专利名称：大视场凝视型红外成像森林防火预警系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种大视场凝视型红外成像光学系统，用于森林防火预警。
背景技术：
我国森林资源覆盖面积大，现今主要防火方法以瞭望塔、地面巡护、和卫星探测为主，东北、西南林区还进行航空监测。每年都需要投入大量的人力物力进行火灾防护。近几年还出现了利用可见光摄像头进行图像识别监测的方法，但是光线环境复杂多变变干扰因素较多，实际应用效果并不理想。自然界中绝对零度以上的物体都会不停地向外辐射红外线，不同温度的黑体也有不同的辐射谱线分布。木材燃烧火焰的辐射波长在3-5 μ m，自然景物的红外辐射波段在 8-14 μ m，红外成像系统可以利用火焰与背景间的红外辐射差异获取着火点目标图像。可以在黑夜或浓厚的烟幕、云雾中远距离观测目标，迅速找到火点。抗干扰能力强，不受天气和光照条件的限制。由于红外光学材料选择较少与大视场光学系统的光阑像差等诸多设计问题，使大视场红外成像系统发展缓慢。随着光学设计软件的不断完善，和光阑像差理论的提出，大视场光线追迹得以解决。衍射结构制造加工技术不断发展，使二元光学技术越来越多的应用于实际红外光学系统中，广泛应用于安全监控，军事侦测等领域。近年来大面阵红外制冷焦平面阵列的发展也促使大视场凝视型红外成像系统成为可能。目前用于森林防火等领域的红外光学系统一般只能监测30度以下的小范围区域，光学系统仅能获取图像；需要依靠机械扫描机构实现搜索；对着火点的的位置无法精确定位；稳定性和精度都要受到机械结构限制。而通常情况下林区的监控范围较大，每个监测点需负责360度全方位视觉覆盖，若使用常规系统监测覆盖范围有限需要多套系统协同工作。随着光学设计软件的不断完善和进步，光学设计思想可以更好地通过软件实现， 我们可以通过软件实现上万条光线追迹与镜片面型优化。光学系统的主光线像差表现为图像畸变，并且和视场的三次方成正比，视场越大畸变越大。对于大视场光学系统的畸变，一直是光学设计中很难克服的问题。衍射元件是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，在传统光学元件表面刻蚀多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类光学元件。 它不仅可以增加光学设计的自由度，而且在改善系统像质，减小体积和降低成本等多方面都表现出传统光学系统无法比拟的优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用凝视型结构，可对周边水平方向360度区域、竖直平面内下方180度区域目标实时成像，并且实现火点定位，稳定性较强的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统。
为了解决上述技术问题，本发明的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统包括红外成像光学镜头和红外制冷探测器；光线经由红外成像光学镜头成像于红外制冷探测器的焦平面阵列上；所述红外成像光学镜头采用反远距结构，且红外成像光学镜头成像像点的位置与物体空间方位信息符合y' = ·θ物像关系；其中y'为物体在红外制冷探测器焦平面阵列上所成的像的像高，f为红外成像光学镜头的焦距，θ为视场角。本发明为同轴旋转对称结构，红外成像光学镜头成像像点的位置与物体空间方位信息符合y' =fe物像关系，光线进入红外成像光学镜头最终成像于红外制冷探测器的焦平面阵列(焦平面阵列)上，由焦平面阵列上像点位置即可获得目标方位信息，实现物像对应的定位功能。红外成像光学镜头采用反远距结构，使包含了红外成像光学镜头和红外制冷探测器的光学系统的后主面向后移出最后一片物镜(即距离红外制冷探测器最近的透镜)，这样后工作距离即可大于系统焦距，以便放置红外制冷探测器。本发明采用凝视成像，没有机械扫描结构，增强了系统稳定性；拥有超大视场，达到180度，可以实现周边全区域实时成像，不存在盲区，能够有效防止漏警情况的发生，还可以同时发现并监测多个着火点ο所述红外成像光学镜头采用一个弯月负透镜作为反远距结构的前组。所述红外成像光学镜头采用第一、第二正透镜作为反远距结构的后组。光线经由红外成像光学镜头的前组发散后进入后组，被后组成像在红外制冷探测器的焦平面阵列上。本发明采用弯月负透镜作为反远距结构的前组，轴外光线经过弯月负透镜后产生较大偏折，和光轴的夹角显著减小，可以提高轴外点照度，同时避免光线在透镜的第二表面发生全发射。同时，弯月负透镜引入大量的光阑像差有效解决了大视场成像系统像面照度均勻性问题。本发明还可以包括一个冷光阑；冷光阑位于红外成像光学镜头与红外制冷探测器之间，用于阻挡成像区域外的杂散热辐射。本发明由红外成像光学镜头与红外制冷探测器组成。红外制冷探测的工作波段 3 5 μ m，光学系统工作波段3 5 μ m。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图la、Ib是本发明的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统安装位置示意图。图2是本发明物像关系示意图。图3是本发明实施例1结构示意图。图4是本发明实施例2、3的结构示意图。图5是本发明实施例2的F- θ校准畸变曲线图。图6是本发明实施例3的F- θ校准畸变曲线图。图7是本发明实施例3的系统光学传递函数曲线图。图8是本发明实施例3的相对照度曲线图。图9是本发明实施例3的能量集中度曲线图。图10是本发明实施例3的RMS直径点列图。
具体实施例方式如图Ia所示，本发明的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统6可以安置在瞭望塔7下方，红外成像光学镜头8对准方向竖直向下。可对周边360度，下半球区域实时监测。如图Ib所示，本发明的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统包括红外成像光学镜头8、冷光阑4和红外制冷探测器5 ；所述红外成像光学镜头8采用反远距结构，用一个弯月负透镜1作为反远距结构的前组，第一、第二正透镜2、3作为反远距结构的后组。光线经由前组发散后进入后组，被后组成像在红外制冷探测器5的焦平面阵列上。冷光阑4 位于第二正透镜3与红外制冷探测器5之间，用于阻挡成像区域外的杂散热辐射。红外成像光学镜头8的弯月形负透镜1弯向光阑，轴外光线经过此透镜后产生较大偏折，和光轴的夹角显著减小。可以提高轴外点照度，同时避免光线在透镜的第二表面发生全发射。此透镜引入大量的光阑像差有效解决了大视场成像系统像面照度均勻性问题。如图2所示，视场角为θ方向的光线，经红外成像光学镜头8成像于红外制冷探测器焦平面阵列51上的y'点。在红外成像光学镜头8的焦距f 一定的情况下，像点的位置与物体空间方位信息符合y' =f θ物像关系，物像点一一对应，并且相同视场角的光线在焦平面阵列51上所成的像距焦平面阵列中心的径向距离相等。实施例1如图3所示，红外成像光学镜头8包括弯月负透镜1，第一、第二正透镜2、3，冷光阑4和红外制冷探测器5。弯月负透镜1的前表面11，第一正透镜的前表面21、后表面22， 及第二正透镜的前表面31、后表面32均为球面；弯月负透镜1的后表面12为偶次非球面， 并在偶次非球面上加入衍射结构。像点的位置与物体空间方位信息符合y' =f0物像关系，物像点一一对应，并且相同视场角的光线在焦平面阵列51上所成的像距焦平面阵列中心的径向距离相等。其中y'为物体在红外制冷探测器焦平面阵列上所成的像的像高，f为红外成像光学镜头的焦距，θ为视场角。所述偶次非球面方程为
CR2Z =-.+ Q1R2 + a2RA + Q3R6 + a4R& + a5R10 (丄)
1 + ^1-(1 + k)c2R2式⑴中，ζ为矢高，c为顶点处曲率，k为圆锥曲线常数，R为垂直光轴方向的径向距离，B1 = 0，a2、a3、a4、a5为偶次非球面高次项系数；所述衍射结构的相位分布函数为
φ{τ) = A1F2 + A2F4 + A3r6 (2)式(2)中，r为归一化半径，A1, A2, A3为衍射结构的位相系数。实施例2如图4所示，红外成像光学镜头8包括弯月负透镜1，第一、第二正透镜2、3，冷光阑4和红外制冷探测器5。弯月负透镜1的前表面11、第一正透镜的后表面22和第二正透镜的前表面31为球面；弯月负透镜1的后表面12、第一正透镜的前表面21和第二正透镜的后表面32为偶次非球面。光线经弯月负透镜1、第一正透镜2、第二正透镜3，最终成像于红外制冷探测器的焦平面阵列51，成像像点位置与物空间方位信息符合y' = fe物像关系，其中y'为物体在红外制冷探测器焦平面阵列上所成的像的像高，f为红外成像光学镜头的焦距，θ为视场角。所以我们可以通过图像处理分析的方法(利用y'、f计算Θ)，对着火点的图像信号位置进行准确的空间定位。第一正透镜后表面12、第二正透镜前表面21、第三正透镜后表面32选用旋转对称的偶次非球面(even asphere)，描述方程为
权利要求
1.一种大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于包括红外成像光学镜头 ⑶和红外制冷探测器(5)；光线经由红外成像光学镜头⑶成像于红外制冷探测器(5)的焦平面阵列上；所述红外成像光学镜头(8)采用反远距结构，且红外成像光学镜头(8)成像像点的位置与物体空间方位信息符合y'物像关系；其中y'为物体在红外制冷探测器(5)焦平面阵列上所成的像的像高，f为红外成像光学镜头(8)的焦距，θ为视场角。
2.根据权利要求1所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于所述红外成像光学镜头(8)采用一个弯月负透镜(1)作为反远距结构的前组。
3.根据权利要求2所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于所述红外成像光学镜头(8)采用第一、第二正透镜(2、3)作为反远距结构的后组。
4.根据权利要求1所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于还包括一个冷光阑⑷；冷光阑⑷位于红外成像光学镜头⑶与红外制冷探测器(5)之间。
5.根据权利要求3所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于所述弯月负透镜(1)的前表面(11)，第一正透镜的前表面(21)、后表面(22)，及第二正透镜的前表面(31)、后表面(32)均为球面；弯月负透镜(1)的后表面(12)为偶次非球面，并在偶次非球面上加入衍射结构；所述偶次非球面方程为
6.根据权利要求3所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于所述弯月负透镜(1)的前表面(11)、第一正透镜的后表面0 和第二正透镜的前表面(31)为球面；弯月负透镜(1)的后表面(12)、第一正透镜的前表面和第二正透镜的后表面 (32)为偶次非球面；所述偶次非球面方程为
7.根据权利要求3所述的大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，其特征在于所述弯月负透镜(1)的前表面(11)、第一正透镜的后表面0 和第二正透镜的前表面(31)为球面；弯月负透镜(1)的后表面(12)、第一正透镜的前表面和第二正透镜的后表面 (32)为偶次非球面，并且弯月负透镜(1)的后表面(12)加入衍射结构；所述偶次非球面方程为
全文摘要
本发明涉及一种大视场凝视型红外成像森林防火预警系统，该系统包括红外成像光学镜头和红外制冷探测器；光线经由红外成像光学镜头成像于红外制冷探测器的焦平面阵列上；所述红外成像光学镜头采用反远距结构，且红外成像光学镜头成像像点的位置与物体空间方位信息符合y′＝fθ物像关系；其中y′为物体在红外制冷探测器焦平面阵列上所成的像的像高，f为红外成像光学镜头的焦距，θ为视场角。本发明采用凝视成像，没有机械扫描结构，增强了系统稳定性；拥有超大视场，达到180度，可以实现周边全区域实时成像，不存在盲区，能够有效防止漏警情况的发生，还可以同时发现并监测多个着火点。
文档编号G08B17/12GK102509416SQ201110352620
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者刘殿双, 刘 英, 姜洋, 孙强 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所