被动红外入侵探测器的光学系统[原创]

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被动红外入侵探测器的光学系统--------------------------------------------------------------------------------　　被动红外探测器光学系统其基本功能是将目标的热能辐射汇聚到热释电探测器表面,视区概念的建立能将入侵目标在防护区域内的移动转化为热电器件表面的脉动热能变化,为信号的后续处理奠定基础。为了将移动目标从静态热背景下区分出来，被动红外入侵探测器设有一个复杂的光学系统，分层结构的多组光学透镜和反射镜，分层结构的多组光学透镜和反射镜，形成向下俯瞰的扇形防护区，张开扇形视角的同时，兼顾远、中、近等不同区域的目标探测。 　　　　热释电元件的光学视区 　　热释电传感器内封装了两片热电元件，其大小及排列如图1所示。为了探测红外移动目标，需要将移动力目标的热能辐射反映到热电元件上，这是靠特殊设计的光学系统，经由透镜、反射镜将现场的景物成像在热释电元件表面，形成红外影像，这一过程与常见照相机在底片上成像的原理完全相同，只是被动红外探测器的光学系统不需要很高的成像精度，更不必考虑影像轮廊是否准确。 　　普通照相机设有一组镜头，在底片上的影像是唯一的。探测器设计目的不同，为了使单一热释电器件检测特定范围的移动目标，被动红外探测器的光学系统设有多组镜头组成有序的光学陈列，陈列中各个镜头的光轴有不同指向，但汇聚在现一热电元件表面，将不同方位的景物同时成像在同一热电元件表面重叠在一起。在没有移动目标的情况下，这些重叠的影像反映了现场背景的热能辐射情况，持续的静态热辐射并不会引起热电输出。当有移动目标进入防范区域，就会破坏背景形成的热电平衡，产生反映目标移动规律的热电输出。 　　下面从单一镜头的热能成像开始，介绍热电元件视区的概念，讨论被动红外探测器光学系统视区设计的基本考虑。 　　透镜成像 　　为了方便讨论，这里对光学透镜子焦点，焦距等术语稍做回顾。图2是焦距、焦点定义的图示表述，在凸透镜左侧用一束平行光射向向镜头，经过凸透镜的折射，在镜头右侧这束平行光汇聚成一点，称为焦点，焦点到镜头光学平面的距离称为焦距。 　　面对实际景物，镜头前方的物体都会反射和自身辐射（红外）光线，即任何物体的每一个点都可以看成是一个点光源，向各个方向辐射光能。点光源射向镜头的光线不再是平行光束，因此这些光束不能在镜头焦点处汇聚成点。物体的每一个点发出的光线都以同样的方式在焦距后方汇聚成噗，如果在这些汇聚点处设置一个平面，在平面上将形成物体的倒像，如图3所示，这就是凸透镜的成像原理。对于被动红外探测器而言，凸透镜是将物体的红外影像投射在热电元件没有像素解析能力，并不关心热能影像的形态与细节。热电元件只是感受到整个元件表面有了一个热能总量的变化。 　　图3中，目标距离D，成像距离d，焦距f三者之间存在如下的函数关系：1/D + 1/d = 1/f,目标离光学透镜越近，成像平面离焦点就越远，当目标远离透镜，光束趋向平行，成像平面越接近焦点。 　　热电元件的视区 　　如果用图1所示的热电元件充当透镜成像面，两个热电无件表面就会呈现现场景物的倒像。由于每一个热电元件的大小只有2×1mm，经过透镜能够投射到元件矩形范围内的现场景物就局限在一个漏斗型的空间里，换言之，热电元件只有“看”到这个漏斗形空间内的热能景物，我们称这个漏斗形热敏感空间为热电元件的视区。双元件热电器件在墙装探测器中普遍采用，配用单一凸透镜后会形成两个规则排列的热敏感视区，如图4所示。 　　漏斗形视区任一横断面其高宽比均为2：1，漏斗张角（视角）的大小取决于镜头焦距的设计，焦距越小，漏斗的视角越大。一般而言，希望防范较远区域的移动目标应纳小视角视区，即采用较长焦距的镜头，反之亦然。 　　目标穿越视区与相应的热电信号 　　我们知道，为了抵消热电元件参数漂移造成的不良影响，热释电传感器内的两片热电元件做了反极性连接，当目标穿越两个视区时，热电元件会输出一正一反的两个热电信号，图5给出了目标穿越视区时相应产生的热电信号。图中移动目标从左向右穿越第一个视区，之后进入另一个视区，离开。由此形成一对正负交错的热电信号。 　　视区数量扩充 　　单一镜头所能形成的的视区只有两个，防范区域也在视区作用于的范围内,为了获得更大的防范区域,需要增加不重叠的视区数目,在被动红外探测器中扩充视区数量的普遍做法是设置多个镜头,镜头法线汇聚热电元件中心,法线向外辐射,以形成等间距视区分布,如图6所示,使用了三片镜头弧形排列,于是形成了六个视区,扇形分布,防范区域得以扩充。 　　需要关注的是三个镜头在热电元件表面形成了三幅不同的影像,三幅影像重叠在一起,是否会影响热电元件的正常工作。在没有移动目标进入视区的情况下，热电元件表面的三幅影像均为现场背景的热辐射成像，这样的静态背景所产生热辐射为持续不变的能量