陳 凱，孫德新，劉銀年

應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測的中波紅外相機(jī)設(shè)計(jì)

陳 凱1,2，孫德新1，劉銀年1

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

針對森林火災(zāi)監(jiān)測的迫切性及現(xiàn)實(shí)意義，對火焰紅外輻射特性進(jìn)行分析，根據(jù)火焰的光譜曲線，得出觀測火焰的適宜波段?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測的中波紅外相機(jī)，并在外場模擬森林火災(zāi)現(xiàn)場，進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，得到了紅外圖像數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明監(jiān)測效果良好。

紅外輻射；火焰光譜；中波紅外；森林火災(zāi)

0 引言

森林火災(zāi)是林業(yè)主要災(zāi)害之一，會造成嚴(yán)重的森林資源損失，甚至威脅到人類的生命安全，森林火災(zāi)監(jiān)測意義重大。當(dāng)前國內(nèi)主要的森林火災(zāi)監(jiān)測方式包括地面巡護(hù)、航空巡護(hù)、瞭望臺監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測[1]，可以看出國內(nèi)的監(jiān)測技術(shù)一般需要大量的人力和物力，觀測范圍小、效率低且受天氣狀況和地理環(huán)境的影響較大，先進(jìn)的方法比如衛(wèi)星遙感的經(jīng)濟(jì)投入又過于巨大。

紅外熱成像技術(shù)是一種被動式的非接觸檢測與識別，不受電磁干擾，能全天候工作，而且探測能力強(qiáng)作用距離遠(yuǎn)[2]。近年來探測器領(lǐng)域的前沿技術(shù)已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，基于機(jī)載平臺的紅外相機(jī)是一種極為重要的探測器手段[3]，應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)晝夜工作、擴(kuò)大觀測范圍和及時(shí)有效地探測到森林火災(zāi)或火災(zāi)隱患。

1 火焰紅外輻射特性

不同材料燃燒的火焰輻射光譜各不相同，火焰光譜是火焰在整個(gè)波段范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度的分布，它是波長的函數(shù)，其分布如圖1[4]所示，火焰輻射光譜包括紫外、可見光和紅外等波段，這些電磁輻射主要是由燃燒產(chǎn)物的分子在高溫受激狀態(tài)下釋放出來的。在波長4.4μm附近能夠清楚的觀察到火焰光譜的峰值，這是CO2原子團(tuán)的發(fā)光光譜，是火焰所特有的性質(zhì)，且該波長的輻射強(qiáng)度很大，因此可以將火焰從太陽光的輻射光譜中分離。

圖1 火焰輻射光譜圖

根據(jù)普朗克輻射定律：

式中：1為第一輻射常數(shù)，1＝2p2＝3.7415×104W×cm－2×mm4；2為第二輻射常數(shù)，2＝/＝1.43879×104mm×K。

圖2給出500～900K幾個(gè)特定溫度下黑體輻射的光譜通量密度曲線[5]，可以看出隨著黑體溫度增加，光譜輻射通量密度迅速增加，峰值波長向短波方向移動，即高溫物體輻射的峰值波長較短。

圖2 不同溫度下黑體光譜輻射通量密度

木材燃燒時(shí)火焰溫度一般為600～800℃，根據(jù)維恩位移定律：

m＝2897.8mm×K (2)

式中：m為黑體光譜輻射通量密度最大的峰值波長；為黑體的絕對溫度。

可以得出木材燃燒火焰的輻射峰值波長在3.62～4.83mm。根據(jù)以上分析可知，以4.4mm為中心的中波紅外波段是探測森林火災(zāi)的重要波段。目前用于森林火災(zāi)監(jiān)測的主要是長波紅外，其實(shí)中波紅外和長波紅外譜段成像各有特點(diǎn)[6]，本文將在森林火災(zāi)監(jiān)測方面進(jìn)行兩者成像效果對比。

2 中波紅外相機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 組成部分

中波紅外相機(jī)由光學(xué)鏡頭、探測器及其驅(qū)動模塊、信號調(diào)理及濾波模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、邏輯時(shí)序控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸及通信模塊組成，圖3為相機(jī)組成框圖。

光學(xué)鏡頭將目標(biāo)紅外輻射聚焦到探測器的焦平面陣列上實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；探測器及其驅(qū)動模塊為探測器正常工作提供必要的偏置電壓與時(shí)序脈沖；信號調(diào)理及濾波模塊對探測器輸出信號進(jìn)行幅度調(diào)整和低通濾波；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對調(diào)理后的模擬信號進(jìn)行采樣和量化，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；邏輯時(shí)序控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，完成所有的時(shí)序控制，包括探測器驅(qū)動、模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣、RS422通信以及圖像數(shù)據(jù)接收與格式編排；數(shù)據(jù)傳輸及通信模塊對格式編排后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸以及完成與FPGA的通信。

圖3 中波紅外相機(jī)原理框圖

2.2 光學(xué)鏡頭

光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)采用三分離式結(jié)構(gòu)，由于Si和Ge是中波紅外波段消色差效果最好的材料組合，為追求優(yōu)良的像質(zhì)效果，透鏡材料選用Si-Ge-Si搭配，鏡筒材料選用膨脹系數(shù)較小的銦鋼，通過透鏡材料與鏡筒材料的搭配實(shí)現(xiàn)消熱差和消色差。

同時(shí)，針對制冷型探測器的中波紅外成像系統(tǒng)及三分離式物鏡結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用直接將孔徑光闌設(shè)計(jì)在冷屏位置的方法，以實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率，達(dá)到抑制背景輻射雜光的要求，物鏡光路設(shè)計(jì)如圖4所示。

最后，為進(jìn)一步消除紅外相機(jī)雜散光，鏡頭增加遮光罩，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)壁涂有低發(fā)射高吸收涂層進(jìn)行雜光抑制。該光學(xué)系統(tǒng)具有100%冷光欄效率和消色差消熱差的優(yōu)點(diǎn)，成像質(zhì)量很高。

圖4 中紅外物鏡光路圖

2.3 探測器及其驅(qū)動模塊

采用法國Sofradir公司320×256制冷型中波紅外焦平面探測器，響應(yīng)波段3.5～5.0mm，像元大小30mm×30mm。

探測器驅(qū)動包括2個(gè)部分：偏置電壓和時(shí)序脈沖，根據(jù)Sofradir公司數(shù)據(jù)手冊給出的參數(shù)[7]，探測器正常工作需要3種電壓，如表2所示。

表2 探測器偏壓

為滿足探測器偏壓需求，設(shè)計(jì)中采用高精度、低壓差、5V輸出的線性穩(wěn)壓芯片LP2953提供，并進(jìn)行濾波，其中Gpol經(jīng)電阻分壓后通過運(yùn)放的電壓跟隨獲得。

探測器工作需要2個(gè)脈沖信號，主時(shí)鐘MC和積分信號INT，MC范圍為1～6.6MHz，可以控制像元讀出速率，積分信號INT控制探測器積分時(shí)間的長短，這2種脈沖信號均通過邏輯時(shí)序控制模塊提供。

2.4 信號調(diào)理及濾波模塊

探測器有四路輸出OUT1/2/3/4，每路輸出的模擬電壓范圍為1.9～4.35V，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要對信號進(jìn)行幅度調(diào)整和濾波降噪，圖5為信號調(diào)理及濾波模塊。

先采用減法電路減去背景參考電壓1.87V，再經(jīng)過濾波電路進(jìn)行濾波，本設(shè)計(jì)中濾波電路采用二階低通濾波，Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通帶增益為2，調(diào)理及濾波后信號范圍為60mV～4.96V，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓為0～5V，這樣充分利用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大動態(tài)范圍，同時(shí)基于小型化設(shè)計(jì)思想，該模塊中的運(yùn)放均采用單電源供電、軌對軌、四通道的高速運(yùn)放AD8044，有效地減小硬件電路尺寸。

圖5 信號調(diào)理及濾波模塊

通常，低通濾波電路帶寬為信號帶寬3～5倍，對于4MHz信號，一般采用20MHz的帶寬，為進(jìn)一步降低電路系統(tǒng)噪聲，本設(shè)計(jì)的低通濾波帶寬僅為6MHz，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣位置選在信號下降沿前，這樣既能獲取信號幅值，又能大幅降低噪聲。原理仿真見圖6，輸入信號范圍3～4V，減去背景信號1.9V，濾波電路放大倍數(shù)為2，即輸出幅值為2.2～4.2V。

圖6 信號濾波仿真

圖7為噪聲功率譜密度曲線，可以看出進(jìn)一步降低通帶帶寬可以減小系統(tǒng)噪聲。對于12bit量化系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲低于5個(gè)DN值（digit number）。

2.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

為適應(yīng)探測器讀出速率范圍1～6.6MHz，本設(shè)計(jì)采用12bit量化位數(shù)、10MSPS采樣率的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220，輸入電壓范圍為0～5V，并行數(shù)據(jù)輸出。

采樣時(shí)鐘的上升沿對模擬信號進(jìn)行采樣，為保證最佳的采樣位置，通過示波器觀察模擬信號與采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系，利用邏輯時(shí)序控制模塊對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘進(jìn)行相位調(diào)整。

2.6 邏輯時(shí)序控制模塊

邏輯時(shí)序控制模塊是系統(tǒng)核心部分，采用FPGA完成探測器驅(qū)動時(shí)序產(chǎn)生、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘設(shè)置、圖像數(shù)據(jù)接收、圖像格式編排、圖像數(shù)據(jù)發(fā)送以及RS422通信指令接收，圖8為邏輯時(shí)序控制模塊。

圖7 噪聲功率譜

使用硬件描述語言Verilog完成程序編寫及相關(guān)的時(shí)序仿真與驗(yàn)證工作。

圖8 邏輯時(shí)序控制模塊

2.7 數(shù)據(jù)傳輸及通信模塊

紅外圖像數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)速率2.7Gpbs的并串轉(zhuǎn)換芯片TLK2711及同軸電纜完成高速、大數(shù)據(jù)量的串行傳輸。在PCB布局布線時(shí)，數(shù)傳芯片的并行高速數(shù)據(jù)總線需要進(jìn)行等長處理，同時(shí)串行輸入輸出端保證50W電阻端接匹配。

通信模塊采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FPGA之間的通信，主要功能是發(fā)送8bit的積分時(shí)間調(diào)整指令，即0X00-0XFF，共256檔，實(shí)時(shí)選擇探測器的積分時(shí)間。積分時(shí)間范圍：0.05～5.44ms。

圖9為探測器讀出時(shí)序，根據(jù)時(shí)序圖可以得出相機(jī)幀頻計(jì)算公式：

式中：MC為系統(tǒng)主時(shí)鐘；INT為積分時(shí)間。

在MC為6.6MHz時(shí)，幀頻與積分時(shí)間關(guān)系見表3。由表3可見該中波相機(jī)幀頻可達(dá)300Hz以上，能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合的需求。

圖9 中波紅外探測器讀出時(shí)序

表3 不同積分時(shí)間下的相機(jī)幀頻

由于制冷型探測器相對于非制冷型體積較大，設(shè)計(jì)中通過優(yōu)化布局減小電路板與機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，使得相機(jī)整體緊湊且小型化。圖10為所設(shè)計(jì)的中波紅外相機(jī)實(shí)物圖，表4為相機(jī)的主要性能指標(biāo)，含體積重量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證相機(jī)的火災(zāi)監(jiān)測效果，在內(nèi)蒙古根河地區(qū)農(nóng)田點(diǎn)燃收割后的麥稈來模擬森林火災(zāi)現(xiàn)場，并在直升機(jī)上同時(shí)使用可見光、中波紅外和長波紅外相機(jī)對地成像。

圖10 中波紅外相機(jī)實(shí)物圖

表4 相機(jī)主要性能指標(biāo)

圖11(a)～(c)分別為可見光、中波紅外和長波紅外相機(jī)獲取的圖像。

通過對比分析3幅圖像，可以發(fā)現(xiàn)：

1）在沒有明火時(shí)，中波和長波紅外相機(jī)均能發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生的火災(zāi)，可見光相機(jī)不能。

2）與長波紅外相比，中波紅外對森林火災(zāi)木制材料燃燒的熱輻射更為敏感且響應(yīng)強(qiáng)烈。長波紅外能探測到的火焰，在中波紅外上更為明顯；長波紅外探測不到的火焰，在中波紅外上能夠發(fā)現(xiàn)。

這與前文光譜特征分析得出的探測中心波長結(jié)果相吻合，并在此得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

通過對木制材料燃燒的光譜特征進(jìn)行理論分析得出最佳探測中心波長為3.62～4.83mm，并依此選擇中波紅外波段，設(shè)計(jì)一套中波紅外相機(jī)用于森林火災(zāi)監(jiān)測。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)，進(jìn)行了外場火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，中波紅外圖像上火焰清晰可辨，達(dá)到預(yù)期的森林火災(zāi)監(jiān)測目的。

更為重要的是，與森林火災(zāi)探測通常采用的長波紅外相比，中波紅外對木制材料燃燒熱輻射的探測能力更為突出、響應(yīng)更為強(qiáng)烈，能發(fā)現(xiàn)長波紅外探測不到的火災(zāi)或高溫隱患，實(shí)際效果優(yōu)于長波紅外，這對森林火災(zāi)的監(jiān)測或預(yù)防意義重大。同時(shí)，相機(jī)設(shè)計(jì)具備體積小、重量輕、高幀頻等特點(diǎn)。所以，今后基于無人機(jī)平臺的中波紅外相機(jī)將成為森林巡護(hù)、火災(zāi)監(jiān)測的重要發(fā)展方向。

圖11 火焰圖像

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Design of MWIR Camera Applied to Forest Fire Monitoring

CHEN Kai1,2，SUN Dexin1，LIU Yinnian1

(1.,,200083,;2.,100049,)

For urgency and significance of forest fire monitoring,infrared radiation characteristics of flame was theoretically analyzed and appropriate observation wave band was found based on the spectral curve of the flame.According to the above results, a set of MWIR camera used in forest fire monitoring was designed. Infrared image data was obtained by experiments under the condition of simulating forest fire spot in the outfield. The experimental results demonstrated the camera's excellent performance.

infrared radiation，flame spectrum，MWIR，forest fire

TN216

A

1001-8891(2016)06-0514-05

2015-12-17；

2016-01-05.

陳凱（1989-），男，江蘇句容人，博士研究生，研究方向?yàn)楦吖庾V成像信息獲取與處理技術(shù)。E-mail：chenkai891219@sina.com。

劉銀年（1971-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦吖庾V成像技術(shù)。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

國家863計(jì)劃（2014AA123202）。