[发明专利]大视场凝视型红外成像森林防火预警系统

说明书

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3-5μm，自然景物的红外辐射波段在8-14μm，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′＝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′＝fθ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。

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匀性问题。

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。