被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)閱

1、被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)（1）Honeywell Security 徐 浦關(guān)鍵詞：視區(qū)，探測(cè)范圍，鏡頭陣列，菲涅爾透鏡，拋物面反射鏡，遮擋片本文討論被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器（下稱探測(cè)器）的光學(xué)系統(tǒng)，介紹視區(qū)的概念，視區(qū)與焦距的關(guān)系，設(shè)置多層多組鏡頭陣列，多視區(qū)擴(kuò)展移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)范圍的原理，描述菲涅爾透鏡、反射鏡、遮擋片在被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器產(chǎn)品中的應(yīng)用。本期問答題：視區(qū)橫截面是怎樣形狀，什么是視區(qū)的最大設(shè)計(jì)距離，焦距與視區(qū)的探測(cè)范圍有怎樣的關(guān)系，探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)與普通照相機(jī)鏡頭有怎樣的區(qū)別。本期思考題：設(shè)計(jì)探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)需要考慮那些因素，菲涅爾透鏡、拋物面反射鏡、遮擋片在光學(xué)系統(tǒng)里適用的探測(cè)范圍是怎

2、樣的。被動(dòng)紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)其基本功能是將目標(biāo)的熱能輻射匯聚到熱釋電探測(cè)器表面，視區(qū)概念的建立能將入侵目標(biāo)在防護(hù)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱電器件表面的脈動(dòng)熱能變化，為信號(hào)的后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)。為了將移動(dòng)目標(biāo)從靜態(tài)熱背景下區(qū)分出來，被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器設(shè)有一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，分層結(jié)構(gòu)的多組光學(xué)透鏡或/和反射鏡，形成向下俯瞰的扇形防護(hù)區(qū)，張開扇形視角的同時(shí)，兼顧遠(yuǎn)、中、近等不同區(qū)域的目標(biāo)探測(cè)。聚乙烯菲涅爾透鏡因加工成形方便，價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于探測(cè)距離在30米以內(nèi)的探測(cè)器中，拋物面反射鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)因效率高，聚焦準(zhǔn)確，但體積較大。大尺寸的反射鏡組合常用于超過40-60米的探測(cè)器中。為了取長補(bǔ)短，菲涅爾

3、透鏡、拋物面反射鏡、遮擋片三種類型的聚焦手段經(jīng)常用于同一個(gè)探測(cè)器中，相互配合搭建出最佳的光學(xué)系統(tǒng)。1 1 1 mm2 mm圖1-1 熱釋電元件大小與排列 1、熱釋電元件的光學(xué)視區(qū)在“熱釋電傳感器的頻率響應(yīng)”一文中，我們已經(jīng)了解到，熱釋電傳感器內(nèi)封裝了兩片熱電元件，其大小及排列如圖1-1所示。為了探測(cè)紅外移動(dòng)目標(biāo)，需要將移動(dòng)目標(biāo)的熱能輻射反映到熱電元件上，這是靠特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在熱電元件近旁設(shè)置光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)由透鏡、反射鏡將現(xiàn)場(chǎng)的景物成像在熱釋電元件表面，形成紅外影像，這一過程與常見照相機(jī)在底片上成像的原理完全相同，只是被動(dòng)紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)不需要很高的成像精度，更不必考慮影像輪廓是否

4、準(zhǔn)確。 普通照相機(jī)設(shè)有一組鏡頭，在底片上的影像是唯一的。探測(cè)器設(shè)計(jì)目的不同，為了使單一熱釋電器件檢測(cè)特定范圍的移動(dòng)目標(biāo)，被動(dòng)紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)有多組鏡頭組成有序的光學(xué)陣列，陣列中各個(gè)鏡頭的光軸有不同指向，但匯聚在同一熱電元件表面，將不同方位的景物同時(shí)成像在同一熱電元件表面，即多幅紅外影像在同一熱電元件表面重疊在一起。在沒有移動(dòng)目標(biāo)的情況下，這些重疊的影像反映了現(xiàn)場(chǎng)背景的熱能輻射情況，持續(xù)的靜態(tài)熱輻射并不會(huì)引起熱電輸出。當(dāng)有移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入防范區(qū)域，就會(huì)破壞背景形成的熱電平衡，產(chǎn)生反映目標(biāo)移動(dòng)規(guī)律的熱電輸出。 下面從單一鏡頭的熱能成像開始，介紹熱電元件視區(qū)的概念，討論被動(dòng)紅外探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)視區(qū)設(shè)

5、計(jì)的基本考慮。1.1、透鏡成像 為了方便討論，這里對(duì)光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)、焦距等術(shù)語稍做回顧。圖1.1-1是焦距、焦點(diǎn)定義的圖示表述，在凸透鏡左側(cè)用一束平行光射向鏡頭，經(jīng)過凸透鏡的折射，在鏡頭右側(cè)這束平行光匯聚成一點(diǎn)，稱為焦點(diǎn)，焦點(diǎn)到鏡頭光學(xué)平面的距離稱為焦距。焦距f焦點(diǎn)圖1.1-1 平行光束的焦點(diǎn)、焦距 面對(duì)實(shí)際景物，鏡頭前方的物體都會(huì)反射或/和自身輻射（紅外）光線，即任何物體都可以看作光線輻射體，物體上的每一個(gè)點(diǎn)都可以看成是一個(gè)點(diǎn)光源，向各個(gè)方向輻射光能。點(diǎn)光源射向鏡頭的光線不再是平行光束，因此這些光束不能在鏡頭焦點(diǎn)處匯聚成點(diǎn)，而是在焦距后方某個(gè)位置上匯聚成點(diǎn)。物體的每一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光線都以同樣的

6、方式在焦距后方匯聚成點(diǎn)，如果在這些匯聚點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)平面，在平面上將形成物體的倒像，如圖1.1-2所示，這就是凸透鏡的成像原理。對(duì)于被動(dòng)紅外探測(cè)器而言，凸透鏡是將物體的紅外影像投射在熱電元件表面。紅外入侵探測(cè)器所使用的熱電元件沒有像素解析能力，并不關(guān)心熱能影像的形態(tài)與細(xì)節(jié)。熱電元件只是感受到整個(gè)元件表面有了一個(gè)熱能總量的變化。焦距f焦點(diǎn)成像距離d目標(biāo)距離D圖1.1 平行光束的焦點(diǎn)、焦距 圖1.1-2中，目標(biāo)距離D，成像距離d，焦距f三者之間存在如下的函數(shù)關(guān)系。 1/D + 1/d = 1/f(式1.1-1) 由式1.1-1看出，目標(biāo)離光學(xué)透鏡越近，成像平面離焦點(diǎn)就越遠(yuǎn)，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離透鏡，光束趨向平

7、行，成像平面越接近焦點(diǎn)。1.2、熱電元件的視區(qū) 如果用圖1-1所示的熱電元件充當(dāng)透鏡成像面，兩個(gè)熱電元件表面就會(huì)呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)景物的倒像。由于每一個(gè)熱電元件的大小只有2x1mm，經(jīng)過透鏡能夠投射到元件矩形范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)景物就局限在一個(gè)漏斗型的空間里，換言之，熱電元件只能“看”到這個(gè)漏斗形空間內(nèi)的熱能景物，我們稱這個(gè)漏斗形熱敏感空間為熱電元件的視區(qū)。雙元件熱電器件在墻裝探測(cè)器中普遍采用，配用單一凸透鏡后會(huì)形成兩個(gè)規(guī)則排列的熱敏感視區(qū)，如圖1.2-1所示。圖1.2-1 單一透鏡形成的兩個(gè)紅外視區(qū)兩片熱釋電元件凸透鏡一個(gè)視區(qū) 漏斗形視區(qū)任一橫斷面其高寬比均為2：1，漏斗張角（視角）的大小取決于鏡頭焦距的設(shè)計(jì)

8、，焦距越小，漏斗的視角越大。一般而言，希望防范較遠(yuǎn)區(qū)域的移動(dòng)目標(biāo)應(yīng)采納小視角視區(qū)，即采用較長焦距的鏡頭，反之亦然。1.3、目標(biāo)穿越視區(qū)與相應(yīng)的熱電信號(hào) 我們知道，為了抵消熱電元件參數(shù)漂移造成的不良影響，熱釋電傳感器內(nèi)的兩片熱電元件做了反極性連接，當(dāng)目標(biāo)穿越兩個(gè)視區(qū)時(shí)，熱電元件會(huì)輸出一正一反的兩個(gè)熱電信號(hào)，圖1.3-1給出了目標(biāo)穿越視區(qū)時(shí)相應(yīng)產(chǎn)生的熱電信號(hào)。圖中移動(dòng)目標(biāo)從左向右穿越第一個(gè)視區(qū)，之后進(jìn)入兩個(gè)視區(qū)的間隔，再進(jìn)入另一個(gè)視區(qū)，離開。由此形成一對(duì)正負(fù)交錯(cuò)的熱電信號(hào)。移動(dòng)目標(biāo)熱電元件透鏡熱電輸出圖1.3-1移動(dòng)目標(biāo)穿越視區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)熱電信號(hào)1.4、視區(qū)數(shù)量擴(kuò)充 單一鏡頭所能形成的視區(qū)只有兩個(gè)，

9、防范區(qū)域也限定在視區(qū)作用的范圍內(nèi)，為了獲得更大的防范區(qū)域，需要增加互不重疊的視區(qū)數(shù)目，在被動(dòng)紅外探測(cè)器中擴(kuò)充視區(qū)數(shù)量的普遍做法是設(shè)置多個(gè)鏡頭，鏡頭法線匯聚熱電元件中心，法線向外輻射，以形成等間距視區(qū)分布，如圖1.4-1所示，使用了三片鏡頭弧形排列，于是形成了六個(gè)視區(qū)，扇形分布，防范區(qū)域得以擴(kuò)充。 需要關(guān)注的是，三個(gè)鏡頭在熱電元件表面形成了三幅不同的影像，三幅影像重疊在一起，是否會(huì)影響熱電元件的正常工作。在沒有移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視區(qū)的情況下，熱電元件表面的三幅影像均為現(xiàn)場(chǎng)背景的熱輻射成像，這樣的靜態(tài)背景所產(chǎn)生熱輻射為持續(xù)不變的能量場(chǎng)，在“熱釋電傳感器的頻率響應(yīng)”一文中已有表述，對(duì)熱電器件持續(xù)不變的熱輻

10、射會(huì)使熱電器件處于熱平衡狀態(tài)，不會(huì)有熱電信號(hào)輸出。當(dāng)有移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入任何一個(gè)視區(qū)，持續(xù)的背景能量輻射受到擾動(dòng)，熱電器件接收到的熱能發(fā)生變化，原有的熱平衡狀態(tài)被打破，熱電元件產(chǎn)生熱電信號(hào)輸出。圖1.4-1三鏡頭六視區(qū)示意圖 為了獲得一個(gè)立體的防范區(qū)域，一般的被動(dòng)紅外探測(cè)器都會(huì)設(shè)計(jì)多組鏡頭構(gòu)成的陣列，在水平方向，垂直方向形成多層扇形分布的數(shù)十個(gè)視區(qū)，張成一個(gè)向下俯視的扇形防范區(qū)域。2、 區(qū)的靈敏度及有效探測(cè)范圍視區(qū)的形狀是放射狀漏斗型，移動(dòng)目標(biāo)處在視區(qū)不同位置對(duì)熱電元件的熱能輻射變化很大，不同位置會(huì)產(chǎn)生不同探測(cè)效果，目標(biāo)離探測(cè)器太遠(yuǎn)，在熱電表面成像面積太小，熱電元件不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電信號(hào)，離鏡頭太

11、近，目標(biāo)體積超越視區(qū)外廓，以至于同時(shí)占據(jù)兩個(gè)視區(qū)，也會(huì)使得熱電特征模糊，不能獲得有效的熱電信號(hào)。了解這些特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)探頭的安放高度、角度會(huì)有所幫助。2.1、視區(qū)靈敏度特征 移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視區(qū)范圍，就被成像在熱釋電元件的表面，當(dāng)目標(biāo)所成影像正好充滿一個(gè)熱電元件的整個(gè)表面時(shí)，目標(biāo)面向鏡頭的輻射能覆蓋了整個(gè)熱電器件，熱電元件有較大的熱電信號(hào)輸出。對(duì)于目標(biāo)影像完全擬合熱電元件整個(gè)矩形區(qū)域，此時(shí)目標(biāo)所處視區(qū)位置到鏡頭距離稱為最大設(shè)計(jì)距離，與此相應(yīng)的熱電信號(hào)幅度定為一個(gè)靈敏度單位，探測(cè)器生產(chǎn)過程總是調(diào)整傳感器參數(shù)使之滿足最大設(shè)計(jì)距離的要求。圖2.1-1給出了最大設(shè)計(jì)距離示意。1.00.5靈敏度探測(cè)范

12、圍最大設(shè)計(jì)距離圖2.1-1視區(qū)靈敏度范圍在圖2.1-1中，當(dāng)目標(biāo)背向傳感器方向移動(dòng)，目標(biāo)在熱電元件表面成像范圍逐步減小，傳感器的探測(cè)靈敏度會(huì)跟隨降低，靈敏度的下降按距離倍數(shù)平方的倒數(shù)規(guī)律變化，如果最大設(shè)計(jì)距離為40米，則目標(biāo)在60米處的靈敏度下降到0.44（=1/（60/40）2）。如果目標(biāo)面向傳感器方向移動(dòng)，開始靈敏度會(huì)有所提高，也滿足冪指數(shù)規(guī)律，其后靈敏度不再增加，熱電器件處于飽和狀態(tài)。這是因?yàn)槟繕?biāo)的影像已超過熱電元件的尺寸，而熱電元件表面并沒能因此獲得更多的熱輻射能量。實(shí)際應(yīng)用中靈敏度的變化情況會(huì)復(fù)雜的多，首先，人體各個(gè)部位的熱輻射狀況因著裝不同并非均勻一致，充滿熱電元件的影像未必代表真

13、實(shí)的最大設(shè)計(jì)距離。其次，背景熱輻射與目標(biāo)之間的紅外溫差有很大的變化范圍，也同樣制約了探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量分析?？紤]到各種影響因素，光學(xué)系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)會(huì)很復(fù)雜，但大體的設(shè)計(jì)思想是把握使得最大設(shè)計(jì)距離與期望的最遠(yuǎn)探測(cè)距離之比定為2/3左右，此時(shí)最遠(yuǎn)探測(cè)距離處靈敏度將下降到0.5-04。由此比例可以推算出最大設(shè)計(jì)距離，根據(jù)最大設(shè)計(jì)距離計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的焦距。為了保證熱電器件有足夠的信號(hào)輸出，要求最大設(shè)計(jì)距離處的最小信號(hào)輸出幅度不低于峰-峰值0.5mV，由此確定光學(xué)系統(tǒng)透鏡的光通亮，即鏡頭的面積，適用的光通亮可以通過實(shí)驗(yàn)的方法加以確定。圖2.2-1視區(qū)的水平布置2.2、視區(qū)的水平布置在任何一個(gè)紅外探

14、測(cè)器的說明書里都可以看到探測(cè)范圍圖，圖2.2-1就是某探測(cè)器水平探測(cè)范圍圖，可以看到這時(shí)一個(gè)90度的扇形區(qū)域，條狀陰影代表的是熱電器件的視區(qū)，圖中可以區(qū)分出22個(gè)視區(qū)，進(jìn)一步可以算出每個(gè)視區(qū)末端的寬度約0.5米，視區(qū)到視區(qū)的間隔約0.5米。扇形區(qū)域半徑9米處，視區(qū)的這兩個(gè)間隔會(huì)縮小到0.3米以下。探測(cè)半徑9米到15米的范圍是這22個(gè)防區(qū)的最佳探測(cè)范圍，首先，0.3-0.5米的間隔可以包容作為移動(dòng)目標(biāo)的兒童至成人，當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)在視區(qū)之間穿行時(shí)，可以使相應(yīng)的熱電信號(hào)有完整的起伏變化。第二，目標(biāo)穿越速度在0.3-2公里/小時(shí)范圍內(nèi)可以滿足熱電元件頻率響應(yīng)要求。2.3、視區(qū)的垂直布置為了探測(cè)到整個(gè)扇形防護(hù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)，探頭需要設(shè)置三到四層透鏡組，對(duì)于圖2.2-1的探頭，9-15米為它的遠(yuǎn)距離探測(cè)范圍，由排列在最上一層的透鏡組承擔(dān)，共計(jì)11個(gè)透鏡形成22個(gè)視區(qū)。圖2.3-1是探測(cè)范圍的側(cè)視圖，可以更清楚地看出分層透鏡防護(hù)區(qū)域的分工。紅外探測(cè)器安裝高度離地2.3米左右，探測(cè)器設(shè)有四層透鏡組，各層透鏡以不同角度向下俯視，從遠(yuǎn)倒近覆蓋不同的防范區(qū)域，遠(yuǎn)距離、中距離、近距離及下望區(qū)，各區(qū)之間相互銜接，不留探測(cè)盲區(qū)。圖2.3-1視區(qū)的垂直布置 值得注意的是中距離、近距離視區(qū)的光學(xué)設(shè)