静态人体探测技术剖析

摘要：本文介绍了静态人体探测技术的基本原理，通过对实测波形的分析和研究为静态人体探测器的选型提供依据，并为新型设计提供参考。

关键词：被动红外探测；热释电传感器；静态人体探测

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

为解决高校教室人员离开后的长明灯问题，某些公司推出了人体感应控制器，并宣称采用的是静态人体探测技术。但实际运行中，却暴露出如下问题：一是和常规动态人体探测技术一样，人体处于较长时间不动时，依然会出现误关灯；另一个是人员离开后，到达设定的延时时间根本无法关灯。为深入探究其原因，笔者通过对静态人体探测原理、产品结构及内部电路的分析，得到了许多有益的结果，希望对选型提供依据，并为新型设计提供参考。

1 斩光型静态人体探测器

最早出现的静态人体探测是借鉴热释电红外温度计的原理而设计的，基本组成如图1所示。

图1红外温度计组成

热释电显影产生的表面电荷出现后，很快就会被空气中的各种离子所结合。因此，若用热释电效应制成的传感器来测量固定的温度，必须在传感器前加机械式的周期遮光装置，以使电荷周期出现。图1中在热释电传感器前加一个调制盘（斩光器），由频率约1Hz的慢速电机带动旋转，对入射的红外辐射进行斩光，将恒定或缓慢的红外辐射变换成交变的辐射，再由热释电传感器将红外辐射变换为电信号输出。根据斯忒藩一波耳兹曼定律，当调制盘装置温度为，被测温体的温度为 时，红外线传感器的输出电压为

（1）

由此式可知，要获得正比于待测物体的绝对温度的电压，应将的信号加到上式中进行补偿。由温敏二极管测量温度补偿电路提供，温度补偿曲线可近似地看成是四次方曲线，这个过程将在加法器A3中完成。由于人体有着基本恒定的体温，与周围物体差别较大，如果能正确地测量出探测区域内的温度，似乎可以判断是否有人体存在了。但借鉴该技术的静态人体探测器却并不能正确判断人体存在，这又是为什么呢？原因是在红外温度计中，要求被测物体占据整个光学系统的视场，不能再有其它的物体存在，否则测量的就是它们的平均温度从而造成误差。而在人体探测中，光学系统的视场很大，如球面透镜，探测范围为半径约2～3m的圆，在如此大的范围内，人体只占据一个很小的部分，绝大多数是周围的物体，它们的温度与人体基本相近，辐射的红外波长与人体也是相同的，测量出来的波形幅度是整个视场范围内所有物体辐射的总和（包括人体）与扇叶之间温差。

输出电压公式为：

（2）

式中，为常数，为人体皮肤的发射率，为人体温度，为室内物体的总发射率，为室内的平均温度，为调制盘发射率，为调制盘温度。即使调制盘的发射率和温度已知，人体和室内物体的发射率固定，输出电压也是一个二元方程，又没有其它辅助条件，因此，该方程是无解的。即波形幅度与是否有人体存在之间不存在一一对应的关系，幅度大很可能是室内其它物体造成的，幅度小也可能是有人存在。因此也就无法设定一个门限来判断是否有人体存在了。

该类静态人体探测器是早期采用的技术，现在已经基本不采用了。

2 相对运动型静态人体探测器

从热释电人体探测的原理我们知道，它对人体的检测是基于人体在菲涅尔透镜前的运动来实现的，如果人体静止不动而让探测器转动，不也可以模拟人体和探测器之间的相对运动吗？这就是相对运动型静态人体探测的最主要思想。

探测器转动主要有菲涅尔透镜旋转、热释电传感器旋转和整个探测器旋转三种形式，都可以实现探测器与被测人员之间的相对运动，在原理上是一致的。这种探测器工作方式与斩光型探测器基本相同，在动态人体探测延时结束前启动慢速电机，带动上述三种部件开始旋转，传感器输出的信号和动态人体检测信号处理过程相同，即通过慢速电机的转动，将静止的人体模拟出运动信号。那我们来分析一下这种方式是否能够实现人体的静态检测。

首先，这种检测方式的前提是室内温度是均匀分布的，而实际上室内温度却往往分布不均，它会通过对流、传导和辐射等热能传播方式而变化。虽这种变化过程十分缓慢，但如果人体探测器转动起来，这些温度分布的不均匀也同样会造成传感器输入的温度变化而产生相应的信号输出。

其次，即使室内温度分布均匀，室内不可能没有其它物品的存在，如门窗、桌椅等，这些物体材质不同，比辐射率也是不同的。因辐射功率P不止与温度T有关，还与比辐射率ε有关。室内物品在静止的传感器上形成一个稳定的深浅和比辐射率成正比的“潜像”，不会引起传感器的温度变化，也就没有信号输出。在探测器旋转时，这些“潜像”会随着旋转，依次出现在传感器上，深浅不同代表不同的温度值，同样会引起传感器的温度变化而产生相应的信号输出。

这些由于室内温度分布不均匀和物品比辐射率不同，在探测器转动时造成的信号输出，成为背景噪声。它在同一个房间不同时刻是不一样的。就是说背景噪声会随着时间而随机变化。另外，不同房间的背景噪声差别是很大的，即背景噪声与房间的门窗及物品摆放是密切相关的。

当有人体存在时，人体信号是叠加在这些背景噪声上的，图2是某房间无人的背景噪声与有人存在时的信号波形图。

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图2同一房间无人与有人波形图

从图中可以看出，两者波形之间的差别很小，背景噪声比人员形成有效信号大得多。无论对信号进行时域分析还是频域分析，都难以将两者有效地区分出来。另外，由于背景噪声比人体信号幅度大的多，而且随时间变化，我们就无法设定一个可靠的门限来判别信号是背景噪声还是人体信号，采用幅度判别法是无论如何不可能正确地识别出人体信号的。

相对运动型的静态人体探测器是目前新出现的一种，被某些厂家过度宣传，在特定环境的演示中，通过事先的门限调整，虽可以短暂地实现静态人体探测功能，但实际运行时就会完全失灵，不是退化成简单地动态人体探测器，就是误将周围环境判别为有人体存在而出现一直不关闭的情况。同时，由于增加了机械动作，还提高了设备的故障率。

3 结论

以上对两类静态人体探测器的原理进行了较为详细的分析。可以看出，这两类探测器并不能正确地检测静态人体，只是某些商家的夸大宣传，这已在不少实际用户处得到了验证。最后，从相对运动型人体探测的波形中，可以看出无人和有人两种波形还是有细微差别的，如果利用先进的数字信号处理技术（DSP）还是有可能实现静态人体识别功能的。望有实力的厂家努力解决这个难题，为市场提供高性能的产品，切实推进高校节能工作的顺利进行。

参考资料

（1）、《安全防范技术与电视监控系统》 殷德军秦兆海电子工业出版社

（2）、《传感器电子学》 张福学国防工业出版社

（3）、《光电子器件》南开大学王君容薛召南等 国防工业出版社

（4）、《用热释电传感器(PIR)制作快速体温计》 刘爱华 山东师范大学学报(自然科学版)2OO4年6月第l9卷第2期

（5）、《高级红外光电工程导论》中科院上海技术物理研究所教育中心

第一作者简介

韩 哲（1976- ），工程师，2005年毕业于山东大学，现主要从事高校节能技术研究和能源管理工作。