引領安防行業新方向紅外夜視技術解析

2012-08-23 16:38:48

來源：永泰安防網

摘要： 文/保千里如今，安防行業的發展已經關系到了千家萬戶甚至我們國家和諧社會的建設，良好的視頻監控質量是關鍵。白天，憑借優質的攝像機很

文/保千里

如今，安防行業的發展已經關系到了千家萬戶甚至我們國家和諧社會的建設，良好的視頻監控質量是關鍵。白天，憑借優質的攝像機很容易得到優質的圖像，但夜幕降臨光線變暗，監視屏幕全是噪點，根本沒有有效的圖像。一直以來，為了在較暗的環境下起到一定的監控效果，攝像機生產商及其上游CCD/CMOS供應商下足了功夫去解決產品的低照度問題，目的旨在追逐那模糊的身影。時至今日，攝像機的低照度指標都是安防攝像機的重要指標之一。大約從2002年起，中國安防人大膽將紅外補光技術應用于安防行業，取得了更高的監控水準，紅外夜視技術正引領安防行業朝更新的方向前進！

紅外夜視技術的起源和分類

關于紅外夜視技術的起源，要追溯到上世紀20年代。1929年L. R. Koller發明了對近紅外光靈敏的Ag-O-Cs光電陰極；30年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨立研制成紅外變像管。夜視技術最早使用于軍隊，在二次世界大戰后期，德國為了滿足戰爭的需要，開始研制主動紅外夜視儀。1944年研制成功后，立即裝備了裝甲部隊。采用這一技術的“豹”式坦克立即在夜戰中占據了上風。然而此時的德國已是風雨飄搖，二戰結束時，前蘇聯繳獲了大批紅外夜視儀，而美軍則撈到了大部分研究資料。50年代末至60年代，主動紅外夜視儀在北約部隊中形成了系列裝備。前蘇軍也在50年代末研制成功主動紅外機槍瞄準具和夜間觀察儀、車輛駕駛儀等，并裝備部隊。（資料來源于網絡）

目前夜視技術根據工作原理不同，可分為可見光補光技術、微光夜視技術、被動紅外線夜視技術（又稱為熱成像夜視技術）、主動紅外線夜視技術這四大類�？梢姽庋a光技術就是采用普通白光LED作為補光光源，近幾年業內開始采用。人們常用伸手不見五指來形容夜間的黑暗，但實際上，夜晚并非漆黑一片，仍然存在月光、星光和天空的氣體輝光，這些光被稱為微光。微光夜視系統就是將微弱的自然光圖像，通過影像增強器轉變為增強了百倍甚至幾萬倍的電子圖像，再將增強的電子圖像轉變成為可視的光學圖像的一種夜視技術。那么說起紅外熱成像夜視技術又稱為被動紅外夜視技術，與微光夜視一樣，熱成像工作時也不需要附加的光源，是一種被動夜視技術。但它與微光夜視儀的工作原理截然不同，微光夜視儀依靠增強自然光進行工作，而紅外熱像儀是利用景物本身各部位的溫差及景物與背景間的溫差來成像，即紅外熱成像系統是通過直接接收目標物體自身發出的紅外線來成像的。主動紅外夜視技術是由紅外燈發出波長為780nm-1100nm的紅外光去照射被觀察的景物。這個波段的光線人眼無法識別，但CCD等成像器件可以感應成像，從而達到增強夜視效果的目的。目前安防業主要采用主動紅外夜視技術。

安防夜視技術應用之現狀

其一是∮5紅外燈的應用。早期的紅外夜視采用∮5紅外燈作為補光光源，由于這類燈功率小，出光角度大，所以這一時期的紅外光能照射的距離在20-30米。這類紅外燈也主要用在固定的普通紅外槍機及紅外半球產品上且產品大多用在室內。

其二是∮8/ ∮10紅外燈的應用。幾乎同一時期，∮8的紅外燈作為照射更遠距離較佳補光方案被廣泛應用。由于照射距離也只在50-80米內，各廠家不停地在紅外燈數量和出光角度上下功夫，甚至推出更大規格的封裝如∮10和“食人魚”等系列，最終大家競爭就停留在是80米還是85米的交界點上了。

其三是陣列式紅外燈和單顆大功率紅外燈的應用。安防人在不停尋找突破，出現了將幾十個發光二極管按照陣列方式排在一起，通過一個透鏡來進行光傳遞，即陣列式紅外燈技術。目前這類技術夜視距離在100米左右。同一時期，也出現了高效率和高功率的單芯片或多芯片（2-4片）的單顆大功率紅外燈，將紅外夜視距離帶入150米時代，在發光效率、出光角度問題上都較傳統的LED有了較大的改善。

其四是傳統LED應用。它的弊端在于我們知道高速球使用的攝像機都是變倍攝像機，鏡頭的焦距是變化的，其成像的視場角在不停的變化，固定的紅外補光燈角度很難同時滿足遠距離窄視場角和近距離的寬視場角，往往滿足了遠距離則近距離時看起象一束手電筒光，而滿足了近距離則遠距離光亮度又不夠，所以安防人用不同的角度的LED燈源搭配使用，以改善這個問題。

通過不同角度光源的配合，遠距離時啟用小角度光源；近距離時用大角度光源。同時在遠距離時采用大電流，近距離時采用小電流，這樣配合后在各焦段都能有較好的夜視效果。

3）、紅外功率照射距離

為了在遠、近兩端都取得很好的補光效果，大家在遠距離時使用很小角度的紅外燈；在近距離時使用很大角度的紅外燈。但要有很好的效果就需有足夠的功率，于是大家不停的增加紅外燈數量。

4）、固定的出光角度導致有用光能減少

由于補光燈角度與攝像視場角度之間不匹配，大家為了不出現手電筒效應，總是讓紅外燈的角度大于攝像機角度，于是就導致了有用光能的減少。

5）、手電筒效應與有效光能減少的改善

為了更好地改善手電筒效應并減少有效光能的損耗，可以用多組不同角度的光源進行配合；同時為了獲得更好的夜視效果，每組光源都將使用數量不少的燈。由于體積的限制，這種方法實際上很難實現。

夜視技術的最新發展趨勢

隨著夜視技術的不斷成熟，目前主流的補光技術可分為兩大類步變焦紅外LED補光技術和同步變焦紅外激光補光技術。如何改善紅外燈角度與攝像機角度不匹配的問題？如何充分利用光能？智慧的安防人利用變焦鏡頭的原理，發明了同步變焦紅外LED補光燈，紅外光跟隨鏡頭的角度同步變化，有效解決了全焦段的補光矛盾，同時又大大減少了光功率的損失。

同步變焦紅外LED補光技術示意圖

同步補光夜視技術可以根據需要損失少量的光能量從而徹底改善手電筒效應；也可以犧牲較小的夜視畫面質量（允許細微的手電筒效應）而徹底改善光能量的損耗。

隨著夜間監控的要求不斷提高，紅外激光由于亮度高、照明距離遠、芯片壽命長、光電轉化率高、整體功耗低等特性應用于夜間攝像的補光越來越迫切。同屬主動紅外技術，雖然經過多年的發展，但LED紅外技術在很多方面的弊端較大，相比之下，紅外激光技術有以下幾大優勢：

1）、激光的光亮度高，照明距離遠

目前采用LED紅外燈補光的距離最遠不超過150米，而即使采用2-3W的紅外激光，也可以很輕松地將有效照明距離超過400米。

2）、芯片壽命長

低端的普通LED紅外產品由于散熱處理及材料成本的局限，光衰現象相對明顯。而紅外激光芯片，品質更穩定可靠，常規產品的壽命普遍在20000小時以上，10000小時后光衰不到10%。采用獨特的溫控技術，普通激光紅外燈可處于恒定工作溫度，產品的長壽命有極大的保證。

3）、光電轉化率高

為了讓大家更直觀地理解光電轉化率，我們提倡用光電轉化率表征參數來直觀比較。通過測試紅外高速球實際夜視距離除以紅外光源的實際功耗的比值來表征不同紅外光源的光電轉化效率的高低。

光電轉化表征參數=實際夜視距離（米)/ 紅外燈實際功耗（瓦）。

即每瓦的照射距離。（實際夜視距離指在出光角度與視場角度有90%以上的重疊時取得。）

夜視技術類型	耗用功率（w）	實測有效夜視距離（m)	光電轉化表征參數m/w
傳統LED燈	6.12	80	13.1
單顆大功率LED燈	9.36	150	16.0
同步變焦LED補光光源	6.48	120	18.5
同步變焦激光補光光源	9.36	400	42.7

由上表看出，激光的光電轉化效率是傳統LED的3.3倍，是單顆大功率LED的2.7倍，是同步LED變焦補光夜視技術的2.3倍。需要說明的是，同步LED變焦和同步激光變焦的耗用功率包含了其電機伺服系統的耗有功率，如果除去此部分，這個倍數將更大。

2、400米超強勻化60度-2度同步變焦激光源

以此光源配合而派生的高端夜視產品

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400米激光自動變倍補光紅外球

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1）、復合勻化技術

于激光本身的高相干性，應用到夜視補光領域往往產生很明顯的明暗條紋或散斑（光投射面出現明暗交錯亮度不均勻），嚴重影響圖象清晰度。

這款紅外激光光源，采用自主的CSST（Compounding of Speckle Suppression Techniques）復合勻化技術，完全徹底解決了激光照明不均勻或散斑的現象，通過實測，效果與普通LED效果無異。(激光沒勻化效果 .avi,激光勻化后效果 .avi)

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2）、單燈同步變焦&完美視場角（60°～2°連續可調）

這款紅外激光燈可隨攝像機同步變焦，視場角達到完美的（60°～2°），可以完全覆蓋1/3〞攝像機的畫角。

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3）、光能利用率極高

以這款3瓦激光燈為例，經實際測量，小角度（約2°左右)有效照明距離大于400米，此時光斑直徑大于16米；大角度（60°左右）有效照明距離大于80米。

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4）、照明均勻且無過曝現象

由于紅外激光的光能量高于LED紅外光且相當集中，如何將集中的光能量分散是同步變焦激光光源應用的關鍵。這款激光采用獨特的光學鏡頭和光路系統，完全確保照明均勻尤其是解決過曝現象。

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5）、高品質高可靠性

紅外激光燈，是光機電一體化的高端產品，每個部件和每個環節均需選擇高品質原材料和高端工藝，確保產品的高品質和高可靠性。尤其是紅外激光芯片，是產品中最重要最核心部件，其出光功率大但體積有限，散熱問題非常關鍵，大部分紅外激光廠家對其不夠重視，導致成品往往由于散熱差而出現故障。

鑒于此，生產商除委托軍工級廠家作獨立封裝芯片外，更是對其進行全方位的散熱保護，如整機采用全鋁結構，芯片模塊和整機實現整體散熱，高功率產品增加熱對流散熱等方法。我們對這款紅外激光燈進行了最嚴格的可靠性測試尤其是高低溫測試：工作溫度在-20℃～50℃，壽命超過20000小時。以每天夜間照明10小時計，則年照明3600小時，則在正常工作溫度下，這款紅外激光燈的壽命至少是5-6年。

綜上所述，安防行業的夜視技術發展方向將越來越清晰，而同步變焦LED補光技術和同步變焦激光補光技術將成為主流的研究熱點。我們有理由相信，未來安防行業的夜視技術趨勢是200米范圍內將是基于單顆大功率紅外燈的同步變焦LED補光技術的主戰場；200米-400米范圍將是同步變焦激光補光技術的主戰場。顯而易見，同步變焦激光補光技術將是未來的重要發展趨勢。它的應用可以解決夜間攝錄圖像出現激光散斑（即光投射面出現明暗交錯亮度不均勻情形）的缺陷，使圖像更加清晰，徹底消除激光散斑；可視距離加大，使得攝像機在黑暗的環境下能獲得比較清晰的監控圖像，大大推進了夜間攝像技術的發展，也為我們國家建設和諧社會起到了重要作用！

保千里公司：www.protruly.com.cn/

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