摘要：主動紅外監控是安防監控的重要手段，目前市場上的主動紅外攝像機主要有LED紅外和激光紅外兩(liang) 類。LED紅外受光強度和技術水平限製，很難實現80m以上的夜視監控，也很難實現50m以上的清晰照明；近年來，國內(nei) 激光紅外技術飛速發展，監控距離和照明亮度都遠超過LED紅外燈，且性能優(you) 越。本文結合浪潮華光研究經驗，對國內(nei) 激光夜視的研究情況進行了總結，介紹了激光紅外監控的係統組成和激光紅外技術的優(you) 點及發展現狀，為(wei) 客戶及工程商選擇合適的紅外監控設備提供借鑒。
　　
　　1.引言
　　
　　夜視監控是指攝像機在夜晚或低照度的環境下呈現較為(wei) 清晰的目標畫麵，該技術借助於(yu) 光電成像器件實現夜間對目標的監控觀察[1]。夜視技術主要分為(wei) 主動紅外技術、被動紅外技術、微光夜視技術，其中，在民用領域應用最廣泛的當屬主動紅外夜視技術。主動紅外技術自上世紀60年代由美國貝爾實驗室研發以來，技術水平經曆了飛速發展，由光電轉換效率僅(jin) 有5%的紅外燈泡，到現在發光效率高達60%以上的激光紅外照明模組。現今主動紅外夜視領域主要包括LED紅外技術及激光紅外技術。LED紅外技術主要是使用850nm附近波長的LED紅外燈作為(wei) 監控攝像機的照明光源，發光效率最高在30%左右；激光紅外技術主要是使用810nm、860nm、940nm等波長的激光器作為(wei) 監控攝像機的照明光源。
　　
　　LED紅外技術經過多年的發展，目前統治著民用安防照明市場。但由於(yu) LED紅外技術的局限性和LED發光效率的限製，不能實現80m以上的夜視監控，且50m以上成像不夠清晰。這些問題都需要激光夜視技術的推廣來解決(jue) 。
　　
　　近年來，隨著國內(nei) 激光紅外技術研發速度的不斷加快和推廣力度的不斷加強，運用激光紅外照明技術，可以實現幾十米甚至幾公裏的監控要求。本文總結了國內(nei) 激光夜視近年來在照明距離、光源壽命、鏡頭搭配等領域的發展成果。
　　
　　2.激光夜視監控的係統組成
　　
　　激光夜視監控係統主要由激光照明模組、監控攝像機、機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，半導體(ti) 激光具有功率高、準直性好的優(you) 勢，所以激光照明距離遠，可以輕鬆實現100米至幾公裏的夜視監控照明。激光照明模組使用半導體(ti) 激光器，但大功率半導體(ti) 激光器常采用寬條形結構，存在光束發散角大、光強分布不對稱的問題[2]，所以半導體(ti) 激光器需要經過光斑勻化。圖1為(wei) 浪潮華光激光器經過勻化技術後的激光光斑。

　　圖1 浪潮華光勻化後的激光光斑

　　
　　光斑勻化後，還需要使用光學擴束鏡配合來實現激光照明。對於(yu) 不同的環境要求，可以實現定焦照明和變焦照明。我公司激光器可實現30m、50m、100m等不同距離的定焦照明，也可實現從(cong) 20m到200m或更遠距離的變焦照明。
　　
　　2.2激光夜視攝像機選擇
　　
　　攝像機使用的光敏元件主要有兩(liang) 種：CCD(Charge Coupled Device　電荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor　金屬氧化物半導體(ti) 元件)。兩(liang) 種光敏元件都有較寬的感應光譜，圖2為(wei) Si基CMOS的感應光譜圖， 圖3為(wei) 黑白CCD的感應光譜。可以看出兩(liang) 種光敏器件在近紅外區域，光敏強度隨著波長增加而降低。現今民用激光照明光源波長一般是810nm，LED紅外波長為(wei) 850nm，也就是說相同光強度下，合適的攝像機對於(yu) 激光波長的感應更敏感，成像更清晰。

　　
　　為(wei) 保證成像質量，避免紅外光與(yu) 可見光的相互幹擾，攝像機的光敏元件前一般有濾光片，在選擇激光夜視攝像機時，其中的濾光片必須能透過810nm波長附近的光。
　　
　　3.激光夜視的優(you) 勢及國內(nei) 研究情況
　　
　　3.1照明距離遠
　　
　　激光器件光功率高光束發散性小，有利於(yu) 進行激光光束整形，可以實現比LED點陣和LED陣列更遠距離的夜視照明。一般情況下， 激光夜視監控的作用距離與(yu) 激光發射功率、照明角度、大氣環境、目標反射率、成像係統特性等都有直接關(guan) 係:

　　
　　其中，Ed 為(wei) 感光元件成像的照度閾值，P為(wei) 無其他光情況的激光功率，R為(wei) 照明距離，θ為(wei) 照明角度，ε為(wei) 照明係統透過率，ρ為(wei) 目標漫反射係數，μ為(wei) 大氣衰減係數，τ為(wei) 成像係統透過率，D為(wei) 成像係統透光孔徑，f為(wei) 成像係統焦距[3]。
　　
　　例如，使用我公司激光器設計的激光高速球，200米時發光角度如設定為(wei) 0.07rad。估算條件如下：發射和接收光學係統的透過率跟所使用的玻璃元件數、有沒有鍍增透膜相關(guan) ，光學鍍膜處理後，可在0.9左右。取ε=0.9，τ=0.9。SONY攝像機F值為(wei) 3.0，標稱CCD最低照度0.01 Lux,信噪比大於(yu) 50，照度閾值小於(yu) 0.0002.有資料稱白紙的漫反射係數為(wei) 0.75左右，清空下空氣衰減係數取0.0002/m。經計算，要看清楚200m處的白色紙板，激光器功率應在2W以上。綜合考慮不同環境下的空氣衰減，我們(men) 使用4W激光器，來滿足各種應用環境要求。
　　
　　目前，國內(nei) 生產(chan) 的雲(yun) 台式的激光監控設備，使用激光照明器出光功率超過15W，夜間監控距離可以達到3-5公裏。
　　
　　3.2激光器壽命長
　　
　　半導體(ti) 激光器光電轉換效率在60%以上，產(chan) 生熱量不足總功率的40%，另外金屬熱沉熱導率高，同時配合溫控電路，可以保證激光器工作溫度不超過50攝氏度。但LED的光電轉換效率最高在25%左右，有75%以上的電功率轉換為(wei) 熱量。半導體(ti) 器件的壽命與(yu) 溫度密切相關(guan) ，光電子器件的壽命經驗公式：

　　
　　L(T)為(wei) 溫度為(wei) T時器件壽命，Ea為(wei) 激活能，K為(wei) 玻爾茲(zi) 曼常數，A為(wei) 常數[4]。由該式可知，溫度越高壽命越短，所以半導體(ti) 激光器壽命可遠大於(yu) LED紅外燈。
　　
　　另外，研究發現，半導體(ti) 激光器失效主要是早期失效和後期壽命終結失效，中期失效出現的幾率微小。半導體(ti) 激光器經過老化後，基本排除了早期失效產(chan) 品，保證了激光紅外燈有足夠長的使用壽命。
　　
　　下圖為(wei) 5組浪潮華光生產(chan) 的2W半導體(ti) 激光器老化的光衰情況，老化電流為(wei) 3A.可以看出激光器在老化1000h後，光功率基本穩定。

　　半導體(ti) 激光器主要由激活區電子-空穴對的無輻射躍遷和腔麵高功率密度引起，大電流、高溫、高濕環境都會(hui) 降低激光器的使用壽命，另外，電浪湧和靜電都會(hui) 導致半導體(ti) 激光器失效[4]。我們(men) 生產(chan) 的激光照明模組具備先進的封裝形式和電路設計，提高了產(chan) 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
　　
　　激光夜視儀(yi) 同步變焦技術是激光器光束角度隨攝像機拍攝距離的變化而同步變化，保證拍攝區域被有效照亮的技術。國內(nei) 一些激光夜視儀(yi) 生產(chan) 商聲稱自己產(chan) 品具備同步變焦技術，但是效果參差不齊，許多產(chan) 品存在手電筒效應或光束利用不充分的問題，影響了監控效果。我們(men) 利用先進的機電控製手段，使產(chan) 品具備了變焦激光燈與(yu) 一體(ti) 機同步變焦並帶有斷電記憶功能，有效解決(jue) 暗角、手電筒和照明不清晰現象。
　　
　　4.結論
　　作為(wei) 主動紅外新技術，激光紅外技術已經成熟，並且比LED紅外技術優(you) 勢明顯：拍攝畫麵更清晰、監控範圍更廣、使用壽命更長、更節能、性價(jia) 比更高。現階段，民用市場還主要被LED紅外燈占據，激光紅外目前僅(jin) 應用於(yu) 特殊領域。激光夜視以其卓越的性能優(you) 勢，必將在民用領域取得大規模應用。
　　
　　浪潮華光正在為(wei) 激光夜視的推廣普及拚搏努力。“觸銳”係列激光照明產(chan) 品將以卓越的性能和較高的性價(jia) 比，改變紅外監控市場的格局。 (本文係浪潮華光投稿)
　　
　　參考文獻
　　
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