光学辐射探测的应用——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射，包括紫外光、红外光以及可见光，可见光波长380～780nm，由于光波是电磁波的一种，因而它具有电磁波的基本特性。

以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散，这种能量传播的过程称为辐射。

辐射度学：是一门测量电磁辐射的科学和技术。

在整个电磁辐射波谱范围内，不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。

光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件（军用光学中最常用的是可见光和红外辐射），它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测，是光探测系统的重要组成部分。

为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算，首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。

从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。

按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器，按工作方式可以分为相干探测和非相干探测，按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器，按其结构可分为单元和多元探测器，下面就部分类型进行介绍：热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。

这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。

由于其中的相当多探测器不需制冷，以及在全部波长上具有平坦响应两大特点，一直有广泛的应用。

而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性，因此，红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。

2红外热成像技术红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用，并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。

除此之外，红外成像技术还应用于各个方面，比如：应用于卫星的侦查、遥感和预警，对国家安全和经济利益有重大的影响；应用于战场系统中，避免电磁干扰，获取战场信息优势，成为获得胜利的主要技术；服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查，现代装备大部分装有红外仪器；应用于导弹的精确制导方面，成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具；广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。

红外热成像技术还应用于国民经济领域。

航天系统中，利用气象卫星等设备进行天气预报，对国民经济有重大影响。

热成像技术不仅能够在灾难发生后进行生命的探测，而且还可以预报地震的发生，利用卫星的红外云图可以发现，地震之前，震区的上空空气的温度会急剧升高，可以判断出这片区域的异常以进行预测。

在工业领域，已应用于输电线、变压器等装置的带电检测和检查炉体的温度分布。

在飞机、轮船、汽车方面的安装，避免了雾天的相撞事故的发生，保证了夜间的行车安全。

随着热成像技术水平的不断提高和科学技术不断发展，必将能应用于更多新领域[2]。

灾后现场环境极为复杂，传统的光学探生仪和声波/振动探生仪极易受到现场浓烟、大火、噪声的影响，以致探测设备受到干扰，不能够很好的完成任务。

红外生命探测仪弥补了这些不足，它不受工作环境照度的影响，不需要附加照明光源，耗电量低、能够连续工作、准确率高，而且能够很好的在黑暗的环境中工作，对于分秒必争的救援工作来说是如虎添翼。

红外生命探测仪通过区别人的辐射特性与周围环境的不同，收集到人体辐射能量，经过光学探测镜头汇聚到红外探测器中，经过信号处理系统转换成可测量的物理信号，然后经成像系统显示出所探测到的图像，由显示器上的图像显示来判别有无生还人员。

通过使用这种仪器，使救援人员对被困生命体的精确位置和周围情况一目了然，可在地震发生后的黑暗环境中探测被埋在废墟中的生命。

美国新蛇眼生命探测仪、德国库玛特可视生命探测仪等都是将红外传感器安装在可弯曲、可延伸的线缆上对救援环境进行采集并转换成视频图像以帮助救援人员进行快速定性检查。

红外生命探测仪与红外热成像技术紧密相连，可以说红外热成像技术决定着红外生命探测仪的先进程度[3][4]。

3红外生命探测仪物体因为自身的温度而向外部发射的能量叫做热辐射，从微观角度来讲，即分子热运动产生的红外辐射。

热辐射的规律是自然界的普遍规律之一，它是研究红外成像生命探测仪的理论和技术基础。

在孤立系统内热辐射的能量可以达到平衡，这是区别热辐射与其他辐射形式的特点。

人体的辐射特性也符合热辐射规律，根据普朗克辐射定律：4w T εσ= （1） 式中ε是人体皮肤的比辐射率（ε≈1）； σ为玻尔兹曼常数；T 为人体温度；w 是人体辐射的总能量。

根据维思位移定律，相应于最大辐射强度的波长与绝对温度成反比，近似地以下式表示：002893T t λ=+ （2） 式中λ是辐射波长(μm)；T 0为0 C 时相应的绝对温度；t 0是人体温度（C ），正常情况下为37 C 。

人体红外辐射能量较集中的中心波长为 9. 4μm ；人体皮肤的红外辐射范围为 3~ 50μm ；其中8~ 14μm 占全部人体辐射能量的46%，这个波段是我们设计人体红外探测仪的一个重要技术参数。

光学系统将接收到的人体红外辐射能量聚焦在红外传感器上，当人体和接收系统发生相对移动时，接收到的能量发生变化，传感器输出一个变化的信号，这个信号经电路放大、滤波、判别等处理后触发报警和指示。

根据地震救灾的需要，对地震后被埋幸存者采用被动红外探测的方案，其设计方框图如图1所示。

图1 红外生命探测仪的工作流程图对红外探测仪器的性能估算，采用噪声等效温差方程式作为设计的依据： 452 1.4410/228*1()()()1.3510T t T e f f NETD T AD D D λλελλη⨯-∆=∆=⨯∆ （3） 式中t λ为传输路径透过率，AD 为探测器面积，f 为光学系统焦距，f ∆为放大器带宽，η为由于遮档或滤光作用引起的实际几何面积差，λ为辐射源波长，λ∆为辐射源的带宽，ε为辐射体的发射率，D 为光学系统通光孔径，T 为辐射源温度。

从上述的一般系统性能方程式( 3) 可以看出，为了使仪器获得很高的灵敏度和很小的NETD ，就需要：( 1) 利用长波红外探测。

这里探测的是人体辐射的中心波长λ= 9. 4μm ，已确定。

( 2) 尽量减少传输路线上的损失，即t λ要大。

( 3) 利用尽可能宽的光谱带，以提高光学效率。

根据人体皮肤红外辐射范围，8~ 14μm 的光谱集中了全部辐射能量的46%，因此选取λ∆= 8~ 14μm 这段光谱最为合适。

( 4) 辐射体的发射率要大。

由于辐射体是人，人体皮肤的发射率(比辐率) 不论肤色如何，都接近于1，在温度36 C 时为0. 98，也已确定, 所以取ε= 1。

( 5) 减少光路上遮档面积，提高透过率，即η要小。

( 6) 尽量窄的电路带宽，f 要小。

( 7) 采用高探测效率( D *) 的探测器，探测器面积尽量大，并与辐射体聚焦的像相匹配。

( 8) 光学系统相对孔径要大。

在设计时，重点是探测器的选择、光学系统及电子线路的设计。

3.1 传感器选择传感器是红外探测系统的眼睛，根据地震救灾现场使用条件，应采用常温工作的红外传感器。

因其探测目标是人体，需选取常温长波红外探测器，它具有较高灵敏度。

选用SD02 -CH -1 型双元PZT 热释电红外传感器可以在很宽的光谱范围内得到响应，其灵敏度达10- 10W 入射通量，敏感波长8~ 14μm，适合红外生命探测。

这种双元PZT 热释电传感器有两个敏感元件，相互反极性串联连结，任何相继穿越两个敏感元件的入射能量皆使接收器产生正、负两个信号，而这两个输出信号的峰) 峰值电压在很宽的范围内变化，由于两块晶体的极性相反，故产生的电压相互抵消，使任何同时入射在两元件上的能量不会产生输出信号，所以双元件接收器能避免虚报，具有很强的抗干扰能力。

3.2 光学系统参数设计在红外系统中，光学系统的功能是尽可能多地收集辐射能量而又使噪声最小。

HSY - 1型红外生命探测仪对光学系统的要求如下：探测距离最远15 m；探测面积1700 mm×500mm(以人体为目标)，接收敏感面尺寸为2×1( mm) 。

根据这些要求可选定下列参数：( 1) 光学系统视场2 W = 1. 9( 2) 光学系统焦距f：为了使探测目标(人体)的聚焦像与传感器敏感面尺寸相匹配，以便获取最大的接收能量，选定f = 30 mm( 3) 光学系统通光孔径D：由于光学系统安装在红外传感器的前面，要求能深入到地下，因此光学系统透镜的直径不能太大，这里选取 D = 30 mm。

( 4) 透镜结构形式的选择：由于上面已确定了光学系统的焦距f = 30 mm，孔径D = 30mm，相对孔径D / f = 1，采用一般的透镜结构，必然会复杂化。

在这里采用多元列阵结构的菲涅尔透镜，在保证同样大的总孔径和焦距的情况下，使每个小透镜简化为平凸透镜，而使探测的视场带数大大增加，同时也使探测视场扩大到55 ，这对于人体的探测是很有利的。

( 5) 透镜材料的选择：HSY -1 型红外生命探测仪的工作波长是8~ 14μm，为长波红外段，一般光学玻璃是无法透过的，需要采用价格昂贵的晶体。

由于采用了菲涅尔透镜的结构，使透镜简单化，故采用模压红外塑料透镜,使透镜重量及造价得以降低。

3.3 电子线路设计由于红外传感器产生的原始信号是微弱的，必须经过放大和处理，才能推动报警装置。

一个健康人的能量辐射约为10~ 100 W，其能量密度与距离的平方成反比。

要求探测距离15 m，则射入到受光面积很小的接收器上，能量也就非常微弱了。

要很好地探测人体辐射的红外线,除采用“光学增益”外，必须将传感器输出的信号放大。

在HSY- 1 型红外生命探测仪中，在通光孔径为30 mm 的情况下，一般采用的放大倍数约60~ 80 dB。

这里选取放大倍数为80 dB。

PZT 热释电红外传感器输出的电信号是接近直流的低频信号，同时在地震救灾中探测被埋在废虚中的幸存者时，探头移动是缓慢而平稳的，为了提高信噪比,要求电路带宽为0. 1~10 Hz。

红外传感器( PZT) 产生的信号由前置放大器源极输出到第一级运算放大器的同相端，这是一个有源低通滤波低噪声放大器，放大倍数为40 dB。

第二级为有源带通滤波放大器，其放大倍数为42 dB，总的带宽为0. 1~ 10 Hz。

放大后的信号送入窗口比较器判别后，再送入驱动器，开启声、光报警和指示器，指示发现被埋目标[5][6]。

4 总结本文主要介绍了光学辐射探测、红外热成像技术以及其应用——红外生命探测仪，其中主要介绍了红外生命探测仪的原理、工作流程以及生命探测仪设计的基本要求。

参考文献：[1] Kun-Mu Chen，Devenora Misra，Huei Wang. An X-Banc Microwave Life-Detection System[J].IEEE Transactions On Biomedical Eegineering，1986，33(7):697-701. [2] Jeongwoo Han，Cam Nguyen.Development of a Tunable Multiband UWB Radar Sensor and Its Applications to Subsurface Sensing[J].IEEE Sensors Journal，2007，7(1):51-58.[3] 姚振静，高韬.震后生命探测技术研究综述[J].传感器与微系统，2011，30(12)：8-10.[4] 孙黎明.基于红外成像的生命探测仪设计与研究[D].燕山大学精密仪器及机械专业硕士学位论文，2012.[5] 刘良刚，詹碧燕，俞飞鹏.红外生命探测仪的研制及试验[J].地壳形变与地震，1999，19(3):82-86.[6] 王瑞凤，杨宪江，吴伟东.发展中的红外热成像技术[J].红外与激光工程，2008,37:699-702.。