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图3.3。
图3.3 热释电红外传感器等效电路
第一级JFET输出信号的信噪比由热释电红外传感器决定。同时，为了使热释电红外传感器只对红外光谱中的某段红外辐射敏感，必须在热释电体前设置滤光片。这样可以避免太阳光的辐射和其他的红外辐射的干扰，从而减少虚报。
热释电红外传感器的工作特性取决于热和电性能，其温度变化(ΔT)与入射红外辐射的关系为
ad?T
0dt?a1?T?aW?t?（3.1）
式中：a0?CsV为传感器的热容量。其中Cs为传感器的比热，V为传感器的体积；a1??Fd，其中?和Fd分别表示单位热释电体的表面辐射，对流的热损耗引起的热阻和热释电体的表面积；?为热释电体对辐射的吸收系数；w(t)为入侵辐射功率。将△T作为S?i?的函数对式(3.1)两边进行Laplace变换后得出
?T?s??aW?s?a
0S?a1（3.2）
热释电材料产生的电流i?S??SQ?S?，电荷Q?S?是热释电系数P、温度变化?T?S?和热释电表面积Fd三者的乘积，于是得出
i?S??aW?S??FdS
a??a?0
?S?1a?0?（3.3）
将式(3.2)中a0，a1用Cs，Fd代入，d代表热释电材料的厚度；
?T?a0/a1?Csd/?，代表热时间常数，则得出
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i?s??a??TSW?S?C
sd???TS?1?（3.4）
由式(3.3 )可知，热释电体可作为一个电流源，JFET组成的抗阻变换器作为其负载。阻抗变换器采用图3.3所示的形式时，电路增益较小，JFET的低频跨导gm约为0.8。热释电传感器的噪声模型[11]如图3.4所示。
JFET可看作无噪声场效应管。图3.4中Ip为热释电体产生的信号电流；
Ipn??4KT?f/Rp?12为电阻Rp产生的热噪声；In，En分别为JFET产生的等
效输入噪声电流和噪声电压值；?f为热释电红外传感器的信号－3dB带宽，则热释电红外传感器的宽度输出噪声电压用均方根值表示为
1
Un0?0.8?f1?df??I2?2??fpn?I2n?Z2p?E2n??0?f?
（3.5）
其中，
ZR2pp?
1?2j?fR(3.4 )并化简得
pC将Zp，Ipn表达式代入式p
1 ?U?R222n0?0.8??1KT?pIn?n
?2?C?4?arctan?2?R?pCp??Ef???p???f??f???（3.6）
图3.4 热释电红外传感器噪声模型
利用式(3.5)进行计算机仿真，得到等效输出电压与频率的关系曲线如图3.5所示。
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图3.5 热释电红外电压和频率的关系曲线
由于热释电红外传感器主要对人体目标移动做出响应，根据人行走的频率计算结果，电流的频率响应最好在0.1～10Hz之间，这样既可截止过低频率的信号，也可截止较高频率的信号。因为小于0.1 Hz的信号易受外界环境温度变化和元件参数改变的影响，大于10Hz的信号从图3.5可以看出，噪声电压随着频率的增大而迅速增大，加之当信号频率接近50Hz电源频率时，易受50Hz电磁干扰，因此在电路设计中应根据输出噪声电压变化及信号频带要求，采用有源带通滤波器消除干扰，提高整个系统的可靠性[12]。
通过实验分析阻抗变换器JFET与其负载电阻、动态电阻的关系，可知JFET工作电压低于6V且漏电流在0.1～10μA范围内时传感器的性能最好，此时JFET的噪声系数在低电流时较佳。分析图3.5所示噪声电压与频率的关系可知，工作带宽外任何频率信号都会给系统带来附加噪声，特别是随着频率的升高，传感器噪声性能变坏，为此在选用前置放大器时，应该首先选用JFET或BIFET(bipolar field effect transistor)运算放大器。
表3-1列出了P228型热释电传感器主要参数。
表3.1 P228型热释电传感器主要参数
型号 P228 噪声系数 /mV 80 敏感度 /(V/W) 6500 噪声等效功率 /(W/Hz) 1×10-9 1/2工作电压 /v 3～15 探测功率 /(cmHz1/2/W) 1.5×108 3.2 微波多普勒探测系统性能的检测
1.系统干扰的来源及进入仪器的途径
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(1)脉冲干扰
在实际工作环境中干扰源是广泛存在的，脉冲干扰就是其中的一种。这种干扰也是微波多普勒接收系统经常遇到的一种干扰形式。它主要特点是幅度高，持续时间短，而且时间间隔是随机的，干扰脉冲幅度通常在毫伏范围，有时比一般有效信号大的多。干扰脉冲持续时间很少超过25～50μs。因此，由于脉冲干扰的存在，造成报警系统受此干扰产生误报。经分析干扰脉冲主要来源是由于各种电器设备启动时因电流或电压的急剧变化所形成电磁辐射祸合所造成的干扰。
(2)电源干扰
电源干扰，这是一个重要的干扰途径，主要是由电路方面所引起的干扰，当交流电网的负载突变时(如电机的启动和制动)在负载突变处交流电源线与地之间将产生高频电压，该电压引起的高频电流将通过直流稳压电源，放大电路与地之间的分布电容，经过地线返回负载突变处组成回路。这样就构成对系统的高频干扰，而且这个高频电流不仅沿导线流动，凡有电容的地方都是良好的通道。因而，该高频干扰对高灵敏度报警设备来说影响较大，因此必须采取措施加以抑制。同时工厂电网一般都有很多干扰信号叠加在它上面。种种强电设备，例如：行车频繁起停使电网电压产生强烈波动，空间电磁波进入电网。若仪器接在这样的电网上，这些不同频率干扰信号就会随电源进入仪器。例如，直流电源中往往混有50Hz及其谐波成分。
另外，当仪器中几个电路共用一电源时，由于电源内阻及线路电阻影响，仪器中不同支路电流的任何变化均会影响到电路中的电源电压。 (3)电路干扰
电路干扰来自于两个方面，一方面来自电源，而另一方面来自接地回路。所以，接地电位差是一个主要噪声干扰源，它是一种由于接地点地线安排不合理所造成的干扰。在理想情况下，一个系统所有接地点与大地之间应具有零阻抗，实际上这是不可能的。由于系统与大地之间总有一定的阻抗而会造成严重的干扰。这样均会给仪器带来很大的影响。 2.干扰噪声的抑制方法 (1)脉冲干扰的抑制
上面分析了干扰信号的来源及进入仪器的途径，针对这些问题，在电路设计中，可以加入如下措施:由于脉冲干扰的存在，就不可避免地给接收电路中信号处理带来很多困难。为了解决上述问题，最大限度地抑制噪声干扰对提取信号的影响，可以在前置放大电路前端，接入一个如图3.6所示的有源窄带滤波器，滤除频带以外部分噪声。
有源窄带滤波器实质上是由运算放大器组成的调谐放大器，主要采用LC
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并联谐振回路作运算放大器反馈阻抗。其LC选频网络的特点是，它的输出幅度不仅随着输入信号频率不同而改变，并且具有一个最大值，所以具有良好的选频特性。即放大器对设定频率信号具有较高的放大倍数，而对于其他频率干扰或噪声则有较强的抑制能力，从而实现了有源窄带滤波的作用。本电路信号增益由Rf/R1的比值决定，最大增益频率由下式决定：
f0?12?LC
图3.6 有源窄带滤波器
在谐振频率上，回路阻抗最大，增益最高，在其他频率上回路阻抗减小，增益降低，从而实现了有源窄带滤波的目的。
其信号电压增益
K?v?V0/Vi?Rf/R1 （3.7）
式中：R?f?Rf/Roe
R2oe?QoRo(并联谐振回路阻抗)
Q?oLio?R(电感线圈空载品质因素)
o R0为电感线圈直流电阻。
本电路主要由运算放大器组成，电路简单，调试方便。本电路另一个特点是，当改变L或C时，可改变滤波器中心频率，改变Rf可以改变最大增益频率。由实验的数据，有源窄带滤波器的输出频率特性如图3.7所示。从图中可以看出，最大增益频率f0=31kHz时，信号电压增益的理论计算值与实测数据基本一致。
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