應用于森林火災監(jiān)測的中波紅外相機設計

陳 凱，孫德新，劉銀年

應用于森林火災監(jiān)測的中波紅外相機設計

陳 凱1,2，孫德新1，劉銀年1

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

針對森林火災監(jiān)測的迫切性及現(xiàn)實意義，對火焰紅外輻射特性進行分析，根據(jù)火焰的光譜曲線，得出觀測火焰的適宜波段。基于以上分析結果，設計了一套應用于森林火災監(jiān)測的中波紅外相機，并在外場模擬森林火災現(xiàn)場，進行成像實驗，得到了紅外圖像數(shù)據(jù)，實驗結果表明監(jiān)測效果良好。

紅外輻射；火焰光譜；中波紅外；森林火災

0 引言

森林火災是林業(yè)主要災害之一，會造成嚴重的森林資源損失，甚至威脅到人類的生命安全，森林火災監(jiān)測意義重大。當前國內主要的森林火災監(jiān)測方式包括地面巡護、航空巡護、瞭望臺監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測[1]，可以看出國內的監(jiān)測技術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，先進的方法比如衛(wèi)星遙感的經濟投入又過于巨大。

紅外熱成像技術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，而且探測能力強作用距離遠[2]。近年來探測器領域的前沿技術已經有了長足的進步，基于機載平臺的紅外相機是一種極為重要的探測器手段[3]，應用于森林火災監(jiān)測可以實現(xiàn)晝夜工作、擴大觀測范圍和及時有效地探測到森林火災或火災隱患。

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波段范圍內的輻射強度的分布，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原子團的發(fā)光光譜，是火焰所特有的性質，且該波長的輻射強度很大，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的重要波段。目前用于森林火災監(jiān)測的主要是長波紅外，其實中波紅外和長波紅外譜段成像各有特點[6]，本文將在森林火災監(jiān)測方面進行兩者成像效果對比。

2 中波紅外相機設計

2.1 組成部分

中波紅外相機由光學鏡頭、探測器及其驅動模塊、信號調理及濾波模塊、數(shù)模轉換模塊、邏輯時序控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸及通信模塊組成，圖3為相機組成框圖。

光學鏡頭將目標紅外輻射聚焦到探測器的焦平面陣列上實現(xiàn)光電轉換；探測器及其驅動模塊為探測器正常工作提供必要的偏置電壓與時序脈沖；信號調理及濾波模塊對探測器輸出信號進行幅度調整和低通濾波；數(shù)模轉換模塊對調理后的模擬信號進行采樣和量化，將其轉換成數(shù)字信號；邏輯時序控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，完成所有的時序控制，包括探測器驅動、模數(shù)轉換采樣、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)進行傳輸以及完成與FPGA的通信。

圖3 中波紅外相機原理框圖

2.2 光學鏡頭

光學系統(tǒng)指標如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)指標

光學系統(tǒng)采用三分離式結構，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現(xiàn)消熱差和消色差。

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

最后，為進一步消除紅外相機雜散光，鏡頭增加遮光罩，同時機械結構內壁涂有低發(fā)射高吸收涂層進行雜光抑制。該光學系統(tǒng)具有100%冷光欄效率和消色差消熱差的優(yōu)點，成像質量很高。

圖4 中紅外物鏡光路圖

2.3 探測器及其驅動模塊

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

探測器驅動包括2個部分：偏置電壓和時序脈沖，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，設計中采用高精度、低壓差、5V輸出的線性穩(wěn)壓芯片LP2953提供，并進行濾波，其中Gpol經電阻分壓后通過運放的電壓跟隨獲得。

探測器工作需要2個脈沖信號，主時鐘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控制探測器積分時間的長短，這2種脈沖信號均通過邏輯時序控制模塊提供。

2.4 信號調理及濾波模塊

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)轉換前需要對信號進行幅度調整和濾波降噪，圖5為信號調理及濾波模塊。

先采用減法電路減去背景參考電壓1.87V，再經過濾波電路進行濾波，本設計中濾波電路采用二階低通濾波，Sallen-Key拓撲結構，通帶增益為2，調理及濾波后信號范圍為60mV～4.96V，模數(shù)轉換芯片的輸入電壓為0～5V，這樣充分利用了模數(shù)轉換器的最大動態(tài)范圍，同時基于小型化設計思想，該模塊中的運放均采用單電源供電、軌對軌、四通道的高速運放AD8044，有效地減小硬件電路尺寸。

圖5 信號調理及濾波模塊

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，為進一步降低電路系統(tǒng)噪聲，本設計的低通濾波帶寬僅為6MHz，將模數(shù)轉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DN值（digit number）。

2.5 數(shù)模轉換模塊

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

采樣時鐘的上升沿對模擬信號進行采樣，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鐘的相位關系，利用邏輯時序控制模塊對模數(shù)轉換器的采樣時鐘進行相位調整。

2.6 邏輯時序控制模塊

邏輯時序控制模塊是系統(tǒng)核心部分，采用FPGA完成探測器驅動時序產生、模數(shù)轉換器采樣時鐘設置、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的時序仿真與驗證工作。

圖8 邏輯時序控制模塊

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，數(shù)傳芯片的并行高速數(shù)據(jù)總線需要進行等長處理，同時串行輸入輸出端保證50W電阻端接匹配。

通信模塊采用RS-422標準，實現(xiàn)上位機與FPGA之間的通信，主要功能是發(fā)送8bit的積分時間調整指令，即0X00-0XFF，共256檔，實時選擇探測器的積分時間。積分時間范圍：0.05～5.44ms。

圖9為探測器讀出時序，根據(jù)時序圖可以得出相機幀頻計算公式：

式中：MC為系統(tǒng)主時鐘；INT為積分時間。

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

圖9 中波紅外探測器讀出時序

表3 不同積分時間下的相機幀頻

由于制冷型探測器相對于非制冷型體積較大，設計中通過優(yōu)化布局減小電路板與機械結構尺寸，使得相機整體緊湊且小型化。圖10為所設計的中波紅外相機實物圖，表4為相機的主要性能指標，含體積重量。

3 實驗結果及分析

為驗證相機的火災監(jiān)測效果，在內蒙古根河地區(qū)農田點燃收割后的麥稈來模擬森林火災現(xiàn)場，并在直升機上同時使用可見光、中波紅外和長波紅外相機對地成像。

圖10 中波紅外相機實物圖

表4 相機主要性能指標

圖11(a)～(c)分別為可見光、中波紅外和長波紅外相機獲取的圖像。

通過對比分析3幅圖像，可以發(fā)現(xiàn)：

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

2）與長波紅外相比，中波紅外對森林火災木制材料燃燒的熱輻射更為敏感且響應強烈。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果相吻合，并在此得到驗證。

4 結論

通過對木制材料燃燒的光譜特征進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，設計一套中波紅外相機用于森林火災監(jiān)測。為驗證設計，進行了外場火災模擬實驗，實驗結果顯示，中波紅外圖像上火焰清晰可辨，達到預期的森林火災監(jiān)測目的。

更為重要的是，與森林火災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、響應更為強烈，能發(fā)現(xiàn)長波紅外探測不到的火災或高溫隱患，實際效果優(yōu)于長波紅外，這對森林火災的監(jiān)測或預防意義重大。同時，相機設計具備體積小、重量輕、高幀頻等特點。所以，今后基于無人機平臺的中波紅外相機將成為森林巡護、火災監(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，研究方向為高光譜成像信息獲取與處理技術。E-mail：chenkai891219@sina.com。

劉銀年（1971-），男，研究員，博士生導師，研究方向為高光譜成像技術。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

國家863計劃（2014AA123202）。