引领安防行业新方向红外夜视技术解析

2012-08-23 16:38:48

来源：永泰安防网

摘要： 文/保千里如今，安防行业的发展已经关系到了千家万户甚至我们国家和谐社会的建设，良好的视频监控质量是关键。白天，凭借优质的摄像机很

文/保千里

如今，安防行业的发展已经关系到了千家万户甚至我们国家和谐社会的建设，良好的视频监控质量是关键。白天，凭借优质的摄像机很容易得到优质的图像，但夜幕降临光线变暗，监视屏幕全是噪点，根本没有有效的图像。一直以来，为了在较暗的环境下起到一定的监控效果，摄像机生产商及其上游CCD/CMOS供应商下足了功夫去解决产品的低照度问题，目的旨在追逐那模糊的身影。时至今日，摄像机的低照度指标都是安防摄像机的重要指标之一。大约从2002年起，中国安防人大胆将红外补光技术应用于安防行业，取得了更高的监控水准，红外夜视技术正引领安防行业朝更新的方向前进！

红外夜视技术的起源和分类

关于红外夜视技术的起源，要追溯到上世纪20年代。1929年L. R. Koller发明了对近红外光灵敏的Ag-O-Cs光电阴极；30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管。夜视技术最早使用于军队，在二次世界大战后期，德国为了满足战争的需要，开始研制主动红外夜视仪。1944年研制成功后，立即装备了装甲部队。采用这一技术的“豹”式坦克立即在夜战中占据了上风。然而此时的德国已是风雨飘摇，二战结束时，前苏联缴获了大批红外夜视仪，而美军则捞到了大部分研究资料。50年代末至60年代，主动红外夜视仪在北约部队中形成了系列装备。前苏军也在50年代末研制成功主动红外机枪瞄准具和夜间观察仪、车辆驾驶仪等，并装备部队。（资料来源于网络）

目前夜视技术根据工作原理不同，可分为可见光补光技术、微光夜视技术、被动红外线夜视技术（又称为热成像夜视技术）、主动红外线夜视技术这四大类。可见光补光技术就是采用普通白光LED作为补光光源，近几年业内开始采用。人们常用伸手不见五指来形容夜间的黑暗，但实际上，夜晚并非漆黑一片，仍然存在月光、星光和天空的气体辉光，这些光被称为微光。微光夜视系统就是将微弱的自然光图像，通过影像增强器转变为增强了百倍甚至几万倍的电子图像，再将增强的电子图像转变成为可视的光学图像的一种夜视技术。那么说起红外热成像夜视技术又称为被动红外夜视技术，与微光夜视一样，热成像工作时也不需要附加的光源，是一种被动夜视技术。但它与微光夜视仪的工作原理截然不同，微光夜视仪依靠增强自然光进行工作，而红外热像仪是利用景物本身各部位的温差及景物与背景间的温差来成像，即红外热成像系统是通过直接接收目标物体自身发出的红外线来成像的。主动红外夜视技术是由红外灯发出波长为780nm-1100nm的红外光去照射被观察的景物。这个波段的光线人眼无法识别，但CCD等成像器件可以感应成像，从而达到增强夜视效果的目的。目前安防业主要采用主动红外夜视技术。

安防夜视技术应用之现状

其一是∮5红外灯的应用。早期的红外夜视采用∮5红外灯作为补光光源，由于这类灯功率小，出光角度大，所以这一时期的红外光能照射的距离在20-30米。这类红外灯也主要用在固定的普通红外枪机及红外半球产品上且产品大多用在室内。

其二是∮8/ ∮10红外灯的应用。几乎同一时期，∮8的红外灯作为照射更远距离较佳补光方案被广泛应用。由于照射距离也只在50-80米内，各厂家不停地在红外灯数量和出光角度上下功夫，甚至推出更大规格的封装如∮10和“食人鱼”等系列，最终大家竞争就停留在是80米还是85米的交界点上了。

其三是阵列式红外灯和单颗大功率红外灯的应用。安防人在不停寻找突破，出现了将几十个发光二极管按照阵列方式排在一起，通过一个透镜来进行光传递，即阵列式红外灯技术。目前这类技术夜视距离在100米左右。同一时期，也出现了高效率和高功率的单芯片或多芯片（2-4片）的单颗大功率红外灯，将红外夜视距离带入150米时代，在发光效率、出光角度问题上都较传统的LED有了较大的改善。

其四是传统LED应用。它的弊端在于我们知道高速球使用的摄像机都是变倍摄像机，镜头的焦距是变化的，其成像的视场角在不停的变化，固定的红外补光灯角度很难同时满足远距离窄视场角和近距离的宽视场角，往往满足了远距离则近距离时看起象一束手电筒光，而满足了近距离则远距离光亮度又不够，所以安防人用不同的角度的LED灯源搭配使用，以改善这个问题。

通过不同角度光源的配合，远距离时启用小角度光源；近距离时用大角度光源。同时在远距离时采用大电流，近距离时采用小电流，这样配合后在各焦段都能有较好的夜视效果。

3）、红外功率照射距离

为了在远、近两端都取得很好的补光效果，大家在远距离时使用很小角度的红外灯；在近距离时使用很大角度的红外灯。但要有很好的效果就需有足够的功率，于是大家不停的增加红外灯数量。

4）、固定的出光角度导致有用光能减少

由于补光灯角度与摄像视场角度之间不匹配，大家为了不出现手电筒效应，总是让红外灯的角度大于摄像机角度，于是就导致了有用光能的减少。

5）、手电筒效应与有效光能减少的改善

为了更好地改善手电筒效应并减少有效光能的损耗，可以用多组不同角度的光源进行配合；同时为了获得更好的夜视效果，每组光源都将使用数量不少的灯。由于体积的限制，这种方法实际上很难实现。

夜视技术的最新发展趋势

随着夜视技术的不断成熟，目前主流的补光技术可分为两大类步变焦红外LED补光技术和同步变焦红外激光补光技术。如何改善红外灯角度与摄像机角度不匹配的问题？如何充分利用光能？智慧的安防人利用变焦镜头的原理，发明了同步变焦红外LED补光灯，红外光跟随镜头的角度同步变化，有效解决了全焦段的补光矛盾，同时又大大减少了光功率的损失。

同步变焦红外LED补光技术示意图

同步补光夜视技术可以根据需要损失少量的光能量从而彻底改善手电筒效应；也可以牺牲较小的夜视画面质量（允许细微的手电筒效应）而彻底改善光能量的损耗。

随着夜间监控的要求不断提高，红外激光由于亮度高、照明距离远、芯片寿命长、光电转化率高、整体功耗低等特性应用于夜间摄像的补光越来越迫切。同属主动红外技术，虽然经过多年的发展，但LED红外技术在很多方面的弊端较大，相比之下，红外激光技术有以下几大优势：

1）、激光的光亮度高，照明距离远

目前采用LED红外灯补光的距离最远不超过150米，而即使采用2-3W的红外激光，也可以很轻松地将有效照明距离超过400米。

2）、芯片寿命长

低端的普通LED红外产品由于散热处理及材料成本的局限，光衰现象相对明显。而红外激光芯片，品质更稳定可靠，常规产品的寿命普遍在20000小时以上，10000小时后光衰不到10%。采用独特的温控技术，普通激光红外灯可处于恒定工作温度，产品的长寿命有极大的保证。

3）、光电转化率高

为了让大家更直观地理解光电转化率，我们提倡用光电转化率表征参数来直观比较。通过测试红外高速球实际夜视距离除以红外光源的实际功耗的比值来表征不同红外光源的光电转化效率的高低。

光电转化表征参数=实际夜视距离（米)/ 红外灯实际功耗（瓦）。

即每瓦的照射距离。（实际夜视距离指在出光角度与视场角度有90%以上的重叠时取得。）

夜视技术类型	耗用功率（w）	实测有效夜视距离（m)	光电转化表征参数m/w
传统LED灯	6.12	80	13.1
单颗大功率LED灯	9.36	150	16.0
同步变焦LED补光光源	6.48	120	18.5
同步变焦激光补光光源	9.36	400	42.7

由上表看出，激光的光电转化效率是传统LED的3.3倍，是单颗大功率LED的2.7倍，是同步LED变焦补光夜视技术的2.3倍。需要说明的是，同步LED变焦和同步激光变焦的耗用功率包含了其电机伺服系统的耗有功率，如果除去此部分，这个倍数将更大。

2、400米超强匀化60度-2度同步变焦激光源

以此光源配合而派生的高端夜视产品

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400米激光自动变倍补光红外球

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1）、复合匀化技术

于激光本身的高相干性，应用到夜视补光领域往往产生很明显的明暗条纹或散斑（光投射面出现明暗交错亮度不均匀），严重影响图象清晰度。

这款红外激光光源，采用自主的CSST（Compounding of Speckle Suppression Techniques）复合匀化技术，完全彻底解决了激光照明不均匀或散斑的现象，通过实测，效果与普通LED效果无异。(激光没匀化效果 .avi,激光匀化后效果 .avi)

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2）、单灯同步变焦&完美视场角（60°～2°连续可调）

这款红外激光灯可随摄像机同步变焦，视场角达到完美的（60°～2°），可以完全覆盖1/3〞摄像机的画角。

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3）、光能利用率极高

以这款3瓦激光灯为例，经实际测量，小角度（约2°左右)有效照明距离大于400米，此时光斑直径大于16米；大角度（60°左右）有效照明距离大于80米。

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4）、照明均匀且无过曝现象

由于红外激光的光能量高于LED红外光且相当集中，如何将集中的光能量分散是同步变焦激光光源应用的关键。这款激光采用独特的光学镜头和光路系统，完全确保照明均匀尤其是解决过曝现象。

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5）、高品质高可靠性

红外激光灯，是光机电一体化的高端产品，每个部件和每个环节均需选择高品质原材料和高端工艺，确保产品的高品质和高可靠性。尤其是红外激光芯片，是产品中最重要最核心部件，其出光功率大但体积有限，散热问题非常关键，大部分红外激光厂家对其不够重视，导致成品往往由于散热差而出现故障。

鉴于此，生产商除委托军工级厂家作独立封装芯片外，更是对其进行全方位的散热保护，如整机采用全铝结构，芯片模块和整机实现整体散热，高功率产品增加热对流散热等方法。我们对这款红外激光灯进行了最严格的可靠性测试尤其是高低温测试：工作温度在-20℃～50℃，寿命超过20000小时。以每天夜间照明10小时计，则年照明3600小时，则在正常工作温度下，这款红外激光灯的寿命至少是5-6年。

综上所述，安防行业的夜视技术发展方向将越来越清晰，而同步变焦LED补光技术和同步变焦激光补光技术将成为主流的研究热点。我们有理由相信，未来安防行业的夜视技术趋势是200米范围内将是基于单颗大功率红外灯的同步变焦LED补光技术的主战场；200米-400米范围将是同步变焦激光补光技术的主战场。显而易见，同步变焦激光补光技术将是未来的重要发展趋势。它的应用可以解决夜间摄录图像出现激光散斑（即光投射面出现明暗交错亮度不均匀情形）的缺陷，使图像更加清晰，彻底消除激光散斑；可视距离加大，使得摄像机在黑暗的环境下能获得比较清晰的监控图像，大大推进了夜间摄像技术的发展，也为我们国家建设和谐社会起到了重要作用！

保千里公司：www.protruly.com.cn/

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