秸秆焚烧火情监察红外变焦距光学系统设计

尹 晶,刘春艳,刘 旭,沙 莎,于 洋

(长春理工大学光电信息学院,吉林 长春 130114)

1 引 言

上世纪80年代以来,随着农作物单产提高,秸秆总量迅速增加,而直接作为生活燃料和饲料的比例大幅度减少,多数地区就开始出现秸秆焚烧现象并越来越严重[1]。秸秆的露天焚烧属于低温焚烧,不完全燃烧,其烟气中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、光化学氧化剂和悬浮颗粒物等造成大气污染,且会在一定程度上加重雾霾的发生[2]。不仅如此,各地区每到收获的季节因为焚烧秸秆而引发火灾的事情时有发生。各地环保局也出台了相应的焚烧管理办法,对焚烧工作极为重视,每年夏秋季收获时节,环保部、农业部及各地政府都会投入大量的人力监控焚烧秸秆的情况。但秸秆焚烧现象仍然屡禁不止,每年的秸秆中仍有3亿多吨被当作废弃物直接焚烧或扔掉,给大气质量、生态环境、交通安全和火灾防护都造成了极大的危害[3]。

本文基于上述安全问题,本文采用红外变焦距光学系统对焚烧区异常情况进行监视,结合异常情况图像识别算法,实现三个阶段焚烧情况实时监察:①判断是否有可疑情况,判断是存在烟雾或火焰还是其他视频模糊进行异常情况的检测,当可能出现险情,再进行火灾点的判别,这样就可以减少误判和提高摄像头工作的效率；②基于小波的异常情况判断,当有可疑情况发生时,利用颜色特征和RGB颜色空间聚类分割出可疑区域；③特征检测,根据火焰和烟雾的一些特征(主要是火焰的特征),判断可疑区域是否发生发生不可控火灾。针对红外变焦距光学系统设计方案,通过对各种变焦系统的对比分析可知,连续变焦红外光学系统复杂[4-6],镜片数量多且成本高,根据本系统的工作范围及测试精度等指标要求,通过理论分析计算可知,通过两档变焦即可实现本系统的指标要求,因此本系统采用两档非连续变焦,根据光学变焦的理论、像差的知识及国内外变焦光学系统的专利,确定光学系统的初始结构,采用Zemax光学设计软件对光学系统进行优化设计,在奈奎斯特频率下,光学传递函数均在0.4以上,实现了在100～2000 m距离范围内都能够清晰成像。

2 光学系统设计参数计算

2.1 焦距计算

根据国外有关研究及以往研究经验表明,红外系统对目标的探测需要两个像元,对目标的识别需要四个像元[7-8],当对秸秆焚烧拍照时,目标和背景的温差较大,对火灾的探测需要1～1.2个像元,对目标的识别需要2～2.4个像元,选取有效像素为320×240,像元大小17 μm的红外探测器。根据半径为2 km范围内探测1 m×1 m大小目标的系统要求,系统焦距有下列公式求得:

(1)

其中,xpix为像元大小;f′为光学系统的焦距;l为探测距离;y物在探测距离内景物大小。

光学系统的焦深按照下式计算:

Δ=4F2λ

(2)

其中,Δxpix为光学系统的焦深;F为光学系统的F数(F=1);λ为中心波长(λ=10 μm)。

由此可计算出光学系统的焦深Δ=±0.02 mm,一般成像面不超过系统焦深时,成像都是清晰,因此要求要求对100～2 000 m的景物成像,成像面偏离焦面应小于二分之一焦深,即不大于0.02 mm。

根据牛顿公式:

Δx·Δx′=f′2

(3)

按照上式边可计算出对100～2000 m的景物成像时,成像面偏离焦面为0.06～0.003 mm,在对近距离成像时成像面偏离焦面超过1/2焦深,因此采用定焦距系统对100～2000 m的景物成像时,很难满足指标要求,因此我们采用两档变焦系统,即在100～800 m采用短焦,800～2000 m采用长焦。

短焦的焦距由公式求得:

(4)

为了更好地分辨,本系统采用变焦光学系统,焦距f′为34.5～77.5 mm,当成像距离为100～2000 m时,地面景物分辨率优于1 m,满足技术指标要求。

2.2 视场角计算

红外探测器的有效像素为320×240,像元大小为17 μm,则探测器的有效传感面积为 5.44 mm×4.08 mm。当焦距f′为34.5 mm时,横向视场角为式(5)计算,纵向视场角为式(6)计算:

(5)

(6)

当焦距f′为77.5 mm时,横向视场角为式(7)计算,纵向视场角为式(8)计算:

(7)

(8)

2.3 通光口径和F数的计算

红外成像系统与可见光成像系统不同,红外成像系统属于能量系统,收集能量的能力越强,其成像愈清晰,而决定光学系统能量收集能力的指标就是相对孔径,这就要求红外镜头的相对孔径的选取应慎重[9]。一般情况下,根据文献[10]所述,红外系统镜头的相对孔径应大于1∶1.6,一般选择1∶1.2或更大。利用系统最大可探测距离计算系统通光口径的公式为:

(9)

式中,Z=3.6×105cm；大气衰减系数αa=0.38 km-1；Ab为探测目标尺寸=143100 cm2；Ao为光学系统通光口径(即所求值)；τo为光学系统的透过率,取0.85；Aα为探测器面积=0.222 cm2；NETD=0.07 K；Δf取3.73×106 Hz；D*为探测率；M(λ,T1)为目标在300 K时的出射度,算出结果为122.48 W·m-2；M(λ,T2)为背景在297 K的出射度,算出结果为115 W·m-2。

最后计算出Ao=32.5 cm2,得出入瞳直径为64 mm。为了尽量提高确定系统的通光口径,取入瞳直径为78 mm,由此可得系统的F=1。

2.4 目标图像信噪比计算

红外图像的信噪比为[11]:

(10)

其中,UC为目标温度TC在探测器上产生的信号电压,Um为目标温度TB在探测器上产生的信号电压,UB为探测器等效噪声电压。

当红外热像仪的NETD为ΔT时,热像仪等效噪声电压Um为:

(11)

其中,T303=303 K,因为通常热像仪在测试NETD时,背景温度取30 ℃(即303 K),将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,最终计算得系统的SNR为34.53～70.34。

3 红外变焦距光学镜头优化设计

红外变焦镜头基于库克三分离物镜进行优化设计,相较与经典的三分离物镜,变倍方式为移动第二片玻璃,为了矫正满足同时校正两档变焦系统的残余残余像差,将经典三片式最后的正透镜拆分成分离的两个正光焦度的透镜,即系统设计用了四片玻璃,其中第一～第三片材料为锗,第四片为硒化锌,同时第二片～第四片中各设一个表面(共计三个表面)为非球面更好的矫正残余像差。考虑到镜头的可靠性要求短焦和长焦的孔径光阑的直径为定值,经过孔径光阑在不同位置处的比较和设计优化过程中的控制,选择其位置在后固定组附近,即位于第三片与第四片玻璃之间。

利用ZEMAX软件添加操作数MNCG,MXCG,NINEG,MNEA,MNCA来对透镜厚度、透镜边缘厚度、空气间隔进行限制;使用操作数CTGT命令对透镜后截距进行参数进行拾取,并使用OPGT命令对CTGT结果进行限制等。在编辑完自定义优化操作数后,设置透镜曲率半径及透镜厚度与空气间隔为变量,进行优化操作。在保证系统基本外形尺寸、焦距、畸变等情况下,进一步添加提高系统优化操作数,如增加MTFA,MTFT,MTFS,通过OPGT来控制特定视场子午、弧矢的MTF,同理用RSCH控制成像面的弥散斑大小等。设置误差函数RMS+Wavefront+Centroid,再次优化,进一步提高系统成像质量。通过反复优化,其优化后的光学结构如图1、图2所示,优化后的系统光学参数如表1所示。

图1 短焦红外光学系统图

图2 长焦红外光学系统图

表1 红外变焦镜头光学参数表

4 光学设计结果与像差评价

为了对整个变焦系统的成像质量进行评价,可以对ZEMAX中得出的系统的MTF曲线进行分析。下面给出了变焦系统在焦距为长焦及短焦时物距在无限远及有限远处的MTF曲线和点列图,如图3～图10所示。

图3 无限远物距短焦组态MTF曲线

由MTF曲线图可以看出,各视场下MTF值均在0.4以上,接近衍射极限。由像斑点列图可以看出,各视场光线分布的几何半径和点弥散均方根半径都集中在较小的范围内,说明能量也都集中在较小的范围内,成像质量良好,说明系统成像质量能够满足技术指标要求。

图4 无限远物距短焦组态点列图

图8 10 m物距短焦组态点列图

图9 50 m物距长焦组态MTF曲线

图10 50 m物距长焦组态点列图

5 结 论

本文根据秸秆焚烧区火情监察系统的工作范围以及测试精度等指标要求,通过理论分析计算可知,通过两档变焦即可实现系统的指标要求,采用两档非连续变焦结合光学变焦像差理论,采用ZEMAX光学设计软件对光学系统进行优化设计,在奈奎斯特频率下光学传递函数均在0.4以上,实现了在100～2000 m距离范围内都能够清晰成像的系统要求,能够获得秸秆焚烧区昼夜的监察高清图像,实现秸秆焚烧区发生火警、污染物排放等情况时,实时高效地处理突发事件并降低损失。