别市场的年均增长率约为2 7 。到2 0 1 2 年市场整体容量预计为7 4 亿美元，而这一数字极可能沦为保守估计【3 1 。r f i d ( 射 频识别) 技术的成熟、第三代移动通讯的规模化建设、个人数字终端的高度集成， 以及社会信息化的不断提升都将推动生物识别产业链的快速发展。一旦与这些技 术融合，生物识别市场将会呈现指数级的爆炸式增长，其前景非常可观。 中国生物识别市场是全球最具潜力的市场，从本质上来说，生物识别应用是 一个与人口基数相关的应用。这从本质上决定了中国生物识别市场具备成为全球 最大生物识别市场的可能。尽管中国生物识别产业在全球生物识别产业不是首屈 一指，但中国生物识别产业的技术实力和增长速度却在全球生物识别产业中处于 非常高的水平。 可是，没有任何一种生物特征是完美的。图1 2 显示了来自i b g 的一份分析 报告中几种生物特征识别技术的比较。使用较广的指纹识别、人脸识别、虹膜识 别及掌形识别等第一代生物识别技术，大多需要被监测对象的配合，有时甚至需 要被监测对象完成必要的动作才能实现。这些做法比较烦琐，识别速度较慢且使 用不便，不易被用户接受。指纹识别的可靠性比较高但是需要实际的物理接触： 人脸与虹膜识别不需要物理接触，然而在实际应用时却受到环境的限制较多1 4 j ； 实际上大多数的人脸识别技术只能够识别人的正面脸像，而虹膜识别技术的识别 距离一般不超过5 m 。研究显示，用明胶制成的假手指就可以轻而易举地骗过指 纹识别系统，在隐形眼镜上蚀刻出的虚假眼虹膜特征也可以让虹膜识别系统真假 难辨。随着犯罪手段的不断智能化、科技化，第一代身份识别技术将面临防伪、 第章绪论 防盗的挑战。而之前的步态识别等其他识别技术大多需要在白天环境下实现，当 夜晚来临刚就束手尢策了“。 口m m q 聃q 斜 o t ? m , s e 协n 图1 - 2 几种生物特征识别技术的比较 在自然界，任何高于绝对零度( 2 7 33 c ) 的物体都会向空间发射红外线。 红外线的辐射波长约o7 8 1 0 0 0 z , n ，介于可见光与微波之间。 人体有较恒定的体温，一般为3 7 。c ，可以看作是个红外辐射源，会发出 1 0 坤1 左右特定波长的红外线。而个体之间发射的红外线的强度会有区别，利用 这一原理所制成的最典型的设备就是红外热像仪”1 。 红外热像仪是红外探测技术不断发展的产物和实现红外探删的工具，其核心 是红外探测器，它能接受目标红外辐射能量，井将入射的微弱红外光转换为可测 电信号，然后由信号处理系统进行处理，处理完毕后经视频输卅到显示屏，并在 显示屏e 以伪彩色或灰度级的形式显示出来，从而得到与被测目标的热分布场相 对应的红外热图像。 红外热像仪可以实现全天候远距离监控。通常情况下，人体发射的红外线较 天津大学硕士论文 强，背景等非发热物体发出的红外光很微弱，因此利用红外热成像系统可以实现 昼夜监控，且周边环境不会对图像造成影响，可以较好地去除背景噪声的干扰， 精确地定位目标从而可以更准确地进行识别1 7 1 1 8 】。 然而，红外热像仪造价相当昂贵，一套设备动辄上万元甚至几十万元，有没 有既可以利用人体发射的红外线实现身份识别而又成本比较低廉的识别系统 呢? 热释电红外传感器( p y r o e l e c t r i ci n f r a r e d ，p i r ) 探测人体发出的红外辐射， 在有效探测范围内可实现运动人体的检测，在防盗报警及自动照明控制等方面有 广泛的应用。热释电红外传感器是一种被动式红外传感器，能够接收人体发射的 红外线并将其转换为电信号输出。利用双元传感元件制成的热释电传感器对环境 温度的变化、背景辐射和受振动产生的随机噪声都具有良好的补偿作用，使传感 器在实际使用中稳定可靠。 热释电红外传感器具有价格低廉、技术性能稳定、开发使用简单等特点，除 了在监控报警和自动开关等典型应用外，在众多其它领域也有广泛应用，如自动 开停的空调机、饮水机、电视机、自动拍摄人和动物活动的摄像机或数码相机等。 然而，将热释电传感器应用于人体身份识别的研究目前来说在国内外尚属少 见。由热释电红外传感器所构成的身份识别系统具有以下优点： ( 1 ) 远距离识别，监控距离较远，一般能达到3 1 0 米。 ( 2 ) 灵敏度较高。 ( 3 ) 探测器体积小、重量轻、耗电省、操作安装简便、价格低廉等。 目前国内外高校、研究机构开展这方面研究的有： ( 1 ) 台湾交通大学( n a t i o n a lc h i a ot u n gu n i v e r s i t y ，t a i w a n ) 和美国的杜克 大学( d u k eu n i v e r s i t y ) 组成的课题组，他们从2 0 0 5 年开始对热释电红外传感 器用于人体身份识别展开了研究，并陆续发表了一系列文章。 ( 2 ) 北京交通大学和辽宁工程技术大学在利用热释电红外传感器探测人体 的运动特征方面开展了初步的研究。 尽管这些尝试性的工作虽然已经取得了一些令人兴奋的成绩，但总的来说利 用红外传感器进行人体身份识别的研究目前尚处于初级阶段。大部分结果还是在 实验室中取得的；另外，目前算法的测试与评估都是在小样本数据库上进行，与 实际应用情况还有一定的差距；国际上尚没有一个通用的、权威的数据库，因此 无法建立一个统一的算法评价系统。所以在这个领域还有相当多的工作亟待开 展，要开发和实现高度可靠、鲁棒的识别系统仍是严峻的挑战。 第一章绪论 1 3 研究内容及论文结构 本文是基于运动人体红外特征的分析与识别研究，因此内容主要涉及到运动 人体红外信息检测、特征提取、模式识别等。 本研究拟采用热释电红外传感器进行运动人体的身份识别系统研究，系统框 图如图i 2 所示。热释电红外传感器接收人体发射的红外线，前端加菲涅尔透镜 阻加大探测距离，传感器输出的电信号经过放大滤波电路处理，再通过数据采集 卡进行模数转换进入计算机，对时域信号分成两路处理，一路提取时域信号的 a r 系数，作为特征向量，再利用支持向量机分类；另一路时域信号作傅立叶变 换将信号的频谱作为特征，并利用主成分分析的方法对信号的频谱幅值进行降 维处理，寻找个体之间存在的差异性，最后采用支持向量机的方法进行分类、识 别；最后比较两种特征提取的识别效果。 i ! ! 。一厂； ：哥。竺竺 圈 匮 i 未# ；i i 。t o 圈臼困 巨 卫几 早彦 齿。固矿圈。巨囝 图l - 3 运动人体身份识别系统结构示意圉 本文的具体结构安排如下 昼 天津大学硕士论文 第一章概述了本课题的研究背景、研究现状及其研究意义，包括对各种身份 识别技术的比较，同时阐述了本文的研究思路以及章节安排。 第二章论述了人体红外的相关知识，为之后利用人体辐射的红外信息进行身 份识别的初步研究提供了理论基础。 第三章主要介绍了本实验室自行研制的运动人体红外数据采集系统，包括硬 件设计和软件设计，同时说明了热释电红外传感器的工作原理。硬件设计主要包 括热释电红外传感器、菲涅尔透镜、信号调理电路、数模转换装置；数据采集软 件设计是在l a b v i e w 环境下编程实现的。 第四章介绍了数据采集方案并建立了人体红外数据库，而且对数据进行了分 析和特征提取，这是进行身份识别所必需的前期预处理，是下一步工作的基础。 特征提取分为两方面，一方面是对时域信号建立a r 模型，将a r 系数作为特征； 另一方面对时域信号作傅里叶变换，对频谱数据重采样以统一维数，并利用主成 分分析将频谱数据降维，将得到的得分矩阵作为特征。 第五章是基于支持向量机的身份识别方法研究。在身份识别的应用中，样本 数目是有限的，这时很多方法都难以取得理想的效果。支持向量机在解决小样本、 非线性及高维模式识别问题中表现出许多特有的优势，因此可根据第四章的方法 获取的红外特征识别参量，将其输入支持向量机进行分类识别，并将两种方法所 得到的特征的识别效果作对比。利用本算法在所建立的红外数据库上进行了实 验，并取得了初步成效。 第六章对论文所做的研究工作进行了总结，并对将来的工作进行了展望。 第二章人体红外基础知识 第二章人体红外基础知识 任何物体，只要其温度大于绝对零度，都会辐射红外线，人体也不例外。本 章主要介绍了与人体红外辐射相关的基础知识，包括红外辐射、人体辐射光谱， 影响红外辐射的相关因素等内容，为其后的人体红外热释电研究提供基础。 2 1 红外辐射及人体辐射光谱 1 红外辐射 光是一种电磁波，具有与无线电波一样的本质。它的波长区间从几个纳米到 1 毫米左右。人眼可见的只是其中一部分，称其为可见光。可见光的波长范围为 3 8 0 n m 7 8 0 n m ( 1 n m = 1 0 。9 m ) ，由长到短划分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 光，见图2 1 。波长比紫光短的光称为紫外光，波长比红光长的光称为红外光【9 1 。 宇宙射线 x 射线 可见光 微波一 无线电、嵌一 i l a 田一 z 增大 伽玛射线紫外线红外线 l p m - l o p m , 一 1 0 n m 一3 8 0 n m , 一 o 7 8j 越一1 0 0 0 m a 一 图2 1 光谱示意图 物体因不同的原因产生电磁波而发射辐射能，这些辐射能中有一部分是由物 体温度产生的，称为热辐射。热辐射覆盖电磁波中一部分波谱，包括了紫外、可 见光和红外波段。 红外热辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体 在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外 能量，物体的温度越高，分子和原子的运动愈剧烈，则辐射的红外线越多，红外 辐射的能量愈大，反之，红外辐射的能量愈小。红外光的波长在7 8 0 n m 1 0 0 0 a m 之间，介于可见光与微波之间，红外光又可划分为近、中、远红外三部分。近红 外波长为o 7 8 3 0 a n ；中红外波长为3 0 芝o a n ；远红外则指波长为 2 0 1 0 0 0 , t a n 的红外光。在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将 天津大学硕士论文 0 7 8 3 0 a n 、3 0 4 0 a n 和4 0 10 0 0 乒朋这三个波段分别作为近红外、中红外、 远红外波段【l o 】。 红外辐射在自然界中十分普遍，任何物体只要它的温度高于绝对零度( 一 2 7 3 。c ) ，就会有红外线向周围空间辐射，其本质是热辐射。当物体的温度越高， 则辐射的红外线越多，红外辐射能量就越强。实验表明：波长在0 1 1 0 0 0 肿之 间的电磁波被物体吸收时，可以显著的转化为热能，因此载能电磁波是热辐射的 主要媒介物。 红外辐射虽然是一种人眼看不到的射线，但其本质和可见光并无差别，是客 观存在的一种物质。红外辐射也具有波粒二象性：即具有干涉、折射和偏振等波 动性，也遵循折射和反射定律。它在真空中传播的速度等于光在真空中的速度， 即 c = 五y ，及仃= 1 2 ( 2 1 ) 式中，旯一红外辐射的波长( c m ) ； y 一红外辐射的频率( h z ) ； 仃一红外辐射在真空中l c m 的长度内所包含的波长个数； r 光在真空中的传播速度，c = 3 0 1 0j o c m s 。 热辐射的另一个特点是辐射光谱呈连续性，在电磁波谱中由于不同波谱的波 长相差很大。红外辐射和电磁波传播一样也存在被传输介质吸收和散射等现象， 使辐射能在传输过程中会逐渐衰减。 1 8 0 0 年英国科学家f w 赫歇尔发现红外线，1 8 8 7 年，在实验室中成功地产 生了红外线，使人们认识到：可见光、红外线和无线电波在本质上都是一样的。 到了2 0 世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从 实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术一红外技术。 最近二三十年来，初露头角的红外技术，在各个领域里获得了广泛的应用。从军 事上的红外线制导导弹、红外成像夜视仪，到包含高新尖端技术的红外气象卫星， 从工业上普遍应用的红外光电计数器、红外测温仪、红外气体分析仪，到民用的 波动式红外防盗报警器、人体红外自动照明开关等，红外传感技术已在军事、空 间、工农业、民用等各个领域得到广泛应用j 。 2 人体红外辐射光谱 绝对黑体是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1 的物体。由 于实际物体的红外辐射情况较为复杂，所以在研究其辐射规律时，以黑体这种简 9 第二章人体红外基础知识 单的模型入手。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射 都有一定的反射，即吸收率不等于l 。所以，黑体只是理论研究者抽象出来的一 种理想化物体模型。在自然界中完全的黑体是不存在的，为了表示某一物体与黑 体辐射的偏离，用发射率占表征。它表示实际物体辐射功率与黑体辐射功率之比， 当占= 1 ，即为理想黑体；当占= 0 ，即为完全透明体。发射率占是与物体的材料、 表面几何形状以及温度和表面加工程度有关的一个参数。 黑体热辐射的三个基本规律是红外线研究及应用的基础，它揭示了黑体发射 的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系【12 1 。同样，也是研究红外探测技术的 基本出发点。三大定律是： ( 1 ) 辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律； ( 2 ) 辐射光谱的移动规律一维恩位移定律； ( 3 ) 辐射功率随温度的变化规律一斯蒂芬一玻尔兹曼定律。 普朗克辐射定律：一个绝对温度为t ( k ) 的黑体的单位表面积，在波长力附近单 位波长间隔内整个半球空间发射的辐射功率( 简称光谱辐射度) m ，。( t ) 与波长 五、温度t 满足如下关系： m 抽= 丁2 n h c 2 面丽1 = c 。【e x p ( c 2 a t ) 一l 】- i ( 2 2 ) 其中：c 一真空中的光速，h 一普朗克常数，h = 6 6 2 6 1 7 6 x 1 0 川j s ，k 一玻尔兹 曼常数，k = 1 3 8 0 6 5 0 5 ( 2 4 ) x 1 0 - 2 3 j k ，括号内为误差值，五一波长( t a n ) ，t 一绝对温度( k ) ，c 一第一辐射常数，c ，= 2 n h c 2 = 3 7 4 1 3 1 0 4 w c m - 2 , a n 4 ， c ，一第二辐射常数， c ，= h c k = 1 4 3 8 8 1 0 4 i n n k 。 普朗克辐射定律给出了黑体在温度t ( k ) 时的辐射光谱分布特征。人体可近 似看作是一个黑体，由普朗克辐射定律，在3 7 。c ( 人体温度) 时由式( 2 2 ) 可 计算出人体辐射的光谱分布瞳线如图2 2 所示。 二 蔓 毫 基 善 耄 36 ，91 2 z b i n 图2 - 2 人体辐射光谱分布 l o 天津大学硕士论文 从图2 2 中可以看出，人体产生的红外辐射大部分在7 - 1 4 j ，r n 的波段。 维恩位移定律：揭示了黑体光谱辐射度极大值相对应的波长m ( 峰值辐射 波长) 随温度的变化关系。即 九t = 2 8 9 7 8 a n k ( 2 3 ) 该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长丸随其绝对温度t 成反比移 动。由公式( 2 3 ) 可计算出在人体温度3 7 。c ( 3 1 0k ) 下的黑体，其辐射峰值 为9 3 5 n n 。 斯蒂芬一玻尔兹曼定律：描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所 有波长的总辐射功率m 。( t ) 随其温度的变化规律，即 m n ( t ) = 了m 肋( t ) d 五= a i - _ a 5 e x p ! ( c 玉2 皇l a t ) - 1 = 。t 4 ( 2 - 4 ) 式中，盯一斯蒂芬一波尔兹曼常数，盯：_ c i 万4 t 4 r 1 5 c 2 。 关系式( 2 4 ) 表明凡是温度高于开氏零度的物体，都会自发地向外发射红 外热辐射，且黑体单位面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。因 而，当温度有小变化时，就会引起物体发射的辐射功率有很大的变化，因此红外 检测是非常灵敏的。 2 2 影响红外辐射的因素 影响物体红外辐射的主要因素有大气的衰减及物体不同的发射率。一般来 说，大气对可见光是透射性能良好的媒质，但红外线在大气中传播时，由于大气 中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，红外辐射 在传输过程中会逐渐衰减。空气中堆成的双原子分子如n ，o ，h ，等不吸收 红外辐射，因此这些双原子分子对红外辐射不产生衰减作用。造成辐射衰减的主 要原因是大气中h ，o ，c o ，o ，c o 和c h 。等气体的选择性吸收，以及大气 中悬浮的各种微粒的散射所致。在接近地面的空气中，对红外线的衰减起主要作 用的是水蒸气和c o ，大气对红外线的吸收情况见图2 3 。 第二章人体红外基础知识 、4i 皇 算 “ - ； 穆 五娃打； 图2 - 3 大气对红外线的吸收旧 一般情况下，红外辐射在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是0 3 微米， 3 6 微米，7 - 1 4 微米，这些波段被称为“大气窗口”。由于红外辐射在大气中传 输时，这三个波段衰减少，相对其他波段其大小能更真实地反映探测目标，对红 外探测技术来说，这三个波段就显得特别重要，因此红外探测器一般都工作在大 气窗口的这三个波段之内。从前面的介绍中知道人体发射的红外线的波段在 7 1 4 胛的波段，处于“大气窗口”中，本研究中所采用的热释电红外传感器也 是工作在这一波段内的。 黑体( 发射率e = i ) 只是理论研究者抽象出来的一种理想化物体模型，在自 然界中完全的黑体是不存在的，物体的发射率都小于l 。发射率占是与发射体的 材料、形状以及温度等有关的一个参数，人体皮肤的温度为3 2 。c ，其发射率占为 0 9 8 ，可近似看作黑体。 1 2 天津大学硕士论文 第三章人体红外热释电信息采集系统 为获得人体步行中的红外热释电信息，本研究中搭建了基于热释电红外传感 器的人体红外数据采集系统，主要包括热释电红外传感器、菲涅尔透镜、信号调 理电路、数模转换装置，软件部分则利用l a b v i e w 编程。 3 1 热释电红外传感器 3 1 1 热释电效应 当_ 二些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种 由于热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。热释电效应的形成原理如图 3 1 所示。 o oo o oo0o0 0 热中铂羲髓h k l 溢班受亿选罐撮化t + 6 1 1 k 图3 1 热释电效应形成机理 凡是有自发极化的晶体，其表面均会出现面束缚电荷。而这些面束缚电荷平 时被晶体内部的自由电子和空气中附着在晶体表面的自由电荷所中和，其自发极 化电矩不能表现出来，因此在常态下呈中性1 1 3 。 如果交变的辐射通过光敏元照射在极化晶体上，则晶体的温度就会变化，晶 体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷 耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。即：晶片的自发极化强度以及由此引起 的面束缚电荷的密度均以同样频率发生周期性变化。如果面束缚电荷变化较快， 自由电荷来不及中和，在垂直于自发极化矢量的两个端面间就会出现交变的端电 压。热释电晶体工作原理如图3 2 所示。能产生热释电效应的晶体称为热释电晶 体，又称为热电元件。具有热释电特性的材料有上千种，但广泛应用的不过十几 种，主要有硫酸三苷肽、锆钛酸铅镧、透明陶瓷和聚合物薄膜等。 国薹 0 一 一 3 给虿旦 。一 一 毽阿l 堕 !囊二醐兰靴 o i o 虿 g g 西 。一 衙。西 堕冒f 选 第三章人体红外热释电信息采集系统 产霄 挎溯龟髀 o 磅r l oo 密、 定oo 磅 轰ooo 瑟囝oo 癸轷电黼弧 移oo l 舅 oo f 瓷oqoi f 癌： 背蠹龟绚 o o 图3 2 热释电晶体工作原理 早在公元前二三百年，人们就发现了热释电效应，这是因为它很容易显示出 来，早期的研究主要是针对现象的描述。从1 9 世纪初开始，随着近代物理的发 展，关于热释电效应的定量和理论的研究日益增多，1 9 3 8 年就有人提出过利用 热释电效应测红外辐射，但长期以来没有得到重视。1 9 5 6 年c h y n o w e t h 首先将 热释电效应应用于铁电体中，为二十世纪六十年代热释电学在这一领域的发展和 研究奠定了基础。而激光和红外等技术的发展极大地促进了热效应及其应用的研 究，丰富和发展了热释电效应理论i l4 l 。 热释电效应的发现，为激光和红外探测的应用奠定了良好的基础。热释电探 测器与常规红外探测器相比，具有工作频率范围宽，灵敏度高，适用范围广等优 点，广泛应用于军事、卫星测控、银行、电力等部门。 ( 1 ) 夜视装置。利用热释电探测器制作的夜视装置，具有灵敏度高的优点， 能够将热源从背景中区分出来，这是热释电材料最早的应用之一。 ( 2 ) 卫星遥感探测装置。用于卫星探矿、森林火灾预警等。 ( 3 ) 导弹、坦克等的探测器。热释电材料制作的探测器，不需要冷却，可 以随身携带，机动使用，在军事上发挥重要作用。此外，由于热释电材料工作频 率宽，在沙漠地带可以将生物热源与背景热源区分开，自海湾战争后，美、法等 国家己开始装备d t g s 红外探测装置5 | 。 ( 4 ) 银行、保险公司等重要部门的报警器。热释电报警器直接捕捉热源， 可以将其转换为图像，避免其它的干扰，并且其灵敏度高，探测角度宽，与传统 光学摄像机相比，摄影死角小。 ( 5 ) 应用于电力部门。红外成像技术对诊断发电机( 包括火电和水电) ，封 闭母线，开关刀闸，电缆、避雷器、互感器、线路接头以及锅炉、热力管道保温 的热故障和潜在故障的显著效果，它为保证安全和经济发展供电起着重要作用。 ( 6 ) 利用热释电晶体的静压电效应，可制作声场校准器，并且可以用作水 量 天津大学硕士论文 听器监测潜艇及水面舰艇的活动情况 3 1 2 热释电红外传感器 热释电红步 ( p y r o e l e e t r i ci n f r a r e d ，p i r ) 传感器就是利用热释电效应的原理， 将红外辐射能转换为电能的一种元件。 热释电红外传感器通常由2 个极性相反的传感元件串联连接并与1 个高阻 和1 个场效应晶体管组装在一起i ”】。根据应用的需要，设计成2 个传感元件都用 于接受红外辐射或仅】个传感元件用于接收红外辐射( 另1 个被遮挡) 。热释电 红外传感器对交变的红外辐射产生响应，输出正或负的信号。双元传感器的内部 结构如图3 - 3 所示。当辐射信号同时入射到2 个传感元件上时，由于2 个传感元 件极性相反，连接信号就会相互抵消而没有输出。因此用双元传感元件制成的热 释电传感器对环境温度的变化、背景辐射和受振动产生的随机噪声都具有良好的 补偿作用，使传感器在实际使用中稳定可靠】。 图3 - 3 热释电红外传感器内部结构图3 4 热释电传感器r e 2 0 0 b 外形 本实验选用尼赛拉公司生产的r e 2 0 0 b 型号的热释电红外传感器，它是职元 传感嚣由硅窗、敏感材料、高值电阻r g 和场效应管组成。其外形如图3 - 4 所 示。d 脚和s 脚分别为内部场效应管的漏极和源极的引出端，g 脚为内部敏感元 件的接地引出端。因s 和o 之间悬空，故使用时其问应接输出电阻r s ，才能输 出传感信号，为了增强抗干扰能力，在此电阻上应并一个电容c 。表3 - 1 是r e 2 b 的性能参数，其中的输出信号、噪声和平衡度是在4 2 0 k 黑体辐射强度为 1 3 珊c m2 及增益为7 25 d b ( 1 h z ) 条件下测得。 第三章人体红外热释电信息采集系统 表3 一lr e 2 0 0 b 型热释电传感器性能参数 灵敏元面积 2 0 1 0 m m 平衡度 2 5 v 视场1 3 8 0 x1 2 5 。工作电流 8 5 - 2 4 衅 工作波长 7 - 1 4 p m 源极电压o 4 1 1 v 透过率 7 0 ( 7 - 1 4 岬)工作温度 一3 0 + 7 0 工作电压 3 1 0 v ( r 。：4 7 k f 2 ) 保存温度4 0 + 8 0 频率响应0 3 3 0 h d 1 0 d b噪声 1 0 1 0 q ，实现阻 抗转换) 、低噪声的场效应晶体管，并把它封装在热释电探测器管壳内【l 引。这样 可以有效地降低噪声、防止外界干扰及机械振动的影响。 高阻值电阻r g 的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作。 硅窗能有效地滤除7 0 14 n n 波长以外的红外线。根据维恩位移定律计算出 人体辐射的红外线中心波长为9 3 5 a n ，因此人体辐射的最强红外线的波长正好 落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过， 而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰【19 | 。 内部敏感材料做成很薄的薄片，每一薄片相对的两面各引出一根电极，在电 极的两端则形成一个等效的小电容，这两个小电容做在同一硅晶片上，能够自身 产生极化，在电容的两端产生极性相反的正负电荷。且这两个电容是相反串联的， 使传感器具有独特的抗干扰性： ( 1 ) 当传感器没有检测到人体辐射的红外信号时，由于自身极化，电容两 端产生极性相反电量相等的正负电荷，而两个电容串联，产生的电荷抵消，回路 中无电流，传感器无输出【2 0 1 。 ( 2 ) 当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到敏感元件上的光能能量 相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中抵消，传感器仍然没 有输出。 ( 3 ) 在灯光或阳光下，因阳光的移动速度非常缓慢，照射到敏感元件上的 红外线光能能量仍然相等，并相互抵消，且传感器对红外光波长的敏感范围很窄， 故传感器对它们不敏感f 2 。 ( 4 ) 当环境温度变化引起传感器本身温度发生变化时，因为两个电容做在 同一硅晶片上，所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相