被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)模型研究

1、被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)模型研究在入侵報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)行使用過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)某些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上還存在不足之處。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加以及系統(tǒng)建設(shè)和驗(yàn)收的要求，有必要對(duì)入侵報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估。對(duì)于入侵報(bào)警系統(tǒng)而言，入侵報(bào)警探測(cè)器的探測(cè)空間是定量分析評(píng)估系統(tǒng)效能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。本文根據(jù)被動(dòng)式紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制和探測(cè)原理，分析、總結(jié)出被動(dòng)式紅外探測(cè)器的三維空間探測(cè)模型，并通過(guò)MultigenParadigmCreator和VegaPrime軟件進(jìn)行仿真，直觀展示了探測(cè)器的三維探測(cè)空間，符合用戶的視覺(jué)習(xí)慣，滿足系統(tǒng)效能評(píng)估定量化、可視化和可查詢分析的要求。引言入侵報(bào)警是將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于探測(cè)非法

2、入侵和防止非法盜竊等犯罪活動(dòng)的重要技術(shù)手段。利用入侵報(bào)警技術(shù)組成的入侵報(bào)警系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的第一道防線，在安防系統(tǒng)中責(zé)任重大、應(yīng)用最為廣泛，它利用高科技手段協(xié)助人們擔(dān)任防入侵、防盜竊等工作，強(qiáng)大的功能使它成為社會(huì)治安綜合治理向現(xiàn)代化邁進(jìn)必不可少的措施。入侵報(bào)警系統(tǒng)的效能就是對(duì)入侵報(bào)警系統(tǒng)如何有效地防范入侵的一種度量。為了保障入侵報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防范作用，切實(shí)擔(dān)負(fù)起保護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要目的，使入侵報(bào)警系統(tǒng)的效能得以充分發(fā)揮，真正成為社會(huì)治安防控體系的有力技術(shù)支撐，準(zhǔn)確地建立評(píng)估體系并適時(shí)地對(duì)入侵報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估是很有必要的。被動(dòng)式紅外探測(cè)器是入侵報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分，要想很好

3、地對(duì)入侵報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估，就得先對(duì)被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)空間進(jìn)行認(rèn)真研究。因此，首先要了解被動(dòng)式紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，然后掌握被動(dòng)式紅外探測(cè)器的工作原理，進(jìn)而研究其探測(cè)原理、探測(cè)區(qū)域及觸發(fā)方式，并通過(guò)三維軟件對(duì)其所探測(cè)的區(qū)域進(jìn)行仿真，達(dá)到研究被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)模型的目的。一、被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維空間成像研究1.概述被動(dòng)式紅外探測(cè)器是一個(gè)空間控制探測(cè)器，當(dāng)警戒空間內(nèi)的任意處出現(xiàn)入侵危害時(shí)，會(huì)立即發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。自然界中的任何物體都可以看作是一個(gè)紅外輻射源，例如人體、小動(dòng)物、房屋、車輛等都無(wú)時(shí)無(wú)刻不產(chǎn)生紅外輻射。不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，溫度越高的物體，紅外輻射越強(qiáng)。被動(dòng)

4、式紅外探測(cè)器就是通過(guò)探測(cè)對(duì)象移動(dòng)時(shí)紅外輻射能量的變化而產(chǎn)生觸發(fā)的設(shè)備，在工作時(shí)不需要向探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出信號(hào)，而依靠對(duì)被測(cè)物體自身存在的能量進(jìn)行檢測(cè)。2.被動(dòng)式紅外探測(cè)器的組成及基本原理被動(dòng)式紅外探測(cè)器由光學(xué)系統(tǒng)（關(guān)鍵組件）、熱釋電傳感器（關(guān)鍵組件）、放大電路、信號(hào)處理電路和輸出電路組成，其基本工作原理是光學(xué)系統(tǒng)將來(lái)自多個(gè)方向的紅外輻射能量經(jīng)反射或特殊的透鏡透射后全部集中在熱釋電傳感器上，而熱釋電傳感器將接收到的活動(dòng)人體與背景物體之間的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗笏偷捷敵龆恕１粍?dòng)式紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的原件：一個(gè)是光學(xué)系統(tǒng)，另一個(gè)是熱釋電紅外傳感器。（1）光學(xué)系統(tǒng)目前的被

5、動(dòng)式紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)主要是透射式光學(xué)系統(tǒng)，是由多面組合在一起的透鏡-菲涅爾透鏡組成的，稱為多波束型被動(dòng)紅外探測(cè)器。它利用特殊結(jié)構(gòu)的透鏡裝置，將來(lái)自廣闊視角范圍的紅外輻射經(jīng)透射、折射、聚焦后匯聚在紅外傳感器上。這種特殊結(jié)構(gòu)的透鏡裝置就是菲涅爾透鏡，它是用透明塑料制成的一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡。圖1所示即為某種三層結(jié)構(gòu)的多視場(chǎng)菲涅爾透鏡組的結(jié)構(gòu)，它利用22個(gè)小透鏡，將警戒區(qū)視場(chǎng)分割成22個(gè)小視場(chǎng)（又稱敏感區(qū)），各個(gè)敏感區(qū)被盲區(qū)隔開(kāi)，來(lái)自各個(gè)小視場(chǎng)的紅外輻射均會(huì)聚到位于透鏡凹面下方處的紅外傳感器上。當(dāng)移動(dòng)的人體由盲區(qū)移動(dòng)到敏感區(qū)或由敏感區(qū)移向盲區(qū)時(shí)，會(huì)使聚在傳感器光敏面上的紅外輻射能量發(fā)生變化

6、，從而輸出相應(yīng)的電信號(hào)去驅(qū)動(dòng)狀態(tài)改變。菲涅爾透鏡組的視場(chǎng)分割數(shù)目是與探測(cè)距離有關(guān)的，作用距離遠(yuǎn)的分割的視場(chǎng)數(shù)要多些，作用距離近的，分割的視場(chǎng)數(shù)要少些。       采用這種多視場(chǎng)的菲涅爾透鏡組，對(duì)探測(cè)人體在防范區(qū)內(nèi)的移動(dòng)是很有利的。一方面它可以使紅外傳感器所能監(jiān)控的紅外輻射區(qū)域的視野得到擴(kuò)展，構(gòu)成一個(gè)具有較大視場(chǎng)角的立體扇形感熱區(qū)。另一方面，利用敏感區(qū)與盲區(qū)相間的多個(gè)小視場(chǎng)，可以使入侵者在紅外傳感器前面移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大、較快的紅外輻射的變化，從而提高了探測(cè)人體移動(dòng)的靈敏度。讓我們對(duì)照?qǐng)D2所示的菲涅爾透鏡組的局部放大圖來(lái)分析一下探測(cè)原理： 

7、60;        由圖2可以看出，當(dāng)人體在防范區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，人體所發(fā)出的紅外輻射就一次又一次地被盲區(qū)所阻斷，而只有通過(guò)敏感區(qū)的紅外輻射才能被紅外熱電元件所接收，這樣就產(chǎn)生了連續(xù)變化的電信號(hào)。而且從圖2中可以明顯看出，當(dāng)人體做橫穿防范區(qū)的移動(dòng)，即橫切透鏡組的垂直“縫隙”時(shí)（如圖2中箭頭所示的方向），會(huì)產(chǎn)生最大、最快的紅外輻射的變化，此時(shí)，被動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度最高。由此可見(jiàn)，菲涅爾透鏡組的作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將移動(dòng)對(duì)象的紅外信號(hào)折射在熱釋電傳感器上。二是在前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“敏感區(qū)”，這樣就使熱釋傳感器接收到的信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈

8、沖形式輸入，增強(qiáng)了能量幅度，從而提高了探測(cè)靈敏度。（2）熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器是一種檢測(cè)物體輻射的紅外能量的傳感器，它是利用晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫度變化而改變這種特性的傳感器。當(dāng)紅外線照射熱釋電元件時(shí)，其內(nèi)部極化作用發(fā)生很大變化，其變化部分作為電荷釋放出，從外部取出該電荷就變成傳感器的輸出電壓。其工作原理如圖3所示。        3. 探測(cè)區(qū)域的成像原理    被動(dòng)式紅外探測(cè)器通過(guò)熱釋電紅外傳感器和菲涅爾透鏡來(lái)探測(cè)空間中的對(duì)象，但被動(dòng)式紅外探測(cè)器的探測(cè)區(qū)域主要取決于復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的基本功能是將背景

9、物體的熱能輻射匯聚到熱釋電紅外傳感器表面，當(dāng)有入侵者時(shí)，可使熱釋電紅外傳感器上感知到紅外輻射能量發(fā)生的變化。分層結(jié)構(gòu)的多組光學(xué)菲涅爾透鏡組成的透鏡聚焦式光學(xué)系統(tǒng)使得探測(cè)器在形成向下俯瞰的扇形防護(hù)區(qū)，張開(kāi)扇形視角的同時(shí)，兼顧遠(yuǎn)、中、近等不同區(qū)域的目標(biāo)探測(cè)。  因此得出單個(gè)菲涅爾透鏡最大探測(cè)角度只與探測(cè)器的最遠(yuǎn)探測(cè)距離L、最寬探測(cè)距離以及菲涅爾透鏡弧長(zhǎng)有關(guān)。其中，菲涅爾透鏡的弧長(zhǎng)即菲涅爾透鏡的長(zhǎng)和寬，根據(jù)菲涅爾透鏡的長(zhǎng)可求出水平方向的最大探測(cè)角度，根據(jù)菲涅爾透鏡的寬可求出垂直方向的最大探測(cè)角度。前面提到的菲涅爾透鏡組第一排為11個(gè)透鏡，在不考慮盲區(qū)的情況下，第一排水平探測(cè)角度為

10、11，第二、三排同理，探測(cè)角度分別為6、5。由于不同的菲涅爾透鏡組均為整齊排列，所以多層多區(qū)間的菲涅爾透鏡組的探測(cè)角度可根據(jù)其分割的單元數(shù)乘以單個(gè)菲涅爾透鏡最大探測(cè)角度即可。但理論上的菲涅爾透鏡是靈敏區(qū)和盲區(qū)相間組成的，即盲區(qū)（即不透光區(qū)）將警戒區(qū)視場(chǎng)分割成由各個(gè)敏感區(qū)（即透光區(qū)）形成的數(shù)個(gè)小視場(chǎng)，因此在計(jì)算最大角度時(shí)需要將數(shù)個(gè)盲區(qū)的角度加進(jìn)去，但是由于實(shí)際情況下被動(dòng)式紅外探測(cè)器中使用菲涅爾透鏡的盲區(qū)無(wú)法判斷面積，這里將每個(gè)單元盲區(qū)的角度設(shè)為，則得出三排透鏡的探測(cè)角度分別為11+10、6+5、5+4。結(jié)合實(shí)際所需要達(dá)到的最遠(yuǎn)、最寬探測(cè)距離和水平、垂直方向上的最大探測(cè)角度，則可以描繪出被動(dòng)式紅外

11、探測(cè)器的三維探測(cè)空間。二、被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維仿真設(shè)計(jì)1.概述對(duì)被動(dòng)式紅外探測(cè)器成像技術(shù)的仿真是對(duì)場(chǎng)景紅外輻射分布的一種模擬。根據(jù)模擬場(chǎng)景的幾何特征，建立合適的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)光譜、場(chǎng)景溫度分布及材質(zhì)等特征算出紅外場(chǎng)景的熱輻射量，建立合理的紅外輻射模型；根據(jù)所處的氣候環(huán)境建立大氣傳輸模型，然后對(duì)應(yīng)需要仿真的波段建立相應(yīng)的被動(dòng)式紅外探測(cè)系統(tǒng)的模型，最后仿真得到場(chǎng)景的紅外圖像。它可以提供不同氣候條件下的紅外圖像，降低成本，提高效率。分析過(guò)被動(dòng)式紅外探測(cè)器的主要原理后，使用Vega軟件可實(shí)現(xiàn)三維仿真的目的。2.仿真工具的介紹和使用我們?cè)谶M(jìn)行三維仿真時(shí)，以Multigen公司的Creator3.2和Ve

12、gaPrime1.1為主要工具構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入VegaPrime運(yùn)行環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互，實(shí)現(xiàn)了一定程度的視景模擬。Creator用來(lái)建立三維模型，Vega是將三維模型渲染成場(chǎng)景，在場(chǎng)景上瀏覽、查詢并進(jìn)行實(shí)例演示。利用Vega庫(kù)函數(shù)，在lynx中可以建立漫游所需要的場(chǎng)景、窗口、通道、運(yùn)動(dòng)方式、觀察者、碰撞方式等，定義對(duì)象的初始化參數(shù)以及建立對(duì)象之間的相互聯(lián)系。使用Creator完成三維建模后，就可以導(dǎo)入Vega創(chuàng)建、編輯、運(yùn)行復(fù)雜的仿真應(yīng)用。3.被動(dòng)式紅外探測(cè)器的仿真仿真紅外成像主要包括三個(gè)部分：場(chǎng)景仿真、大氣模塊仿真以及紅外探測(cè)器仿真。場(chǎng)景仿真主要是對(duì)場(chǎng)景的幾何特性和紅外特性進(jìn)行仿真，它直接影

13、響紅外圖像仿真的準(zhǔn)確性。利用Vega提供的仿真平臺(tái)可以快速地定制紅外探測(cè)器的參數(shù)及模式。圖5為仿真系統(tǒng)框圖。        三、被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維仿真實(shí)現(xiàn)1.仿真的實(shí)現(xiàn)按照仿真設(shè)計(jì)的步驟，將前文中計(jì)算得到的被動(dòng)式紅外探測(cè)器的探測(cè)空間方程和各項(xiàng)參數(shù)代入，建立被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)模型的仿真結(jié)果全景圖，如圖7為防護(hù)走廊的探測(cè)模型圖，分為黃、綠、藍(lán)三層。    2.仿真結(jié)果分析將仿真出來(lái)的三維探測(cè)模型參數(shù)改成某產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上的技術(shù)規(guī)格后，仿真后與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上覆蓋范圍示意圖（如圖9所示）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)探測(cè)角度與說(shuō)明書(shū)上角度相同。結(jié)果表明，被動(dòng)式紅外探測(cè)器三維探測(cè)空間的仿真方法是可行的，利用該方法模擬的探測(cè)模型滿足系統(tǒng)效能評(píng)估定量化、可視化的要求。四、結(jié)束語(yǔ)隨