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被动式红外探测器三维探测模型研究
2014/6/17 9:26:00      来源:《中国安防》    作者:张晨
    在入侵报警系统的运行使用过程中,经常发现某些系统在设计上还存在不足之处。随着系统复杂度的增加以及系统建设和验收的要求,有必要对入侵报警系统进行效能评估。对于入侵报警系统而言,入侵报警探测器的探测空间是定量分析评估系统效能的一个关键指标。

  【摘要】在入侵报警系统的运行使用过程中,经常发现某些系统在设计上还存在不足之处。随着系统复杂度的增加以及系统建设和验收的要求,有必要对入侵报警系统进行效能评估。对于入侵报警系统而言,入侵报警探测器的探测空间是定量分析评估系统效能的一个关键指标。本文根据被动式红外探测器的结构、工作机制和探测原理,分析、总结出被动式红外探测器的三维空间探测模型,并通过MultigenParadigmCreator和VegaPrime软件进行仿真,直观展示了探测器的三维探测空间,符合用户的视觉习惯,满足系统效能评估定量化、可视化和可查询分析的要求。
  【关键词】被动式红外探测器菲涅尔透镜探测空间VegaPrime软件三维仿真
  引言
  入侵报警是将先进的科学技术应用于探测非法入侵和防止非法盗窃等犯罪活动的重要技术手段。利用入侵报警技术组成的入侵报警系统是安全防范系统的第一道防线,在安防系统中责任重大、应用最为广泛,它利用高科技手段协助人们担任防入侵、防盗窃等工作,强大的功能使它成为社会治安综合治理向现代化迈进必不可少的措施。
  入侵报警系统的效能就是对入侵报警系统如何有效地防范入侵的一种度量。为了保障入侵报警系统实现防范作用,切实担负起保护社会稳定、人民生命财产安全的重要目的,使入侵报警系统的效能得以充分发挥,真正成为社会治安防控体系的有力技术支撑,准确地建立评估体系并适时地对入侵报警系统进行效能评估是很有必要的。被动式红外探测器是入侵报警系统的重要组成部分,要想很好地对入侵报警系统进行效能评估,就得先对被动式红外探测器三维探测空间进行认真研究。因此,首先要了解被动式红外探测器的结构,然后掌握被动式红外探测器的工作原理,进而研究其探测原理、探测区域及触发方式,并通过三维软件对其所探测的区域进行仿真,达到研究被动式红外探测器三维探测模型的目的。

  一、被动式红外探测器三维空间成像研究
  1.概述
  被动式红外探测器是一个空间控制探测器,当警戒空间内的任意处出现入侵危害时,会立即发出触发信号。自然界中的任何物体都可以看作是一个红外辐射源,例如人体、小动物、房屋、车辆等都无时无刻不产生红外辐射。不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的,温度越高的物体,红外辐射越强。被动式红外探测器就是通过探测对象移动时红外辐射能量的变化而产生触发的设备,在工作时不需要向探测现场发出信号,而依靠对被测物体自身存在的能量进行检测。
  2.被动式红外探测器的组成及基本原理
  被动式红外探测器由光学系统(关键组件)、热释电传感器(关键组件)、放大电路、信号处理电路和输出电路组成,其基本工作原理是光学系统将来自多个方向的红外辐射能量经反射或特殊的透镜透射后全部集中在热释电传感器上,而热释电传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外辐射能量的变化转化为相应的电信号,经适当的处理后送到输出端。被动式红外探测器中有两个关键性的原件:一个是光学系统,另一个是热释电红外传感器。
  (1)光学系统
  目前的被动式红外探测器的光学系统主要是透射式光学系统,是由多面组合在一起的透镜--菲涅尔透镜组成的,称为多波束型被动红外探测器。它利用特殊结构的透镜装置,将来自广阔视角范围的红外辐射经透射、折射、聚焦后汇聚在红外传感器上。这种特殊结构的透镜装置就是菲涅尔透镜,它是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系统的透镜。图1所示即为某种三层结构的多视场菲涅尔透镜组的结构,它利用22个小透镜,将警戒区视场分割成22个小视场(又称敏感区),各个敏感区被盲区隔开,来自各个小视场的红外辐射均会聚到位于透镜凹面下方处的红外传感器上。当移动的人体由盲区移动到敏感区或由敏感区移向盲区时,会使聚在传感器光敏面上的红外辐射能量发生变化,从而输出相应的电信号去驱动状态改变。菲涅尔透镜组的视场分割数目是与探测距离有关的,作用距离远的分割的视场数要多些,作用距离近的,分割的视场数要少些。
       
 
 采用这种多视场的菲涅尔透镜组,对探测人体在防范区内的移动是很有利的。一方面它可以使红外传感器所能监控的红外辐射区域的视野得到扩展,构成一个具有较大视场角的立体扇形感热区。另一方面,利用敏感区与盲区相间的多个小视场,可以使入侵者在红外传感器前面移动时产生较大、较快的红外辐射的变化,从而提高了探测人体移动的灵敏度。让我们对照图2所示的菲涅尔透镜组的局部放大图来分析一下探测原理:
       
 
    由图2可以看出,当人体在防范区内移动时,人体所发出的红外辐射就一次又一次地被盲区所阻断,而只有通过敏感区的红外辐射才能被红外热电元件所接收,这样就产生了连续变化的电信号。而且从图2中可以明显看出,当人体做横穿防范区的移动,即横切透镜组的垂直“缝隙”时(如图2中箭头所示的方向),会产生最大、最快的红外辐射的变化,此时,被动红外探测器的探测灵敏度最高。
  由此可见,菲涅尔透镜组的作用有两个:一是聚焦作用,即将移动对象的红外信号折射在热释电传感器上。二是在前方产生一个交替变化的“盲区”和“敏感区”,这样就使热释传感器接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,增强了能量幅度,从而提高了探测灵敏度。
  (2)热释电红外传感器
  热释电红外传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感器,它是利用晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而改变这种特性的传感器。当红外线照射热释电元件时,其内部极化作用发生很大变化,其变化部分作为电荷释放出,从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。其工作原理如图3所示。
    
    3. 探测区域的成像原理
    被动式红外探测器通过热释电红外传感器和菲涅尔透镜来探测空间中的对象,但被动式红外探测器的探测区域主要取决于复杂的光学系统。光学系统的基本功能是将背景物体的热能辐射汇聚到热释电红外传感器表面,当有入侵者时,可使热释电红外传感器上感知到红外辐射能量发生的变化。分层结构的多组光学菲涅尔透镜组成的透镜聚焦式光学系统使得探测器在形成向下俯瞰的扇形防护区,张开扇形视角的同时,兼顾远、中、近等不同区域的目标探测。 
 因此得出单个菲涅尔透镜最大探测角度只与探测器的最远探测距离L、最宽探测距离以及菲涅尔透镜弧长有关。其中,菲涅尔透镜的弧长即菲涅尔透镜的长和宽,根据菲涅尔透镜的长可求出水平方向的最大探测角度,根据菲涅尔透镜的宽可求出垂直方向的最大探测角度。
  前面提到的菲涅尔透镜组第一排为11个透镜,在不考虑盲区的情况下,第一排水平探测角度为11,第二、三排同理,探测角度分别为6、5。由于不同的菲涅尔透镜组均为整齐排列,所以多层多区间的菲涅尔透镜组的探测角度可根据其分割的单元数乘以单个菲涅尔透镜最大探测角度即可。但理论上的菲涅尔透镜是灵敏区和盲区相间组成的,即盲区(即不透光区)将警戒区视场分割成由各个敏感区(即透光区)形成的数个小视场,因此在计算最大角度时需要将数个盲区的角度加进去,但是由于实际情况下被动式红外探测器中使用菲涅尔透镜的盲区无法判断面积,这里将每个单元盲区的角度设为θ,则得出三排透镜的探测角度分别为11+10θ、6+5θ、5+4θ。结合实际所需要达到的最远、最宽探测距离和水平、垂直方向上的最大探测角度,则可以描绘出被动式红外探测器的三维探测空间。

  二、被动式红外探测器三维仿真设计
  1.概述
  对被动式红外探测器成像技术的仿真是对场景红外辐射分布的一种模拟。根据模拟场景的几何特征,建立合适的数学模型;根据光谱、场景温度分布及材质等特征算出红外场景的热辐射量,建立合理的红外辐射模型;根据所处的气候环境建立大气传输模型,然后对应需要仿真的波段建立相应的被动式红外探测系统的模型,最后仿真得到场景的红外图像。它可以提供不同气候条件下的红外图像,降低成本,提高效率。分析过被动式红外探测器的主要原理后,使用Vega软件可实现三维仿真的目的。
  2.仿真工具的介绍和使用
  我们在进行三维仿真时,以Multigen公司的Creator3.2和VegaPrime1.1为主要工具构建模型数据库,导入VegaPrime运行环境中实现交互,实现了一定程度的视景模拟。Creator用来建立三维模型,Vega是将三维模型渲染成场景,在场景上浏览、查询并进行实例演示。利用Vega库函数,在lynx中可以建立漫游所需要的场景、窗口、通道、运动方式、观察者、碰撞方式等,定义对象的初始化参数以及建立对象之间的相互联系。使用Creator完成三维建模后,就可以导入Vega创建、编辑、运行复杂的仿真应用。
  3.被动式红外探测器的仿真
  仿真红外成像主要包括三个部分:场景仿真、大气模块仿真以及红外探测器仿真。场景仿真主要是对场景的几何特性和红外特性进行仿真,它直接影响红外图像仿真的准确性。利用Vega提供的仿真平台可以快速地定制红外探测器的参数及模式。图5为仿真系统框图。
    
    

 三、被动式红外探测器三维仿真实现
  1.仿真的实现
  按照仿真设计的步骤,将前文中计算得到的被动式红外探测器的探测空间方程和各项参数代入,建立被动式红外探测器三维探测模型的仿真结果全景图,如图7为防护走廊的探测模型图,分为黄、绿、蓝三层。

    

 2.仿真结果分析
  将仿真出来的三维探测模型参数改成某产品说明书上的技术规格后,仿真后与产品说明书上覆盖范围示意图(如图9所示)进行对比,发现探测角度与说明书上角度相同。结果表明,被动式红外探测器三维探测空间的仿真方法是可行的,利用该方法模拟的探测模型满足系统效能评估定量化、可视化的要求。

  四、结束语
  随着科学技术的发展和入侵报警探测器的广泛应用,入侵报警系统的复杂度逐渐增加,同时入侵报警系统的效能评估也日受重视,因此被动式红外探测器三维探测空间模型的研究就成为了当务之急。对被动式红外探测器的探测区域进行研究并实现三维仿真有助于我们从本质上认识入侵报警系统,明确效能评估仿真的目标和意义。如果能计算出菲涅尔透镜最精确的探测区域并在实验室进行真人模拟,试验的效果会更好,能够更精确地为入侵报警系统的效能评估提供参考指标。


  参考文献
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  [2]贾付云,马勉军,孙燕杰.柱面菲涅耳太阳聚光透镜的光学设计和光学效率[J].中国空间科学技术,2002,12(6)
  [3]杨力,阴旭,陈强.大型菲涅耳透镜的设计和制造[J].光学技术:中国科学院光电技术研究所,2001,27(6)
  [4]徐欢,李湘宁,周果.基于Zemax软件的大齿距等厚菲涅尔透镜的设计[J].上海理工大学学报,2007,29(1)


编辑:侯雨婷
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