基于红外传感器的信号采集与分析

基于红外传感器的信号采集与分析

李艳，杨 卫，乔建忠，吴越，闫俊杰*

（中北大学电子测试技术国家重点实验室；太原；山西；030051）

摘 要：针对红外传感器的基本工作原理，介绍了一种有效的模拟信号调理方法，在此基础上利用一种基于红外传感器的信号采集系统，对红外信号的数据获取与检测，并对其试验结果进行分析。 关键词：关键词：红外传感器；信号检测；车辆信号；人员信号

中图分类号：中图分类号：TP391.41 文献标识码：文献标识码：A

Signal Acquisition and Analysis Based on Infrared Sensor

LI Yan , YANG Wei , QIAO Jian Zhong, WU Yue, YAN Jun Jie

Key Lab of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (North University of China), Ministry of Education TaiYuan,

030051,China

Abstract: Base on the rationale of infrared sensor,a valid analog signal regulated means is introduced for the signal that the infrared sensor produced. infrared signal acquisition system based on infrared sensor is utilized in this article，infrared signal is successfully detected and data is also acquired by this system and analyzing the experimentation result.

Keywords: infrared sensor; signal detection; vehicle signal; personnel signal

0. 引言

红外传感器，通常分为主动式和被动式两种。主动式红外传感器能在战场上运动的人员或目标通过传感器的工作区域时，造成传感器发出的红外光线被切断，此时传感器便被启动，同时监控站的警报器自动报警，以此来探测目标。被动式红外传感器当目标发出热辐射使传感器工作区域的温度突然发生变化时，传感器便被启动；这种装置非常灵敏，在15m 的范围内，人的正常体温就足以启动该装置。而且它的是体积小，无源探测，隐蔽性好，响应速度快，能探测快速运动的目标，还可探测目标运动的方向并计算出目标的大体数量。本文对红外信号的测试是采用被动式热释电红外传感器，热释电红外传感器是热探测器的一种，它是利用铁电材料的热释电效应，即极化强度P 随温度的变化来探测红外辐射能量的，与热敏电阻型、热电偶和热电堆型等其它热探测器相比，热释电红外传感器的信号正比于敏感元温升随时间的变化率，而不像其它热探器那样需要有一热平衡过程，因此热释电红外传感器的响应速度比其它热探测器快得多(毫微秒级)。

1．红外传感器工作原理 红外传感器工作原理

由于人体辐射出的红外线能量相当弱，因而，只采用热释电红外传感器组装的探测器，其探测距离一般只有1～2m（视器件的种类）。为了提高其探测灵敏度，最好在热释电传感器的前面加装一套特殊的光学系统，即菲涅尔透镜。图1所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。 * 基金项目：基金项目：本文受山西省省基金项目，山西省归国留学人员基金，山西省创新团队支持

作者简介：作者简介：李艳(1983-)，女，湖北公安县人，中北大学电子科学与技术系硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。 121

图1 红外模块工作原理示意图 图2 红外信号处理电路

由于红外传感器采用的是双元热释电红外传感器，双元探测器是探测输入两个敏感元的信号不同对目标进行探测的，它对于图1 所示待测目标的运动方向比较敏感，而当目标沿着两个敏感元的中垂面的方向运动时，两个敏感元无法探测出信号的不同，所以它对与图1所示方向垂直的方向运动的目标不敏感。基于以上分析，考虑到本文所依托的项目中关于智能网络节点系统的隐蔽性等问题，本系统采用的是被动式的热释电红外传感器LHI958。

2．信号采集系统设计 信号采集系统设计

2.1 信号处理部分2.1 信号处理部分 信号处理部分

设计的红外信号处理电路如图2所示。

该电路采用的使一般运放LM324,它是个集成4运放，带宽1MHz，增益达100dB，单电源供电，具有很宽的供电范围：3V-30V。

该电路经测试，性能良好，对于目标的探测距离超过25m，达到了项目的技术指标要求（>20米）。图3是该电路探测到的人员红外信号。人员距离传感器11米，图4是该电路探测到的目标红外信号。目标距离传感器15米，峰值达

1.82V。

图3 距离11米时，人员的红外信号 图4 车辆的红外信号

2.2 采集部分2.2 采集部分 采集部分

本系统采集部分采用UA306型A/D采集器，该采集器分辨率为16位，16或32通道，实时采样率达250K ，另外它还由许多优点：测量精度高，速度快，无需要外接电源，编程方便，通过USB 接口与计算机相连接等。需要数据时，我们直接从PC 中将数据导入分析软件中即可，使用起来很方便。

3．实验及结果分析 实验及结果分析

从上面介绍知道，热释电红外传感器的信号正比于敏感元温升随时间的变化率，并且响应速度很快，在毫微秒级。因此对于同一个目标来说，随着距离的增大，传感器输出的信号幅度也会逐渐变小，下面给出我们的实验结果。

3.1 红外信号的波形3.1 红外信号的波形 红外信号的波形

实验现场布置及传感器的放置如图5，车型是三菱欧蓝德越野车。图6是距离为15米时测试的三菱车红外信号，图a 是由北向南匀速行驶，速度是30-40km/h，图b

是由南向北匀速行驶，速度

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是30-40km/h 。图7是距离为20米时测试的三菱车红外信号，图a 是由北向南匀速行驶，速度是30-40km/h，图b 是由南向北匀速行驶，速度是30-40km/h 。图8是人员的红外信号，距离11米，先从北到南，然后再从南到北，来回4

次。图中可以很好反应出现象。

图5 实验现场

图6（a ）三菱车的红外信号（由北向南行驶:15米） 图6（b ）三菱车的红外信号（由南向北：15米）

图7（a ）三菱车的红外信号（由北向南行驶：20米） 图7 (b) 三菱车的红外信号（由南向北行驶：20米）

图8 人员的红外信号

3.2 曲线特性分析3.2 曲线特性分析 曲线特性分析

由上述各类波形图可以看出，红外信号具有以下特点：

① 在时域曲线中，传感器对运动目标和人员感应距离都比较远，目标在20米以外，人员超过15米时，信号的信噪比仍很高；

② 随着距离的增加，红外信号逐渐减弱，人员的红外信号比目标的信号减弱的快；

③ 人员和车红外信号的频率都较低，均小于10Hz；人的信号宽度比车要大，因为车的行驶速度比 123

人要快的多；

④ 比较目标正反方向行驶的曲线可以发现，两曲线一次出现峰值，一次出现谷值，如果正方向行驶时，出现峰值，那么反向行驶时必然出现谷值。即当目标行驶方向不同时，红外信号的曲线变化趋势是不一样的，因此可根据红外信号曲线变化趋势来判断目标的运动方向；

⑤ 当距离比较远时，在时域曲线中看幅值，比较困难，但在信号的短时能量曲线中，红外信号的变化趋势很明显，所以可以采用短时能量法来分析红外信号，判断信号变化的趋势。

3.3 信号探测分析3.3 信号探测分析 信号探测分析

根据以上的红外特性分析，在本文中我们对红外定距定向，有两种判断方法，一是单个节点判断法，这个方法只能粗略定位，可以判断目标具体在哪个象限，但是不能说明目标的具体位置。二是三节点的网络精确定位法。此种方法是根据项目要求，通过建立网络相对坐标系来精确计算出目标的坐标位置及方向达到定距定向的目的。

（1）单节点粗略定位法

红外的感应角度为110°，为了网络感知区域内不出现盲区，所以在设计中，每个网络节点采用4个红外传感器，并互成90°布置在微节点的支架四周。单节点法就是借助传感器网络中一个节点来判断目标的位置。由于感知角度的存在，根据四个红外传感器的信号有无就可以判断出目标位于哪个象限，如图9所示，根据红外传感器的共有区域及单独区域将整个探测区域分为8个象限，如果仅H4有信号输出，则目标位于第I 象限，如果H4和H3象限有信号则目标位于第VIII

象限，其余以此类推。

图9 单节点法 图10 三节点法定位图

（2）三节点的精确定距定向法

任四个节点都可以组成一个矩形，且两节点之间最小距离为40m，所以取一个最小网络模块，如图10所示，由三个节点组成一个网络，当有一目标进入红外传感器的探测区域时，我们就可以建立如图10所示的模型。在上面相对的坐标系中，我们只要计算出目标的坐标位置就可以达到目标的定距定向判断的目的。

4．结束语 结束语

为了保证采集信号的正确性，本文利用有效的模拟信号调理方法和一种基于红外传感器的信号采集系统，对采集回来得红外信号进行分析。此种对目标信号探测的方法不仅获得数据和得出结论相对简单，另外它对目标的识别和定位提供一定的判别基础。

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