秸稈焚燒火情監察紅外變焦距光學系統設計

尹 晶,劉春艷,劉 旭,沙 莎,于 洋

(長春理工大學光電信息學院,吉林 長春 130114)

1 引 言

上世紀80年代以來,隨著農作物單產提高,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,多數地區就開始出現秸稈焚燒現象并越來越嚴重[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、光化學氧化劑和懸浮顆粒物等造成大氣污染,且會在一定程度上加重霧霾的發生[2]。不僅如此,各地區每到收獲的季節因為焚燒秸稈而引發火災的事情時有發生。各地環保局也出臺了相應的焚燒管理辦法,對焚燒工作極為重視,每年夏秋季收獲時節,環保部、農業部及各地政府都會投入大量的人力監控焚燒秸稈的情況。但秸稈焚燒現象仍然屢禁不止,每年的秸稈中仍有3億多噸被當作廢棄物直接焚燒或扔掉,給大氣質量、生態環境、交通安全和火災防護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系統對焚燒區異常情況進行監視,結合異常情況圖像識別算法,實現三個階段焚燒情況實時監察: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行異常情況的檢測,當可能出現險情,再進行火災點的判別,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,當有可疑情況發生時,利用顏色特征和RGB顏色空間聚類分割出可疑區域；③特征檢測,根據火焰和煙霧的一些特征(主要是火焰的特征),判斷可疑區域是否發生發生不可控火災。針對紅外變焦距光學系統設計方案,通過對各種變焦系統的對比分析可知,連續變焦紅外光學系統復雜[4-6],鏡片數量多且成本高,根據本系統的工作范圍及測試精度等指標要求,通過理論分析計算可知,通過兩檔變焦即可實現本系統的指標要求,因此本系統采用兩檔非連續變焦,根據光學變焦的理論、像差的知識及國內外變焦光學系統的專利,確定光學系統的初始結構,采用Zemax光學設計軟件對光學系統進行優化設計,在奈奎斯特頻率下,光學傳遞函數均在0.4以上,實現了在100～2000 m距離范圍內都能夠清晰成像。

2 光學系統設計參數計算

2.1 焦距計算

根據國外有關研究及以往研究經驗表明,紅外系統對目標的探測需要兩個像元,對目標的識別需要四個像元[7-8],當對秸稈焚燒拍照時,目標和背景的溫差較大,對火災的探測需要1～1.2個像元,對目標的識別需要2～2.4個像元,選取有效像素為320×240,像元大小17 μm的紅外探測器。根據半徑為2 km范圍內探測1 m×1 m大小目標的系統要求,系統焦距有下列公式求得:

(1)

其中,xpix為像元大小;f′為光學系統的焦距;l為探測距離;y物在探測距離內景物大小。

光學系統的焦深按照下式計算:

Δ=4F2λ

(2)

其中,Δxpix為光學系統的焦深;F為光學系統的F數(F=1);λ為中心波長(λ=10 μm)。

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

根據牛頓公式:

Δx·Δx′=f′2

(3)

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

短焦的焦距由公式求得:

(4)

為了更好地分辨,本系統采用變焦光學系統,焦距f′為34.5～77.5 mm,當成像距離為100～2000 m時,地面景物分辨率優于1 m,滿足技術指標要求。

2.2 視場角計算

紅外探測器的有效像素為320×240,像元大小為17 μm,則探測器的有效傳感面積為 5.44 mm×4.08 mm。當焦距f′為34.5 mm時,橫向視場角為式(5)計算,縱向視場角為式(6)計算:

(5)

(6)

當焦距f′為77.5 mm時,橫向視場角為式(7)計算,縱向視場角為式(8)計算:

(7)

(8)

2.3 通光口徑和F數的計算

紅外成像系統與可見光成像系統不同,紅外成像系統屬于能量系統,收集能量的能力越強,其成像愈清晰,而決定光學系統能量收集能力的指標就是相對孔徑,這就要求紅外鏡頭的相對孔徑的選取應慎重[9]。一般情況下,根據文獻[10]所述,紅外系統鏡頭的相對孔徑應大于1∶1.6,一般選擇1∶1.2或更大。利用系統最大可探測距離計算系統通光口徑的公式為:

(9)

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

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

2.4 目標圖像信噪比計算

紅外圖像的信噪比為[11]:

(10)

其中,UC為目標溫度TC在探測器上產生的信號電壓,Um為目標溫度TB在探測器上產生的信號電壓,UB為探測器等效噪聲電壓。

當紅外熱像儀的NETD為ΔT時,熱像儀等效噪聲電壓Um為:

(11)

其中,T303=303 K,因為通常熱像儀在測試NETD時,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,最終計算得系統的SNR為34.53～70.34。

3 紅外變焦距光學鏡頭優化設計

紅外變焦鏡頭基于庫克三分離物鏡進行優化設計,相較與經典的三分離物鏡,變倍方式為移動第二片玻璃,為了矯正滿足同時校正兩檔變焦系統的殘余殘余像差,將經典三片式最后的正透鏡拆分成分離的兩個正光焦度的透鏡,即系統設計用了四片玻璃,其中第一～第三片材料為鍺,第四片為硒化鋅,同時第二片～第四片中各設一個表面(共計三個表面)為非球面更好的矯正殘余像差。考慮到鏡頭的可靠性要求短焦和長焦的孔徑光闌的直徑為定值,經過孔徑光闌在不同位置處的比較和設計優化過程中的控制,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MNCG,MXCG,NINEG,MNEA,MNCA來對透鏡厚度、透鏡邊緣厚度、空氣間隔進行限制;使用操作數CTGT命令對透鏡后截距進行參數進行拾取,并使用OPGT命令對CTGT結果進行限制等。在編輯完自定義優化操作數后,設置透鏡曲率半徑及透鏡厚度與空氣間隔為變量,進行優化操作。在保證系統基本外形尺寸、焦距、畸變等情況下,進一步添加提高系統優化操作數,如增加MTFA,MTFT,MTFS,通過OPGT來控制特定視場子午、弧矢的MTF,同理用RSCH控制成像面的彌散斑大小等。設置誤差函數RMS+Wavefront+Centroid,再次優化,進一步提高系統成像質量。通過反復優化,其優化后的光學結構如圖1、圖2所示,優化后的系統光學參數如表1所示。

圖1 短焦紅外光學系統圖

圖2 長焦紅外光學系統圖

表1 紅外變焦鏡頭光學參數表

4 光學設計結果與像差評價

為了對整個變焦系統的成像質量進行評價,可以對ZEMAX中得出的系統的MTF曲線進行分析。下面給出了變焦系統在焦距為長焦及短焦時物距在無限遠及有限遠處的MTF曲線和點列圖,如圖3～圖10所示。

圖3 無限遠物距短焦組態MTF曲線

由MTF曲線圖可以看出,各視場下MTF值均在0.4以上,接近衍射極限。由像斑點列圖可以看出,各視場光線分布的幾何半徑和點彌散均方根半徑都集中在較小的范圍內,說明能量也都集中在較小的范圍內,成像質量良好,說明系統成像質量能夠滿足技術指標要求。

圖4 無限遠物距短焦組態點列圖

圖8 10 m物距短焦組態點列圖

圖9 50 m物距長焦組態MTF曲線

圖10 50 m物距長焦組態點列圖

5 結 論

本文根據秸稈焚燒區火情監察系統的工作范圍以及測試精度等指標要求,通過理論分析計算可知,通過兩檔變焦即可實現系統的指標要求,采用兩檔非連續變焦結合光學變焦像差理論,采用ZEMAX光學設計軟件對光學系統進行優化設計,在奈奎斯特頻率下光學傳遞函數均在0.4以上,實現了在100～2000 m距離范圍內都能夠清晰成像的系統要求,能夠獲得秸稈焚燒區晝夜的監察高清圖像,實現秸稈焚燒區發生火警、污染物排放等情況時,實時高效地處理突發事件并降低損失。