秸稈焚燒火情監(jiān)察紅外變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹 晶,劉春艷,劉 旭,沙 莎,于 洋

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130114)

1 引 言

上世紀(jì)80年代以來,隨著農(nóng)作物單產(chǎn)提高,秸稈總量迅速增加,而直接作為生活燃料和飼料的比例大幅度減少,多數(shù)地區(qū)就開始出現(xiàn)秸稈焚燒現(xiàn)象并越來越嚴(yán)重[1]。秸稈的露天焚燒屬于低溫焚燒,不完全燃燒,其煙氣中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、光化學(xué)氧化劑和懸浮顆粒物等造成大氣污染,且會(huì)在一定程度上加重霧霾的發(fā)生[2]。不僅如此,各地區(qū)每到收獲的季節(jié)因?yàn)榉贌斩挾l(fā)火災(zāi)的事情時(shí)有發(fā)生。各地環(huán)保局也出臺(tái)了相應(yīng)的焚燒管理辦法,對(duì)焚燒工作極為重視,每年夏秋季收獲時(shí)節(jié),環(huán)保部、農(nóng)業(yè)部及各地政府都會(huì)投入大量的人力監(jiān)控焚燒秸稈的情況。但秸稈焚燒現(xiàn)象仍然屢禁不止,每年的秸稈中仍有3億多噸被當(dāng)作廢棄物直接焚燒或扔掉,給大氣質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境、交通安全和火災(zāi)防護(hù)都造成了極大的危害[3]。

本文基于上述安全問題,本文采用紅外變焦距光學(xué)系統(tǒng)對(duì)焚燒區(qū)異常情況進(jìn)行監(jiān)視,結(jié)合異常情況圖像識(shí)別算法,實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段焚燒情況實(shí)時(shí)監(jiān)察:①判斷是否有可疑情況,判斷是存在煙霧或火焰還是其他視頻模糊進(jìn)行異常情況的檢測(cè),當(dāng)可能出現(xiàn)險(xiǎn)情,再進(jìn)行火災(zāi)點(diǎn)的判別,這樣就可以減少誤判和提高攝像頭工作的效率；②基于小波的異常情況判斷,當(dāng)有可疑情況發(fā)生時(shí),利用顏色特征和RGB顏色空間聚類分割出可疑區(qū)域；③特征檢測(cè),根據(jù)火焰和煙霧的一些特征(主要是火焰的特征),判斷可疑區(qū)域是否發(fā)生發(fā)生不可控火災(zāi)。針對(duì)紅外變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,通過對(duì)各種變焦系統(tǒng)的對(duì)比分析可知,連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜[4-6],鏡片數(shù)量多且成本高,根據(jù)本系統(tǒng)的工作范圍及測(cè)試精度等指標(biāo)要求,通過理論分析計(jì)算可知,通過兩檔變焦即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的指標(biāo)要求,因此本系統(tǒng)采用兩檔非連續(xù)變焦,根據(jù)光學(xué)變焦的理論、像差的知識(shí)及國內(nèi)外變焦光學(xué)系統(tǒng)的專利,確定光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu),采用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在奈奎斯特頻率下,光學(xué)傳遞函數(shù)均在0.4以上,實(shí)現(xiàn)了在100～2000 m距離范圍內(nèi)都能夠清晰成像。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

2.1 焦距計(jì)算

根據(jù)國外有關(guān)研究及以往研究經(jīng)驗(yàn)表明,紅外系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)需要兩個(gè)像元,對(duì)目標(biāo)的識(shí)別需要四個(gè)像元[7-8],當(dāng)對(duì)秸稈焚燒拍照時(shí),目標(biāo)和背景的溫差較大,對(duì)火災(zāi)的探測(cè)需要1～1.2個(gè)像元,對(duì)目標(biāo)的識(shí)別需要2～2.4個(gè)像元,選取有效像素為320×240,像元大小17 μm的紅外探測(cè)器。根據(jù)半徑為2 km范圍內(nèi)探測(cè)1 m×1 m大小目標(biāo)的系統(tǒng)要求,系統(tǒng)焦距有下列公式求得:

(1)

其中,xpix為像元大小;f′為光學(xué)系統(tǒng)的焦距;l為探測(cè)距離;y物在探測(cè)距離內(nèi)景物大小。

光學(xué)系統(tǒng)的焦深按照下式計(jì)算:

Δ=4F2λ

(2)

其中,Δxpix為光學(xué)系統(tǒng)的焦深;F為光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)(F=1);λ為中心波長(zhǎng)(λ=10 μm)。

由此可計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的焦深Δ=±0.02 mm,一般成像面不超過系統(tǒng)焦深時(shí),成像都是清晰,因此要求要求對(duì)100～2 000 m的景物成像,成像面偏離焦面應(yīng)小于二分之一焦深,即不大于0.02 mm。

根據(jù)牛頓公式:

Δx·Δx′=f′2

(3)

按照上式邊可計(jì)算出對(duì)100～2000 m的景物成像時(shí),成像面偏離焦面為0.06～0.003 mm,在對(duì)近距離成像時(shí)成像面偏離焦面超過1/2焦深,因此采用定焦距系統(tǒng)對(duì)100～2000 m的景物成像時(shí),很難滿足指標(biāo)要求,因此我們采用兩檔變焦系統(tǒng),即在100～800 m采用短焦,800～2000 m采用長(zhǎng)焦。

短焦的焦距由公式求得:

(4)

為了更好地分辨,本系統(tǒng)采用變焦光學(xué)系統(tǒng),焦距f′為34.5～77.5 mm,當(dāng)成像距離為100～2000 m時(shí),地面景物分辨率優(yōu)于1 m,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 視場(chǎng)角計(jì)算

紅外探測(cè)器的有效像素為320×240,像元大小為17 μm,則探測(cè)器的有效傳感面積為 5.44 mm×4.08 mm。當(dāng)焦距f′為34.5 mm時(shí),橫向視場(chǎng)角為式(5)計(jì)算,縱向視場(chǎng)角為式(6)計(jì)算:

(5)

(6)

當(dāng)焦距f′為77.5 mm時(shí),橫向視場(chǎng)角為式(7)計(jì)算,縱向視場(chǎng)角為式(8)計(jì)算:

(7)

(8)

2.3 通光口徑和F數(shù)的計(jì)算

紅外成像系統(tǒng)與可見光成像系統(tǒng)不同,紅外成像系統(tǒng)屬于能量系統(tǒng),收集能量的能力越強(qiáng),其成像愈清晰,而決定光學(xué)系統(tǒng)能量收集能力的指標(biāo)就是相對(duì)孔徑,這就要求紅外鏡頭的相對(duì)孔徑的選取應(yīng)慎重[9]。一般情況下,根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述,紅外系統(tǒng)鏡頭的相對(duì)孔徑應(yīng)大于1∶1.6,一般選擇1∶1.2或更大。利用系統(tǒng)最大可探測(cè)距離計(jì)算系統(tǒng)通光口徑的公式為:

(9)

式中,Z=3.6×105cm；大氣衰減系數(shù)αa=0.38 km-1；Ab為探測(cè)目標(biāo)尺寸=143100 cm2；Ao為光學(xué)系統(tǒng)通光口徑(即所求值)；τo為光學(xué)系統(tǒng)的透過率,取0.85；Aα為探測(cè)器面積=0.222 cm2；NETD=0.07 K；Δf取3.73×106 Hz；D*為探測(cè)率；M(λ,T1)為目標(biāo)在300 K時(shí)的出射度,算出結(jié)果為122.48 W·m-2；M(λ,T2)為背景在297 K的出射度,算出結(jié)果為115 W·m-2。

最后計(jì)算出Ao=32.5 cm2,得出入瞳直徑為64 mm。為了盡量提高確定系統(tǒng)的通光口徑,取入瞳直徑為78 mm,由此可得系統(tǒng)的F=1。

2.4 目標(biāo)圖像信噪比計(jì)算

紅外圖像的信噪比為[11]:

(10)

其中,UC為目標(biāo)溫度TC在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓,Um為目標(biāo)溫度TB在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓,UB為探測(cè)器等效噪聲電壓。

當(dāng)紅外熱像儀的NETD為ΔT時(shí),熱像儀等效噪聲電壓Um為:

(11)

其中,T303=303 K,因?yàn)橥ǔ嵯駜x在測(cè)試NETD時(shí),背景溫度取30 ℃(即303 K),將Um代入SNR中,可得:

(12)

取λ1=8,λ2=12,ΔT=0.07 K,TB=298 K,TC=301～304 K,τa=0.71404,最終計(jì)算得系統(tǒng)的SNR為34.53～70.34。

3 紅外變焦距光學(xué)鏡頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

紅外變焦鏡頭基于庫克三分離物鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),相較與經(jīng)典的三分離物鏡,變倍方式為移動(dòng)第二片玻璃,為了矯正滿足同時(shí)校正兩檔變焦系統(tǒng)的殘余殘余像差,將經(jīng)典三片式最后的正透鏡拆分成分離的兩個(gè)正光焦度的透鏡,即系統(tǒng)設(shè)計(jì)用了四片玻璃,其中第一～第三片材料為鍺,第四片為硒化鋅,同時(shí)第二片～第四片中各設(shè)一個(gè)表面(共計(jì)三個(gè)表面)為非球面更好的矯正殘余像差?？紤]到鏡頭的可靠性要求短焦和長(zhǎng)焦的孔徑光闌的直徑為定值,經(jīng)過孔徑光闌在不同位置處的比較和設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的控制,選擇其位置在后固定組附近,即位于第三片與第四片玻璃之間。

利用ZEMAX軟件添加操作數(shù)MNCG,MXCG,NINEG,MNEA,MNCA來對(duì)透鏡厚度、透鏡邊緣厚度、空氣間隔進(jìn)行限制;使用操作數(shù)CTGT命令對(duì)透鏡后截距進(jìn)行參數(shù)進(jìn)行拾取,并使用OPGT命令對(duì)CTGT結(jié)果進(jìn)行限制等。在編輯完自定義優(yōu)化操作數(shù)后,設(shè)置透鏡曲率半徑及透鏡厚度與空氣間隔為變量,進(jìn)行優(yōu)化操作。在保證系統(tǒng)基本外形尺寸、焦距、畸變等情況下,進(jìn)一步添加提高系統(tǒng)優(yōu)化操作數(shù),如增加MTFA,MTFT,MTFS,通過OPGT來控制特定視場(chǎng)子午、弧矢的MTF,同理用RSCH控制成像面的彌散斑大小等。設(shè)置誤差函數(shù)RMS+Wavefront+Centroid,再次優(yōu)化,進(jìn)一步提高系統(tǒng)成像質(zhì)量。通過反復(fù)優(yōu)化,其優(yōu)化后的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示,優(yōu)化后的系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 短焦紅外光學(xué)系統(tǒng)圖

圖2 長(zhǎng)焦紅外光學(xué)系統(tǒng)圖

表1 紅外變焦鏡頭光學(xué)參數(shù)表

4 光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果與像差評(píng)價(jià)

為了對(duì)整個(gè)變焦系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),可以對(duì)ZEMAX中得出的系統(tǒng)的MTF曲線進(jìn)行分析。下面給出了變焦系統(tǒng)在焦距為長(zhǎng)焦及短焦時(shí)物距在無限遠(yuǎn)及有限遠(yuǎn)處的MTF曲線和點(diǎn)列圖,如圖3～圖10所示。

圖3 無限遠(yuǎn)物距短焦組態(tài)MTF曲線

由MTF曲線圖可以看出,各視場(chǎng)下MTF值均在0.4以上,接近衍射極限。由像斑點(diǎn)列圖可以看出,各視場(chǎng)光線分布的幾何半徑和點(diǎn)彌散均方根半徑都集中在較小的范圍內(nèi),說明能量也都集中在較小的范圍內(nèi),成像質(zhì)量良好,說明系統(tǒng)成像質(zhì)量能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 無限遠(yuǎn)物距短焦組態(tài)點(diǎn)列圖

圖8 10 m物距短焦組態(tài)點(diǎn)列圖

圖9 50 m物距長(zhǎng)焦組態(tài)MTF曲線

圖10 50 m物距長(zhǎng)焦組態(tài)點(diǎn)列圖

5 結(jié) 論

本文根據(jù)秸稈焚燒區(qū)火情監(jiān)察系統(tǒng)的工作范圍以及測(cè)試精度等指標(biāo)要求,通過理論分析計(jì)算可知,通過兩檔變焦即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的指標(biāo)要求,采用兩檔非連續(xù)變焦結(jié)合光學(xué)變焦像差理論,采用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在奈奎斯特頻率下光學(xué)傳遞函數(shù)均在0.4以上,實(shí)現(xiàn)了在100～2000 m距離范圍內(nèi)都能夠清晰成像的系統(tǒng)要求,能夠獲得秸稈焚燒區(qū)晝夜的監(jiān)察高清圖像,實(shí)現(xiàn)秸稈焚燒區(qū)發(fā)生火警、污染物排放等情況時(shí),實(shí)時(shí)高效地處理突發(fā)事件并降低損失。