一种新型单兵便携式化学毒剂被动遥测成像仪的制作方法

本发明涉及一种新型单兵便携式化学毒剂被动遥测成像仪。

背景技术：

根据工作方式的不同，化学毒剂遥测技术分为主动激光遥测技术和被动红外遥测技术。

激光主动遥测技术是基于化学毒剂仅吸收特定波长的激光，对其他波长的激光则是透明的这种特性，充分发挥激光的高单色性、高亮度性、高相干性、高准直性等优点，使得人们可以利用激光雷达对生物化学战剂进行远距离对环境进行监测和识别。

化学毒剂被动遥测技术利用自然光源(太阳、月亮等)，通过探测和分析毒剂分子的红外特征谱来实现毒剂成分鉴别和浓度反演。大部分气体分子在红外波段都具有较强的特征发射(吸收)光谱，可用于成分的鉴别和浓度测量。化学毒剂的特征光谱位于8-12μm(1250-833cm^-1)波段。此波段为大气窗口波段，受大气中的水汽和二氧化碳气体干扰较小，有利于对化学毒剂云团的红外光谱进行远距离测量。被动遥测技术能在很宽广的范围内进行机动、快速的遥测，探测距离可达几公里，且不需要专门的人工辐射源，具有隐蔽性好、重量轻、携带方便等优点。

目前，化学毒剂被动遥测技术主要有被动傅里叶变换红外(ftir,fouriertransforminfrared)技术和非分散性红外技术(ndir，non-dispersiveinfrared)。

傅里叶变换红外光谱(ftir)光谱仪的核心部件是干涉仪，干涉仪主要包括两个相互垂直的反射镜和一个分光镜，如图4所示。两个反射镜中一个为固定不动的定镜，另一个是可以移动的动镜，分束器具有半透明性质，可使得入射光一部分透射，一部分被反射。动镜连续移动过程中，射向定镜和动镜的两个光束之间产生光程差，在探测器处发生干涉，通过探测器测量干涉信号。干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强度按频率的分布，从而得到化学毒剂云团的吸收(发射)光谱。傅里叶变换红外光谱仪(ftir)通过测量和分析化学毒剂云团的吸收(发射)光谱实现毒剂探测。被动ftir光谱遥测仪具有高光通量、高光谱分辨力。然而为达到高分辨率，需要高精度机械扫描装置,需要较长的扫描时间，扫描运动限制了探测速度，均需应用参考激光测量移动镜的精确位置，这种装置体积大、结构复杂、不便操作，很难应用于野外战场环境实时探测中。

非分散性红外技术是一种基于气体吸收理论的方法。红外光经过一定浓度待测的气体吸收之后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，因此求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。在红外探测器前加入只允许某一毒剂的特征红外辐射波段通过的滤波片。在同一背景情况下，有无毒剂的红外图像存在区别，由此便可以探测远距离的毒剂。非分散性红外遥测仪适合背景比较单一的海上环境应用，无机械调制装置、结构比较简单、操作简单、性能稳定，并且可与侦察红外热像仪(flir)系统兼容。然而有通光量小、探测信噪比差等缺点，不易在复杂背景下使用。

综上所述，现有的被动ftir光谱遥测系统具有体积大、结构复杂、不便携带的缺点，很难应用于野外战场环境实时探测中；而非分散红外遥测系统虽然携带方便，但灵敏度低、无法在复杂环境下使用。

因此本发明将基于龙虾眼透镜和多元光学计算设计研制了新型化学云团遥测技术，该技术克服了非分散红外技术中通光量小、灵敏度低、无法在复杂环境下使用的缺点，综合性能接近傅里叶变换红外光谱技术，但是尺寸和成本都大大地减小，并且具有操作便捷、环境适应能力很强、采光效率高、视场大、方向敏感性高等优点，是一种非常适合单兵使用的危化品云团遥测技术。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种新型单兵便携式化学毒剂被动遥测成像仪，其克服了非分散红外技术中通光量小、灵敏度低、无法在复杂环境下使用的缺点，并且综合性能接近傅里叶变换红外光谱技术，但是尺寸和成本都大大地减小，并且具有操作便捷、环境适应能力很强、采光效率高、视场大、方向敏感性高等优点，是一种非常适合单兵使用的危化品云团遥测技术。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种新型单兵便携式化学毒剂被动遥测成像仪，包括龙虾眼透镜，设于所述龙虾眼透镜的聚焦光路上的二向色镜，设于所述二向色镜的透射光路上的第一可见光ccd探测器，设于所述二向色镜的反射光路上的多元光学元器件阵列，设于所述多元光学元器件阵列的后端光路上的红外像增强器，设于所述红外像增强器的后端光路上的第二可见光ccd探测器，蓄电池，液晶显示屏，以及微型处理器；

所述微型处理器分别与所述第一可见光ccd探测器、所述红外像增强器、所述第二可见光ccd探测器、所述蓄电池和所述液晶显示屏连接，所述蓄电池通过所述微型处理器分别为所述第一可见光ccd探测器、所述红外像增强器、所述第二可见光ccd探测器和所述液晶显示屏供电，所述微型处理器分别采集所述第一可见光ccd探测器和所述第二可见光ccd探测器的图像进行融合合成存储并通过所述液晶显示屏显示；

所述龙虾眼透镜分别距离所述第一可见光ccd探测器和所述红外像增强器的光程相同，所述二向色镜与所述龙虾眼透镜之间呈一个45°的夹角，所述红外像增强器和所述第二可见光ccd探测器之间设有光纤锥。

进一步地，还包括线性滤波片和滤光片轮，所述多元光学元器件阵列和所述线性滤波片共同集成在所述滤光片轮上，所述滤光片轮与所述微型处理器连接并可在所述微型处理器的控制下转动，所述蓄电池通过所述微型处理器为所述滤光片轮供电。

进一步地，所述第一可见光ccd探测器和所述第二可见光ccd探测器均为512×512元高帧速可见光ccd。

进一步地，所述红外像增强器可将红外信号增强10～1000倍。

进一步地，所述红外像增强器的有效面为φ5～20mm，

进一步地，所述龙虾眼透镜分别距离所述第一可见光ccd探测器和所述红外像增强器的光程相同，根据实际需要，可以取值10～20cm。

进一步地，所述龙虾眼透镜为球面镜，其厚度为1～2mm、直径为5～20cm、曲率半径为10～50cm，所述龙虾眼透镜由两条以上纵向等距分布的纵向镜棱和两条以上横向等距分布的横向镜棱相交组成，并且相邻两条所述纵向镜棱之间的间距与相邻两条所述横向镜棱之间的间距相等，相交的纵向镜棱和横向镜棱共同形成若干个呈正方形的光通道，所述光通道的通道宽度为50～200μm，所有所述纵向镜棱的侧壁上和所有所述横向镜棱的侧壁上均涂覆有一层金膜反光层。

进一步地，所述龙虾眼透镜的厚度为1～2mm、直径为5～20cm、曲率半径为10～50cm，所述光通道的通道宽度为50～200μm。

进一步地，所述纵向镜棱和所述横向镜棱均为铅玻璃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明操作便捷，龙虾眼透镜到可见光ccd和红外探测单元光程相同，利用其无色散的特性，使用龙虾眼透镜同时作为可见光和红外成像的成像透镜，调焦时只需要观察可见光图像，红外成像部分自动相应对焦，操作异常简单。

本发明光通量大、灵敏度好，龙虾眼透镜和多元光学元器件阵列均有通光量大的优点，增加了化学毒剂遥测仪的灵敏度和探测距离。

本发明环境适应性好，不同于现有设备，去除了冷却设备，采用红外像增强器，结构更加简单稳定，对使用环境和使用条件要求大幅度降低，可以适用于多种环境。

本发明龙虾眼透镜的结构使得其视场很大，在理论上可以达到4π范围探测。而视场内的每个方向均可以看作是中心视轴，并在焦面的对应不同的聚焦位置，使得本发明具备高方向敏感性。。

本发明体积小、可单兵携带。

附图说明

图1为本发明原理图。

图2为本发明龙虾眼透镜结构示意图。

图3为本发明探测效果示意图。

图4为背景技术中傅里叶变换红外光谱仪原理图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-龙虾眼透镜、2-二向色镜、3-第一可见光ccd探测器、4-多元光学元器件阵列、5-红外像增强器、6-第二可见光ccd探测器、7-微型处理器、8-蓄电池、9-液晶显示屏、10-光纤锥、11-纵向镜棱、12-横向镜棱、13-光通道。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1～3所示，本发明提供的一种新型单兵便携式化学毒剂被动遥测成像仪，结构简单、设计科学合理，使用方便，克服了非分散红外技术中通光量小、灵敏度低、无法在复杂环境下使用的缺点，综合性能接近傅里叶变换红外光谱技术，但是尺寸和成本都大大地减小，并且具有操作便捷、环境适应能力很强、采光效率高、视场大、方向敏感性高等优点，是一种非常适合单兵使用的危化品云团遥测技术。本发明包括龙虾眼透镜1，设于所述龙虾眼透镜1的聚焦光路上的二向色镜2，设于所述二向色镜2的透射光路上的第一可见光ccd探测器3，设于所述二向色镜2的反射光路上的多元光学元器件阵列4，设于所述多元光学元器件阵列4的后端光路上的红外像增强器5，设于所述红外像增强器5的后端光路上的第二可见光ccd探测器6，蓄电池8，液晶显示屏9，以及微型处理器7；所述第一可见光ccd探测器3和所述第二可见光ccd探测器6均为512×512元高帧速可见光ccd，所述红外像增强器5的有效面为φ10mm，对红外信号的增益为10～1000，其增益最好为100，所述龙虾眼透镜1分别距离所述第一可见光ccd探测器3和所述红外像增强器5的光程均为15cm。本发明操作便捷，龙虾眼透镜到可见光ccd和红外探测单元光程相同，利用其无色散的特性，使用龙虾眼透镜同时作为可见光和红外成像的成像透镜，调焦时只需要观察可见光图像，红外成像部分自动相应对焦，操作异常简单。

本发明所述微型处理器7分别与所述第一可见光ccd探测器3、所述红外像增强器5、所述第二可见光ccd探测器6、所述蓄电池8和所述液晶显示屏9连接，所述蓄电池8通过所述微型处理器7分别为所述第一可见光ccd探测器3、所述红外像增强器5、所述第二可见光ccd探测器6和所述液晶显示屏9供电，所述微型处理器7分别采集所述第一可见光ccd探测器3和所述第二可见光ccd探测器6的图像进行合成存储并通过所述液晶显示屏9显示。

本发明所述龙虾眼透镜1分别距离所述第一可见光ccd探测器3和所述红外像增强器5的光程相同，所述二向色镜2与所述龙虾眼透镜1之间呈一个45°的夹角，所述红外像增强器5和所述第二可见光ccd探测器6之间设有光纤锥10；还包括线性滤波片和滤光片轮，所述多元光学元器件阵列4和所述线性滤波片共同集成在所述滤光片轮上，所述滤光片轮与所述微型处理器7连接并可在所述微型处理器7的控制下转动，所述蓄电池8通过所述微型处理器7为所述滤光片轮供电。本发明光通量大、灵敏度好，龙虾眼透镜和多元光学元器件阵列均有通光量大的优点，增加了化学毒剂遥测仪的灵敏度和探测距离。

本发明所述龙虾眼透镜1为球面镜，其厚度为1～2mm、直径为5～20cm、曲率半径为10～50cm，所述龙虾眼透镜1由两条以上纵向等距分布的纵向镜棱11和两条以上横向等距分布的横向镜棱12相交组成，并且相邻两条所述纵向镜棱11之间的间距与相邻两条所述横向镜棱12之间的间距相等，相交的纵向镜棱11和横向镜棱12共同形成若干个呈正方形的光通道13，所述光通道13的通道宽度为50～200μm，所有所述纵向镜棱11的侧壁上和所有所述横向镜棱12的侧壁上均涂覆有一层金膜反光层，所述纵向镜棱11和所述横向镜棱12均为铅玻璃。本发明龙虾眼透镜无中心轴，使本发明视场大、方向敏感度高。作为优选，本发明所述龙虾眼透镜1的厚度为1mm、直径为10cm、曲率半径为30cm，所述光通道13的通道宽度为100μm。

本发明配备了与红外光路同轴的可见-红外相机，采集图像与红外识别结果融合后通过液晶屏显示，并将红外检测图像以伪彩色的形式(以不同的颜色表示不同的毒剂类型，以颜色深浅表示毒剂浓度)在可见图像(黑白图像)上叠加显示，便于使用人员瞄准和直观描述危化品云团位置及分布，如图3所示。

本发明龙虾眼透镜到可见光ccd和红外探测单元光程相同，利用其无色散的特性，使用龙虾眼透镜同时作为可见光和红外成像的成像透镜，调焦时只需要观察可见光图像，红外成像部分自动相应对焦，操作异常简单。根据需要，可以取其大小为φ5～20cm、曲率半径r为10～50cm，龙虾眼透镜单个通道为正方形、通道宽度ω取50～200μm，透镜厚度应该1～2mm之间。龙虾眼透镜制作时采用制作微通道板的工艺，以铅玻璃为基底材料来框架，然后在通道内壁镀对红外线和可见光反射率均很好的金膜作为反光层。

本发明红外线和可见光经过龙虾眼透镜聚焦后，由二向色镜分开，可见光继续向前到达可见光ccd。而红外线则通过多元光学元器件。

本发明不同多元光学器件对应不同的检测种类，它们和一个线性滤波片一起装在一个滤光片轮上，滤光片可由数据采集处理模块控制转动。

本发明红外像增强器将红外信号增强10-1000倍后，转化为可见光信号。由另一个可见光ccd(第二可见光ccd探测器)采集。

本发明微型处理器采集第一、二可见光ccd探测器的图像，将图像合成存储并在液晶显示屏上显示，微型处理器还控制旋转片轮转动，同时通过蓄电池为遥测仪提供工作电源。本发明还可以设一个警报器，警报器与微型处理器连接，当微型处理器接收到异常信号时控制警报器报警，

本发明在使用时的探测效果如图3所示，具体指标如下：

(1)侦测距离：≥1km。

(2)视场角：≥10°。

(3)识别种类：同时识别10种，可选种类如下

化学战剂：沙林(gb)、芥子气(hd)、路易斯气(l)、维埃克斯(vx)、环沙林(gf)、梭曼(gd)、塔崩(ga)、ch2cl2，dmmp；

典型工业污染气体：150种(典型危化品氨气、碳酰氯、二甲醚等)。

(4)报警响应时间：≤30s。

(5)结果形式：结果成图，伪彩色显示威胁物质种类。

(6)重量：≤20kg。

(7)光谱范围：8～14μm。

(8)工作温度：-20-+55℃。

(9)防护等级：ip65。

(10)电池续航时间：＞4h。

本发明环境适应性好，不同于现有设备，去除了冷却设备，采用红外像增强器，结构更加简单稳定，对使用环境和使用条件要求大幅度降低，可以适用于多种环境，体积小、可单兵携带。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。