專利名稱：大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大視場凝視型紅外成像光學(xué)系統(tǒng)，用于森林防火預(yù)警。
背景技術(shù)：
我國森林資源覆蓋面積大，現(xiàn)今主要防火方法以瞭望塔、地面巡護(hù)、和衛(wèi)星探測為主，東北、西南林區(qū)還進(jìn)行航空監(jiān)測。每年都需要投入大量的人力物力進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)。近幾年還出現(xiàn)了利用可見光攝像頭進(jìn)行圖像識別監(jiān)測的方法，但是光線環(huán)境復(fù)雜多變變干擾因素較多，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。自然界中絕對零度以上的物體都會不停地向外輻射紅外線，不同溫度的黑體也有不同的輻射譜線分布。木材燃燒火焰的輻射波長在3-5 μ m，自然景物的紅外輻射波段在 8-14 μ m，紅外成像系統(tǒng)可以利用火焰與背景間的紅外輻射差異獲取著火點(diǎn)目標(biāo)圖像。可以在黑夜或濃厚的煙幕、云霧中遠(yuǎn)距離觀測目標(biāo)，迅速找到火點(diǎn)?？垢蓴_能力強(qiáng)，不受天氣和光照條件的限制。由于紅外光學(xué)材料選擇較少與大視場光學(xué)系統(tǒng)的光闌像差等諸多設(shè)計問題，使大視場紅外成像系統(tǒng)發(fā)展緩慢。隨著光學(xué)設(shè)計軟件的不斷完善，和光闌像差理論的提出，大視場光線追跡得以解決。衍射結(jié)構(gòu)制造加工技術(shù)不斷發(fā)展，使二元光學(xué)技術(shù)越來越多的應(yīng)用于實(shí)際紅外光學(xué)系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)控，軍事偵測等領(lǐng)域。近年來大面陣紅外制冷焦平面陣列的發(fā)展也促使大視場凝視型紅外成像系統(tǒng)成為可能。目前用于森林防火等領(lǐng)域的紅外光學(xué)系統(tǒng)一般只能監(jiān)測30度以下的小范圍區(qū)域，光學(xué)系統(tǒng)僅能獲取圖像；需要依靠機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)搜索；對著火點(diǎn)的的位置無法精確定位；穩(wěn)定性和精度都要受到機(jī)械結(jié)構(gòu)限制。而通常情況下林區(qū)的監(jiān)控范圍較大，每個監(jiān)測點(diǎn)需負(fù)責(zé)360度全方位視覺覆蓋，若使用常規(guī)系統(tǒng)監(jiān)測覆蓋范圍有限需要多套系統(tǒng)協(xié)同工作。隨著光學(xué)設(shè)計軟件的不斷完善和進(jìn)步，光學(xué)設(shè)計思想可以更好地通過軟件實(shí)現(xiàn)， 我們可以通過軟件實(shí)現(xiàn)上萬條光線追跡與鏡片面型優(yōu)化。光學(xué)系統(tǒng)的主光線像差表現(xiàn)為圖像畸變，并且和視場的三次方成正比，視場越大畸變越大。對于大視場光學(xué)系統(tǒng)的畸變，一直是光學(xué)設(shè)計中很難克服的問題。衍射元件是基于光波的衍射理論，利用計算機(jī)輔助設(shè)計，在傳統(tǒng)光學(xué)元件表面刻蝕多個臺階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類光學(xué)元件。 它不僅可以增加光學(xué)設(shè)計的自由度，而且在改善系統(tǒng)像質(zhì)，減小體積和降低成本等多方面都表現(xiàn)出傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種采用凝視型結(jié)構(gòu)，可對周邊水平方向360度區(qū)域、豎直平面內(nèi)下方180度區(qū)域目標(biāo)實(shí)時成像，并且實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)定位，穩(wěn)定性較強(qiáng)的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)包括紅外成像光學(xué)鏡頭和紅外制冷探測器；光線經(jīng)由紅外成像光學(xué)鏡頭成像于紅外制冷探測器的焦平面陣列上；所述紅外成像光學(xué)鏡頭采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，且紅外成像光學(xué)鏡頭成像像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y' = ·θ物像關(guān)系；其中y'為物體在紅外制冷探測器焦平面陣列上所成的像的像高，f為紅外成像光學(xué)鏡頭的焦距，θ為視場角。本發(fā)明為同軸旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，紅外成像光學(xué)鏡頭成像像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y' =fe物像關(guān)系，光線進(jìn)入紅外成像光學(xué)鏡頭最終成像于紅外制冷探測器的焦平面陣列(焦平面陣列)上，由焦平面陣列上像點(diǎn)位置即可獲得目標(biāo)方位信息，實(shí)現(xiàn)物像對應(yīng)的定位功能。紅外成像光學(xué)鏡頭采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，使包含了紅外成像光學(xué)鏡頭和紅外制冷探測器的光學(xué)系統(tǒng)的后主面向后移出最后一片物鏡(即距離紅外制冷探測器最近的透鏡)，這樣后工作距離即可大于系統(tǒng)焦距，以便放置紅外制冷探測器。本發(fā)明采用凝視成像，沒有機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性；擁有超大視場，達(dá)到180度，可以實(shí)現(xiàn)周邊全區(qū)域?qū)崟r成像，不存在盲區(qū)，能夠有效防止漏警情況的發(fā)生，還可以同時發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測多個著火點(diǎn)ο所述紅外成像光學(xué)鏡頭采用一個彎月負(fù)透鏡作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的前組。所述紅外成像光學(xué)鏡頭采用第一、第二正透鏡作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的后組。光線經(jīng)由紅外成像光學(xué)鏡頭的前組發(fā)散后進(jìn)入后組，被后組成像在紅外制冷探測器的焦平面陣列上。本發(fā)明采用彎月負(fù)透鏡作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的前組，軸外光線經(jīng)過彎月負(fù)透鏡后產(chǎn)生較大偏折，和光軸的夾角顯著減小，可以提高軸外點(diǎn)照度，同時避免光線在透鏡的第二表面發(fā)生全發(fā)射。同時，彎月負(fù)透鏡引入大量的光闌像差有效解決了大視場成像系統(tǒng)像面照度均勻性問題。本發(fā)明還可以包括一個冷光闌；冷光闌位于紅外成像光學(xué)鏡頭與紅外制冷探測器之間，用于阻擋成像區(qū)域外的雜散熱輻射。本發(fā)明由紅外成像光學(xué)鏡頭與紅外制冷探測器組成。紅外制冷探測的工作波段 3 5 μ m，光學(xué)系統(tǒng)工作波段3 5 μ m。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖la、Ib是本發(fā)明的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)安裝位置示意圖。圖2是本發(fā)明物像關(guān)系示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2、3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的F- θ校準(zhǔn)畸變曲線圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的F- θ校準(zhǔn)畸變曲線圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例3的系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例3的相對照度曲線圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例3的能量集中度曲線圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施例3的RMS直徑點(diǎn)列圖。
具體實(shí)施例方式如圖Ia所示，本發(fā)明的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)6可以安置在瞭望塔7下方，紅外成像光學(xué)鏡頭8對準(zhǔn)方向豎直向下?？蓪χ苓?60度，下半球區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測。如圖Ib所示，本發(fā)明的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)包括紅外成像光學(xué)鏡頭8、冷光闌4和紅外制冷探測器5 ；所述紅外成像光學(xué)鏡頭8采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，用一個彎月負(fù)透鏡1作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的前組，第一、第二正透鏡2、3作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的后組。光線經(jīng)由前組發(fā)散后進(jìn)入后組，被后組成像在紅外制冷探測器5的焦平面陣列上。冷光闌4 位于第二正透鏡3與紅外制冷探測器5之間，用于阻擋成像區(qū)域外的雜散熱輻射。紅外成像光學(xué)鏡頭8的彎月形負(fù)透鏡1彎向光闌，軸外光線經(jīng)過此透鏡后產(chǎn)生較大偏折，和光軸的夾角顯著減小?？梢蕴岣咻S外點(diǎn)照度，同時避免光線在透鏡的第二表面發(fā)生全發(fā)射。此透鏡引入大量的光闌像差有效解決了大視場成像系統(tǒng)像面照度均勻性問題。如圖2所示，視場角為θ方向的光線，經(jīng)紅外成像光學(xué)鏡頭8成像于紅外制冷探測器焦平面陣列51上的y'點(diǎn)。在紅外成像光學(xué)鏡頭8的焦距f 一定的情況下，像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y' =f θ物像關(guān)系，物像點(diǎn)一一對應(yīng)，并且相同視場角的光線在焦平面陣列51上所成的像距焦平面陣列中心的徑向距離相等。實(shí)施例1如圖3所示，紅外成像光學(xué)鏡頭8包括彎月負(fù)透鏡1，第一、第二正透鏡2、3，冷光闌4和紅外制冷探測器5。彎月負(fù)透鏡1的前表面11，第一正透鏡的前表面21、后表面22， 及第二正透鏡的前表面31、后表面32均為球面；彎月負(fù)透鏡1的后表面12為偶次非球面， 并在偶次非球面上加入衍射結(jié)構(gòu)。像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y' =f0物像關(guān)系，物像點(diǎn)一一對應(yīng)，并且相同視場角的光線在焦平面陣列51上所成的像距焦平面陣列中心的徑向距離相等。其中y'為物體在紅外制冷探測器焦平面陣列上所成的像的像高，f為紅外成像光學(xué)鏡頭的焦距，θ為視場角。所述偶次非球面方程為
CR2Z =-.+ Q1R2 + a2RA + Q3R6 + a4R& + a5R10 (丄)
1 + ^1-(1 + k)c2R2式⑴中，ζ為矢高，c為頂點(diǎn)處曲率，k為圓錐曲線常數(shù)，R為垂直光軸方向的徑向距離，B1 = 0，a2、a3、a4、a5為偶次非球面高次項(xiàng)系數(shù)；所述衍射結(jié)構(gòu)的相位分布函數(shù)為
φ{(diào)τ) = A1F2 + A2F4 + A3r6 (2)式(2)中，r為歸一化半徑，A1, A2, A3為衍射結(jié)構(gòu)的位相系數(shù)。實(shí)施例2如圖4所示，紅外成像光學(xué)鏡頭8包括彎月負(fù)透鏡1，第一、第二正透鏡2、3，冷光闌4和紅外制冷探測器5。彎月負(fù)透鏡1的前表面11、第一正透鏡的后表面22和第二正透鏡的前表面31為球面；彎月負(fù)透鏡1的后表面12、第一正透鏡的前表面21和第二正透鏡的后表面32為偶次非球面。光線經(jīng)彎月負(fù)透鏡1、第一正透鏡2、第二正透鏡3，最終成像于紅外制冷探測器的焦平面陣列51，成像像點(diǎn)位置與物空間方位信息符合y' = fe物像關(guān)系，其中y'為物體在紅外制冷探測器焦平面陣列上所成的像的像高，f為紅外成像光學(xué)鏡頭的焦距，θ為視場角。所以我們可以通過圖像處理分析的方法(利用y'、f計算Θ)，對著火點(diǎn)的圖像信號位置進(jìn)行準(zhǔn)確的空間定位。第一正透鏡后表面12、第二正透鏡前表面21、第三正透鏡后表面32選用旋轉(zhuǎn)對稱的偶次非球面(even asphere)，描述方程為
權(quán)利要求
1.一種大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于包括紅外成像光學(xué)鏡頭 ⑶和紅外制冷探測器(5)；光線經(jīng)由紅外成像光學(xué)鏡頭⑶成像于紅外制冷探測器(5)的焦平面陣列上；所述紅外成像光學(xué)鏡頭(8)采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，且紅外成像光學(xué)鏡頭(8)成像像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y'物像關(guān)系；其中y'為物體在紅外制冷探測器(5)焦平面陣列上所成的像的像高，f為紅外成像光學(xué)鏡頭(8)的焦距，θ為視場角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述紅外成像光學(xué)鏡頭(8)采用一個彎月負(fù)透鏡(1)作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的前組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述紅外成像光學(xué)鏡頭(8)采用第一、第二正透鏡(2、3)作為反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的后組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于還包括一個冷光闌⑷；冷光闌⑷位于紅外成像光學(xué)鏡頭⑶與紅外制冷探測器(5)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述彎月負(fù)透鏡(1)的前表面(11)，第一正透鏡的前表面(21)、后表面(22)，及第二正透鏡的前表面(31)、后表面(32)均為球面；彎月負(fù)透鏡(1)的后表面(12)為偶次非球面，并在偶次非球面上加入衍射結(jié)構(gòu)；所述偶次非球面方程為
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述彎月負(fù)透鏡(1)的前表面(11)、第一正透鏡的后表面0 和第二正透鏡的前表面(31)為球面；彎月負(fù)透鏡(1)的后表面(12)、第一正透鏡的前表面和第二正透鏡的后表面 (32)為偶次非球面；所述偶次非球面方程為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述彎月負(fù)透鏡(1)的前表面(11)、第一正透鏡的后表面0 和第二正透鏡的前表面(31)為球面；彎月負(fù)透鏡(1)的后表面(12)、第一正透鏡的前表面和第二正透鏡的后表面 (32)為偶次非球面，并且彎月負(fù)透鏡(1)的后表面(12)加入衍射結(jié)構(gòu)；所述偶次非球面方程為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大視場凝視型紅外成像森林防火預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紅外成像光學(xué)鏡頭和紅外制冷探測器；光線經(jīng)由紅外成像光學(xué)鏡頭成像于紅外制冷探測器的焦平面陣列上；所述紅外成像光學(xué)鏡頭采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，且紅外成像光學(xué)鏡頭成像像點(diǎn)的位置與物體空間方位信息符合y′＝fθ物像關(guān)系；其中y′為物體在紅外制冷探測器焦平面陣列上所成的像的像高，f為紅外成像光學(xué)鏡頭的焦距，θ為視場角。本發(fā)明采用凝視成像，沒有機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性；擁有超大視場，達(dá)到180度，可以實(shí)現(xiàn)周邊全區(qū)域?qū)崟r成像，不存在盲區(qū)，能夠有效防止漏警情況的發(fā)生，還可以同時發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測多個著火點(diǎn)。
文檔編號G08B17/12GK102509416SQ201110352620
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉殿雙, 劉 英, 姜洋, 孫強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所