基于紅外傳感器的生物識(shí)別

雷閏龍，盧亞玲，李　林，楊思凡

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430040）

基于紅外傳感器的生物識(shí)別

雷閏龍，盧亞玲，李林，楊思凡

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430040）

基于在山區(qū)復(fù)雜多變的環(huán)境下識(shí)別野豬的目的，采用紅外熱釋電傳感器結(jié)合黑體理論以及透鏡的光學(xué)理論設(shè)計(jì)出了識(shí)別野豬的算法，通過(guò)模擬熱源探測(cè)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)得出算法能夠識(shí)別野豬的結(jié)論。此算法不僅適用于野豬的識(shí)別，同時(shí)還可以應(yīng)用于其他不同溫度物體的識(shí)別。

紅外熱釋電傳感器；生物識(shí)別；黑體輻射；溫度

在山區(qū)農(nóng)作物經(jīng)常受到野豬的破壞導(dǎo)致農(nóng)民收成降低，因此山區(qū)野豬的防護(hù)工作一直都是農(nóng)民很頭痛的問(wèn)題，然而野豬屬于國(guó)家保護(hù)動(dòng)物，不能肆意捕殺，所以需要科學(xué)合理的方式來(lái)達(dá)到既不傷害野豬又能驅(qū)趕野豬保護(hù)農(nóng)田的目的。野豬喜愛在夜間活動(dòng)，在山區(qū)的夜間野豬體表的溫度會(huì)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(huì)不斷的向周圍空間進(jìn)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(cè)出物體輻射的紅外線的裝置，并且能夠?qū)⑦@種光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，它還具有隱蔽性好，功率小，可流動(dòng)安裝，靈敏度高，控制范圍大和漏報(bào)率低的優(yōu)點(diǎn)［1］因此被廣泛應(yīng)用于報(bào)警檢測(cè)。本論文先分析了山區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，再結(jié)合黑體理論及透鏡光學(xué)的理論知識(shí)利用紅外熱釋電傳感器設(shè)計(jì)出野豬的識(shí)別算法，最后在分析了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)下得出此算法能夠用于識(shí)別不同溫度物體的結(jié)論。

1　算法設(shè)計(jì)

1.1山區(qū)復(fù)雜環(huán)境信息分析

1）環(huán)境干擾：這種干擾主要是來(lái)自于不動(dòng)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(yán)重常數(shù)項(xiàng)。

2）其他動(dòng)物的干擾：由于山區(qū)生物多樣性豐富，生長(zhǎng)著，各種各樣的動(dòng)物，因此其他動(dòng)物進(jìn)入檢測(cè)防護(hù)區(qū)必定會(huì)對(duì)野豬的識(shí)別帶來(lái)很大的干擾。

3）晝夜溫差帶來(lái)的干擾。

1.2基于黑體理論的生物識(shí)別算法研究

1）黑體輻射相關(guān)理論：

自然界中一切高于絕對(duì)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(zhǎng)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(qiáng)［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(zhǎng)，T表示熱力學(xué)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(zhǎng)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(zhǎng)。由于實(shí)際物體并非黑體，所以實(shí)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(gè)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(jié)合紅外傳感器鑒別野豬是準(zhǔn)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(gè)極值，這個(gè)極值的位置與溫度有關(guān)：

λm表示最大黑體譜輻射亮度處的波長(zhǎng)（μm），T—黑體的絕對(duì)溫度（K）。

1.4野豬的體表溫度

當(dāng)溫度處于12.5～25.3℃之間時(shí)可以用公式T=13.647+ 0.597X（X是環(huán)境溫度，T為體表溫度）預(yù)測(cè)豬的體表溫度且可控制環(huán)境溫度。當(dāng)豬處于12.5℃以下時(shí)環(huán)境溫度和豬只的體表溫度沒有顯著關(guān)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(dāng)T=13.647+0.597X （12.5°≤T≤25.3°）時(shí)，野豬的輻射的最大的輻射亮度處。

為了方便計(jì)算，文中將野豬視為黑體來(lái)計(jì)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(cè)器，包含兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電元件，當(dāng)信號(hào)同時(shí)射到兩個(gè)敏感元件上時(shí)，由于極性相反，輸出信號(hào)相互抵消，有利于補(bǔ)償背景輻射等隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的誤報(bào)，但也限制了目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的方向，即目標(biāo)沿著兩個(gè)敏感元的中垂面方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有電壓信號(hào)輸出［5］。

2.2基本構(gòu)造

如圖1所示，光線從（1）窗進(jìn)入經(jīng)過(guò)（2）濾光片到達(dá)（3）熱釋電元件，從而產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)（4）引線輸出［6］。

圖1　紅外熱釋電傳感器的構(gòu)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(shè)計(jì)出相應(yīng)的透過(guò)率的濾光片就可以達(dá)到識(shí)別野豬而不識(shí)別其他動(dòng)物的目的。圖2為野豬進(jìn)入探測(cè)區(qū)傳感器輸出波形。

2.3紅外熱釋電傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了便于描述作如下定義：

保護(hù)區(qū)：需要被保護(hù)的農(nóng)田的范圍。

圖2　野豬進(jìn)入探測(cè)區(qū)域傳感器輸出波形變化

探測(cè)空隙：兩個(gè)相鄰傳感器都不能探測(cè)到的區(qū)域。由于單個(gè)紅外熱釋電傳感器的探測(cè)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(cè)范圍

由圖3（a）,（b）對(duì)比可知隨著保護(hù)區(qū)外傳感器數(shù)目的增加，探測(cè)空隙會(huì)減小，而且保護(hù)區(qū)的范圍也會(huì)隨之增大。

1）保護(hù)區(qū)面積計(jì)算

單個(gè)紅外熱釋電傳感器的探測(cè)距離r最大可達(dá)到7到10 m。為方便計(jì)算此處取r=10m。

如圖3（c）所示當(dāng)傳感器的最大探測(cè)范圍在最遠(yuǎn)處相切，即可得到最大的保護(hù)區(qū)面積。

由（5）（6）式可得ra=2.196 m

故可得4個(gè)傳感器時(shí)保護(hù)區(qū)最大面積為sa=πra2=15.15 m2

故可得 n個(gè)傳感器時(shí)保護(hù)區(qū)最大面積為 sa=πra2=π·

3　實(shí)驗(yàn)部分

3.1硬件設(shè)計(jì)

使用紅外熱釋電傳感器D200BP。信號(hào)處理電路采用BISS0001芯片。經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)再輸入STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行最終的判斷,若單片機(jī)判斷目標(biāo)為野豬則啟動(dòng)ISD2560語(yǔ)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(shí)現(xiàn)總框圖

3.2實(shí)驗(yàn)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(cè)區(qū)外進(jìn)入探測(cè)區(qū)內(nèi)，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(jìn)入探測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～4所示。

由實(shí)驗(yàn)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(huì)隨之升高，而其最低值卻基本不變。熱源溫度不變時(shí)，傳感器的輸出峰值會(huì)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(zhǔn)確度也隨之降低。需要說(shuō)明的是，本系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，還與環(huán)境光強(qiáng)，熱源的運(yùn)動(dòng)速度，熱源與傳感器的距離等參數(shù)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，不同溫度的熱源在環(huán)境溫度較低時(shí)，傳感器輸出電壓的峰值會(huì)有較明顯區(qū)別，并可用放大器來(lái)加大這種區(qū)別，也能較為準(zhǔn)確地判別出物體是否為待探測(cè)目標(biāo)。為了提高探測(cè)的精度，可以探究其他因素對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，傳感器輸出峰峰值環(huán)及系統(tǒng)輸出（環(huán)境23℃）

4　結(jié)論

文中提出的設(shè)計(jì)方法，可以應(yīng)用于野外野豬的識(shí)別檢測(cè)以達(dá)到驅(qū)趕野豬保護(hù)農(nóng)田的目的，而且還可以通過(guò)改變?yōu)V光片的透光頻段達(dá)到識(shí)別不同物體的效果。但是在高溫環(huán)境下，此裝置檢測(cè)準(zhǔn)確度會(huì)受到影響，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只能在環(huán)境溫度較較低的地理位置準(zhǔn)確識(shí)別生物。若結(jié)合圖像識(shí)別算法進(jìn)行后期處理則可提高識(shí)別準(zhǔn)確度，當(dāng)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(huì)使本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)更完善。

［1］孫喬，楊衛(wèi).海洋等動(dòng)態(tài)下紅外熱釋電傳感器的目標(biāo)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(dǎo)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

［3］VANZEYrm．紅外技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，1972.

［4］劉龍飛.豬舍溫度與豬體表溫度的關(guān)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(cè)距離影響因素的研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2010,29（16）：448-451.

［6］楊波，陳憂先.熱釋電傳感器的原理及應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，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(hào)：201507024

雷閏龍（1994—），男，湖北孝昌人。研究方向：電子信息。