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主動(dòng)紅外監(jiān)控?cái)z像機(jī)照明技術(shù)研究

2014年09月29日 19:25$artinfo.Reprint點(diǎn)擊量:2615

  主動(dòng)紅外監(jiān)控是安防監(jiān)控的重要手段,目前市場(chǎng)上的主動(dòng)紅外攝像機(jī)主要有LED紅外和激光紅外兩類。LED紅外受光強(qiáng)度和技術(shù)水平限制,很難實(shí)現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控,也很難實(shí)現(xiàn)50m以上的清晰照明;近年來(lái),國(guó)內(nèi)激光紅外技術(shù)飛速發(fā)展,監(jiān)控距離和照明亮度都遠(yuǎn)超過(guò)LED紅外燈,且性能*。本文結(jié)合浪潮華光研究經(jīng)驗(yàn),對(duì)國(guó)內(nèi)激光夜視的研究情況進(jìn)行了總結(jié),介紹了激光紅外監(jiān)控的系統(tǒng)組成和激光紅外技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀,為客戶及工程商選擇合適的紅外監(jiān)控設(shè)備提供借鑒。
  
  1.引言
  
  夜視監(jiān)控是指攝像機(jī)在夜晚或低照度的環(huán)境下呈現(xiàn)較為清晰的目標(biāo)畫(huà)面,該技術(shù)借助于光電成像器件實(shí)現(xiàn)夜間對(duì)目標(biāo)的監(jiān)控觀察[1]。夜視技術(shù)主要分為主動(dòng)紅外技術(shù)、被動(dòng)紅外技術(shù)、微光夜視技術(shù),其中,在民用領(lǐng)域應(yīng)用zui廣泛的當(dāng)屬主動(dòng)紅外夜視技術(shù)。主動(dòng)紅外技術(shù)自上世紀(jì)60年代由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)以來(lái),技術(shù)水平經(jīng)歷了飛速發(fā)展,由光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%的紅外燈泡,到現(xiàn)在發(fā)光效率高達(dá)60%以上的激光紅外照明模組。現(xiàn)今主動(dòng)紅外夜視領(lǐng)域主要包括LED紅外技術(shù)及激光紅外技術(shù)。LED紅外技術(shù)主要是使用850nm附近波長(zhǎng)的LED紅外燈作為監(jiān)控?cái)z像機(jī)的照明光源,發(fā)光效率zui高在30%左右;激光紅外技術(shù)主要是使用810nm、860nm、940nm等波長(zhǎng)的激光器作為監(jiān)控?cái)z像機(jī)的照明光源。
  
  LED紅外技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,目前統(tǒng)治著民用安防照明市場(chǎng)。但由于LED紅外技術(shù)的局限性和LED發(fā)光效率的限制,不能實(shí)現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控,且50m以上成像不夠清晰。這些問(wèn)題都需要激光夜視技術(shù)的推廣來(lái)解決。
  
  近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)激光紅外技術(shù)研發(fā)速度的不斷加快和推廣力度的不斷加強(qiáng),運(yùn)用激光紅外照明技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)幾十米甚至幾公里的監(jiān)控要求。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)激光夜視近年來(lái)在照明距離、光源壽命、鏡頭搭配等領(lǐng)域的發(fā)展成果。
  
  2.激光夜視監(jiān)控的系統(tǒng)組成
  
  激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)主要由激光照明模組、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、機(jī)械線路及顯示部分組成。
  
  2.1激光照明模組
  
  激光照明模組是激光夜視的照明部件,半導(dǎo)體激光具有功率高、準(zhǔn)直性好的優(yōu)勢(shì),所以激光照明距離遠(yuǎn),可以輕松實(shí)現(xiàn)100米至幾公里的夜視監(jiān)控照明。激光照明模組使用半導(dǎo)體激光器,但大功率半導(dǎo)體激光器常采用寬條形結(jié)構(gòu),存在光束發(fā)散角大、光強(qiáng)分布不對(duì)稱的問(wèn)題[2],所以半導(dǎo)體激光器需要經(jīng)過(guò)光斑勻化。

  
圖1為浪潮華光激光器經(jīng)過(guò)勻化技術(shù)后的激光光斑。
  
  光斑勻化后,還需要使用光學(xué)擴(kuò)束鏡配合來(lái)實(shí)現(xiàn)激光照明。對(duì)于不同的環(huán)境要求,可以實(shí)現(xiàn)定焦照明和變焦照明。我公司激光器可實(shí)現(xiàn)30m、50m、100m等不同距離的定焦照明,也可實(shí)現(xiàn)從20m到200m或更遠(yuǎn)距離的變焦照明。
  
  2.2激光夜視攝像機(jī)選擇
  
  攝像機(jī)使用的光敏元件主要有兩種:CCD(ChargeCoupledDevice電荷耦合元件)、CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體元件)。兩種光敏元件都有較寬的感應(yīng)光譜,圖2為Si基CMOS的感應(yīng)光譜圖,圖3為黑白CCD的感應(yīng)光譜。可以看出兩種光敏器件在近紅外區(qū)域,光敏強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)增加而降低。現(xiàn)今民用激光照明光源波長(zhǎng)一般是810nm,LED紅外波長(zhǎng)為850nm,也就是說(shuō)相同光強(qiáng)度下,合適的攝像機(jī)對(duì)于激光波長(zhǎng)的感應(yīng)更敏感,成像更清晰。

  
  為保證成像質(zhì)量,避免紅外光與可見(jiàn)光的相互干擾,攝像機(jī)的光敏元件前一般有濾光片,在選擇激光夜視攝像機(jī)時(shí),其中的濾光片必須能透過(guò)810nm波長(zhǎng)附近的光。
  
  3.激光夜視的優(yōu)勢(shì)及國(guó)內(nèi)研究情況
  
  3.1照明距離遠(yuǎn)
  
  激光器件光功率高光束發(fā)散性小,有利于進(jìn)行激光光束整形,可以實(shí)現(xiàn)比LED點(diǎn)陣和LED陣列更遠(yuǎn)距離的夜視照明。一般情況下,激光夜視監(jiān)控的作用距離與激光發(fā)射功率、照明角度、大氣環(huán)境、目標(biāo)反射率、成像系統(tǒng)特性等都有直接關(guān)系:
  
  其中,Ed為感光元件成像的照度閾值,P為無(wú)其他光情況的激光功率,R為照明距離,θ為照明角度,ε為照明系統(tǒng)透過(guò)率,ρ為目標(biāo)漫反射系數(shù),μ為大氣衰減系數(shù),τ為成像系統(tǒng)透過(guò)率,D為成像系統(tǒng)透光孔徑,f為成像系統(tǒng)焦距。
  
  例如,使用我公司激光器設(shè)計(jì)的激光高速球,200米時(shí)發(fā)光角度如設(shè)定為0.07rad。估算條件如下:發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率跟所使用的玻璃元件數(shù)、有沒(méi)有鍍?cè)鐾改は嚓P(guān),光學(xué)鍍膜處理后,可在0.9左右。取ε=0.9,τ=0.9。SONY攝像機(jī)F值為3.0,標(biāo)稱CCDzui低照度0.01Lux,信噪比大于50,照度閾值小于0.0002.有資料稱白紙的漫反射系數(shù)為0.75左右,清空下空氣衰減系數(shù)取0.0002/m。經(jīng)計(jì)算,要看清楚200m處的白色紙板,激光器功率應(yīng)在2W以上。綜合考慮不同環(huán)境下的空氣衰減,我們使用4W激光器,來(lái)滿足各種應(yīng)用環(huán)境要求
  
  目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的云臺(tái)式的激光監(jiān)控設(shè)備,使用激光照明器出光功率超過(guò)15W,夜間監(jiān)控距離可以達(dá)到3-5公里。
  
  3.2激光器壽命長(zhǎng)
  
  半導(dǎo)體激光器光電轉(zhuǎn)換效率在60%以上,產(chǎn)生熱量不足總功率的40%,另外金屬熱沉熱導(dǎo)率高,同時(shí)配合溫控電路,可以保證激光器工作溫度不超過(guò)50攝氏度。但LED的光電轉(zhuǎn)換效率zui高在25%左右,有75%以上的電功率轉(zhuǎn)換為熱量。半導(dǎo)體器件的壽命與溫度密切相關(guān),光電子器件的壽命經(jīng)驗(yàn)公式:

  
  L(T)為溫度為T(mén)時(shí)器件壽命,Ea為激活能,K為玻爾茲曼常數(shù),A為常數(shù)[4]。由該式可知,溫度越高壽命越短,所以半導(dǎo)體激光器壽命可遠(yuǎn)大于LED紅外燈。
  
  另外,研究發(fā)現(xiàn),半導(dǎo)體激光器失效主要是早期失效和后期壽命終結(jié)失效,中期失效出現(xiàn)的幾率微小。半導(dǎo)體激光器經(jīng)過(guò)老化后,基本排除了早期失效產(chǎn)品,保證了激光紅外燈有足夠長(zhǎng)的使用壽命。
  
  下圖為5組浪潮華光生產(chǎn)的2W半導(dǎo)體激光器老化的光衰情況,老化電流為3A.可以看出激光器在老化1000h后,光功率基本穩(wěn)定。

  
圖5半導(dǎo)體激光器大電流老化光衰情況
  
  半導(dǎo)體激光器主要由激活區(qū)電子-空穴對(duì)的*躍遷和腔面高功率密度引起,大電流、高溫、高濕環(huán)境都會(huì)降低激光器的使用壽命,另外,電浪涌和靜電都會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器失效[4]。我們生產(chǎn)的激光照明模組具備*的封裝形式和電路設(shè)計(jì),提高了產(chǎn)品抗高溫、抗高濕、抗靜電的能力,減小了器件的失效幾率,理論壽命在30000h以上。
  
  3.3同步變焦技術(shù)
  
  激光夜視儀同步變焦技術(shù)是激光器光束角度隨攝像機(jī)拍攝距離的變化而同步變化,保證拍攝區(qū)域被有效照亮的技術(shù)。國(guó)內(nèi)一些激光夜視儀生產(chǎn)商聲稱自己產(chǎn)品具備同步變焦技術(shù),但是效果參差不齊,許多產(chǎn)品存在手電筒效應(yīng)或光束利用不充分的問(wèn)題,影響了監(jiān)控效果。我們利用*的機(jī)電控制手段,使產(chǎn)品具備了變焦激光燈與一體機(jī)同步變焦并帶有斷電記憶功能,有效解決暗角、手電筒和照明不清晰現(xiàn)象。
  
  4.結(jié)論
  
  作為主動(dòng)紅外新技術(shù),激光紅外技術(shù)已經(jīng)成熟,并且比LED紅外技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯:拍攝畫(huà)面更清晰、監(jiān)控范圍更廣、使用壽命更長(zhǎng)、更節(jié)能、性價(jià)比更高。現(xiàn)階段,民用市場(chǎng)還主要被LED紅外燈占據(jù),激光紅外目前僅應(yīng)用于特殊領(lǐng)域。激光夜視以其的性能優(yōu)勢(shì),必將在民用領(lǐng)域取得大規(guī)模應(yīng)用。
  
  浪潮華光正在為激光夜視的推廣普及拼搏努力。“觸銳”系列激光照明產(chǎn)品將以的性能和較高的性價(jià)比,改變紅外監(jiān)控市場(chǎng)的格局。
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