摘要： 文/保千里如今，安防行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)關(guān)系到了千家萬(wàn)戶甚至我們國(guó)家和諧社會(huì)的建設(shè)，良好的視頻監(jiān)控質(zhì)量是關(guān)鍵。白天，憑借優(yōu)質(zhì)的攝像機(jī)很
文/保千里
如今，安防行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)關(guān)系到了千家萬(wàn)戶甚至我們國(guó)家和諧社會(huì)的建設(shè)，良好的視頻監(jiān)控質(zhì)量是關(guān)鍵。白天，憑借優(yōu)質(zhì)的攝像機(jī)很容易得到優(yōu)質(zhì)的圖像，但夜幕降臨光線變暗，監(jiān)視屏幕全是噪點(diǎn)，根本沒(méi)有有效的圖像。一直以來(lái)，為了在較暗的環(huán)境下起到一定的監(jiān)控效果，攝像機(jī)生產(chǎn)商及其上游CCD/CMOS供應(yīng)商下足了功夫去解決產(chǎn)品的低照度問(wèn)題，目的旨在追逐那模糊的身影。時(shí)至今日，攝像機(jī)的低照度指標(biāo)都是安防攝像機(jī)的重要指標(biāo)之一。大約從2002年起，中國(guó)安防人大膽將紅外補(bǔ)光技術(shù)應(yīng)用于安防行業(yè)，取得了更高的監(jiān)控水準(zhǔn)，紅外夜視技術(shù)正引領(lǐng)安防行業(yè)朝更新的方向前進(jìn)！
紅外夜視技術(shù)的起源和分類
關(guān)于紅外夜視技術(shù)的起源，要追溯到上世紀(jì)20年代。1929年L. R. Koller發(fā)明了對(duì)近紅外光靈敏的Ag-O-Cs光電陰極；30年代中期，荷蘭、德國(guó)、美國(guó)各自獨(dú)立研制成紅外變像管。夜視技術(shù)最早使用于軍隊(duì)，在二次世界大戰(zhàn)后期，德國(guó)為了滿足戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，開(kāi)始研制主動(dòng)紅外夜視儀。1944年研制成功后，立即裝備了裝甲部隊(duì)。采用這一技術(shù)的“豹”式坦克立即在夜戰(zhàn)中占據(jù)了上風(fēng)。然而此時(shí)的德國(guó)已是風(fēng)雨飄搖，二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，前蘇聯(lián)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(dòng)紅外夜視儀在北約部隊(duì)中形成了系列裝備。前蘇軍也在50年代末研制成功主動(dòng)紅外機(jī)槍瞄準(zhǔn)具和夜間觀察儀、車輛駕駛儀等，并裝備部隊(duì)。 （資料來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
目前夜視技術(shù)根據(jù)工作原理不同，可分為可見(jiàn)光補(bǔ)光技術(shù)、微光夜視技術(shù)、被動(dòng)紅外線夜視技術(shù)（又稱為熱成像夜視技術(shù)）、主動(dòng)紅外線夜視技術(shù)這四大類。可見(jiàn)光補(bǔ)光技術(shù)就是采用普通白光LED作為補(bǔ)光光源，近幾年業(yè)內(nèi)開(kāi)始采用。人們常用伸手不見(jiàn)五指來(lái)形容夜間的黑暗，但實(shí)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(tǒng)就是將微弱的自然光圖像，通過(guò)影像增強(qiáng)器轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)了百倍甚至幾萬(wàn)倍的電子圖像，再將增強(qiáng)的電子圖像轉(zhuǎn)變成為可視的光學(xué)圖像的一種夜視技術(shù)。那么說(shuō)起紅外熱成像夜視技術(shù)又稱為被動(dòng)紅外夜視技術(shù)，與微光夜視一樣，熱成像工作時(shí)也不需要附加的光源，是一種被動(dòng)夜視技術(shù)。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(qiáng)自然光進(jìn)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(lái)成像，即紅外熱成像系統(tǒng)是通過(guò)直接接收目標(biāo)物體自身發(fā)出的紅外線來(lái)成像的。主動(dòng)紅外夜視技術(shù)是由紅外燈發(fā)出波長(zhǎng)為780nm-1100nm的紅外光去照射被觀察的景物。這個(gè)波段的光線人眼無(wú)法識(shí)別，但CCD等成像器件可以感應(yīng)成像，從而達(dá)到增強(qiáng)夜視效果的目的。目前安防業(yè)主要采用主動(dòng)紅外夜視技術(shù)。
安防夜視技術(shù)應(yīng)用之現(xiàn)狀
其一是∮5紅外燈的應(yīng)用。早期的紅外夜視采用∮5紅外燈作為補(bǔ)光光源，由于這類燈功率小，出光角度大，所以這一時(shí)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(jī)及紅外半球產(chǎn)品上且產(chǎn)品大多用在室內(nèi)。
其二是∮8/ ∮10紅外燈的應(yīng)用。幾乎同一時(shí)期，∮8的紅外燈作為照射更遠(yuǎn)距離較佳補(bǔ)光方案被廣泛應(yīng)用。由于照射距離也只在50-80米內(nèi)，各廠家不停地在紅外燈數(shù)量和出光角度上下功夫，甚至推出更大規(guī)格的封裝如∮10和“食人魚(yú)”等系列，最終大家競(jìng)爭(zhēng)就停留在是80米還是85米的交界點(diǎn)上了。
其三是陣列式紅外燈和單顆大功率紅外燈的應(yīng)用。安防人在不停尋找突破，出現(xiàn)了將幾十個(gè)發(fā)光二極管按照陣列方式排在一起，通過(guò)一個(gè)透鏡來(lái)進(jìn)行光傳遞， 即陣列式紅外燈技術(shù)。目前這類技術(shù)夜視距離在100米左右。同一時(shí)期，也出現(xiàn)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(shí)代，在發(fā)光效率、出光角度問(wèn)題上都較傳統(tǒng)的LED有了較大的改善。
其四是傳統(tǒng)LED應(yīng)用。它的弊端在于我們知道高速球使用的攝像機(jī)都是變倍攝像機(jī)，鏡頭的焦距是變化的，其成像的視場(chǎng)角在不停的變化，固定的紅外補(bǔ)光燈角度很難同時(shí)滿足遠(yuǎn)距離窄視場(chǎng)角和近距離的寬視場(chǎng)角，往往滿足了遠(yuǎn)距離則近距離時(shí)看起象一束手電筒光，而滿足了近距離則遠(yuǎn)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(gè)問(wèn)題。
通過(guò)不同角度光源的配合，遠(yuǎn)距離時(shí)啟用小角度光源；近距離時(shí)用大角度光源。同時(shí)在遠(yuǎn)距離時(shí)采用大電流，近距離時(shí)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(yuǎn)、近兩端都取得很好的補(bǔ)光效果，大家在遠(yuǎn)距離時(shí)使用很小角度的紅外燈；在近距離時(shí)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(shù)量。
4）、固定的出光角度導(dǎo)致有用光能減少
由于補(bǔ)光燈角度與攝像視場(chǎng)角度之間不匹配，大家為了不出現(xiàn)手電筒效應(yīng)，總是讓紅外燈的角度大于攝像機(jī)角度，于是就導(dǎo)致了有用光能的減少。
5）、手電筒效應(yīng)與有效光能減少的改善
為了更好地改善手電筒效應(yīng)并減少有效光能的損耗，可以用多組不同角度的光源進(jìn)行配合；同時(shí)為了獲得更好的夜視效果，每組光源都將使用數(shù)量不少的燈。由于體積的限制，這種方法實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。
夜視技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)
隨著夜視技術(shù)的不斷成熟，目前主流的補(bǔ)光技術(shù)可分為兩大類步變焦紅外LED補(bǔ)光技術(shù)和同步變焦紅外激光補(bǔ)光技術(shù)。如何改善紅外燈角度與攝像機(jī)角度不匹配的問(wèn)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(fā)明了同步變焦紅外LED補(bǔ)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(bǔ)光矛盾，同時(shí)又大大減少了光功率的損失。
同步變焦紅外LED補(bǔ)光技術(shù)示意圖
同步補(bǔ)光夜視技術(shù)可以根據(jù)需要損失少量的光能量從而徹底改善手電筒效應(yīng)；也可以犧牲較小的夜視畫(huà)面質(zhì)量（允許細(xì)微的手電筒效應(yīng)）而徹底改善光能量的損耗。
隨著夜間監(jiān)控的要求不斷提高，紅外激光由于亮度高、照明距離遠(yuǎn)、芯片壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)化率高、整體功耗低等特性應(yīng)用于夜間攝像的補(bǔ)光越來(lái)越迫切。同屬主動(dòng)紅外技術(shù)，雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，但LED紅外技術(shù)在很多方面的弊端較大，相比之下，紅外激光技術(shù)有以下幾大優(yōu)勢(shì)：
1）、激光的光亮度高，照明距離遠(yuǎn)
目前采用LED紅外燈補(bǔ)光的距離最遠(yuǎn)不超過(guò)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(guò)400米。
2）、芯片壽命長(zhǎng)
低端的普通LED紅外產(chǎn)品由于散熱處理及材料成本的局限，光衰現(xiàn)象相對(duì)明顯。而紅外激光芯片，品質(zhì)更穩(wěn)定可靠，常規(guī)產(chǎn)品的壽命普遍在20000小時(shí)以上，10000小時(shí)后光衰不到10%。采用獨(dú)特的溫控技術(shù)，普通激光紅外燈可處于恒定工作溫度，產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命有極大的保證。
3）、光電轉(zhuǎn)化率高
為了讓大家更直觀地理解光電轉(zhuǎn)化率，我們提倡用光電轉(zhuǎn)化率表征參數(shù)來(lái)直觀比較。通過(guò)測(cè)試紅外高速球?qū)嶋H夜視距離除以紅外光源的實(shí)際功耗的比值來(lái)表征不同紅外光源的光電轉(zhuǎn)化效率的高低。
光電轉(zhuǎn)化表征參數(shù)=實(shí)際夜視距離（米)/ 紅外燈實(shí)際功耗（瓦）。
即每瓦的照射距離。（實(shí)際夜視距離指在出光角度與視場(chǎng)角度有90%以上的重疊時(shí)取得。）
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夜視技術(shù)類型
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耗用功率（w）
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實(shí)測(cè)有效夜視距離（m)
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光電轉(zhuǎn)化表征參數(shù)m/w
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傳統(tǒng)LED燈
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6.12
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80
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13.1
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單顆大功率LED燈
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9.36
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150
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16.0
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同步變焦LED補(bǔ)光光源
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6.48
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120
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18.5
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同步變焦激光補(bǔ)光光源
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9.36
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400
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42.7
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由上表看出，激光的光電轉(zhuǎn)化效率是傳統(tǒng)LED的3.3倍，是單顆大功率LED的2.7倍，是同步LED變焦補(bǔ)光夜視技術(shù)的2.3倍。需要說(shuō)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(jī)伺服系統(tǒng)的耗有功率，如果除去此部分，這個(gè)倍數(shù)將更大。
2、400米超強(qiáng)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(chǎn)品
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/83e8ac9685b77f841a6118cf823cb5c0.gif\")
400米激光自動(dòng)變倍補(bǔ)光紅外球
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/3d489fab49d935dcc4e5d66adf0b32a0.gif\")
1）、復(fù)合勻化技術(shù)
于激光本身的高相干性，應(yīng)用到夜視補(bǔ)光領(lǐng)域往往產(chǎn)生很明顯的明暗條紋或散斑（光投射面出現(xiàn)明暗交錯(cuò)亮度不均勻），嚴(yán)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(fù)合勻化技術(shù)，完全徹底解決了激光照明不均勻或散斑的現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)測(cè)，效果與普通LED效果無(wú)異。(激光沒(méi)勻化效果.avi,激光勻化后效果.avi)
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/9b089cfafa37b15fa935fdfe9e44127a.gif\")
2）、單燈同步變焦&完美視場(chǎng)角（60°～2°連續(xù)可調(diào)）
這款紅外激光燈可隨攝像機(jī)同步變焦，視場(chǎng)角達(dá)到完美的（60°～2°），可以完全覆蓋1/3〞攝像機(jī)的畫(huà)角。
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/923ba3efd218b191f9a53c8e3e5e9fc8.gif\")
3）、光能利用率極高
以這款3瓦激光燈為例，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，小角度（約2°左右)有效照明距離大于400米，此時(shí)光斑直徑大于16米；大角度（60°左右）有效照明距離大于80米。
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/f4b0314e5e316d4262c70fda8ce6a1c7.gif\")
4）、照明均勻且無(wú)過(guò)曝現(xiàn)象
由于紅外激光的光能量高于LED紅外光且相當(dāng)集中，如何將集中的光能量分散是同步變焦激光光源應(yīng)用的關(guān)鍵。這款激光采用獨(dú)特的光學(xué)鏡頭和光路系統(tǒng)，完全確保照明均勻尤其是解決過(guò)曝現(xiàn)象。
![\"\"](\"/System/News/UploadFile/4422a5110ea4f912aff7d25ef9f9a809.gif\")
5）、高品質(zhì)高可靠性
紅外激光燈，是光機(jī)電一體化的高端產(chǎn)品，每個(gè)部件和每個(gè)環(huán)節(jié)均需選擇高品質(zhì)原材料和高端工藝，確保產(chǎn)品的高品質(zhì)和高可靠性。尤其是紅外激光芯片，是產(chǎn)品中最重要最核心部件，其出光功率大但體積有限，散熱問(wèn)題非常關(guān)鍵，大部分紅外激光廠家對(duì)其不夠重視，導(dǎo)致成品往往由于散熱差而出現(xiàn)故障。
鑒于此，生產(chǎn)商除委托軍工級(jí)廠家作獨(dú)立封裝芯片外，更是對(duì)其進(jìn)行全方位的散熱保護(hù)，如整機(jī)采用全鋁結(jié)構(gòu)，芯片模塊和整機(jī)實(shí)現(xiàn)整體散熱，高功率產(chǎn)品增加熱對(duì)流散熱等方法。我們對(duì)這款紅外激光燈進(jìn)行了最嚴(yán)格的可靠性測(cè)試尤其是高低溫測(cè)試：工作溫度在-20℃～50℃，壽命超過(guò)20000小時(shí)。以每天夜間照明10小時(shí)計(jì)，則年照明3600小時(shí)，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(yè)的夜視技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒃絹?lái)越清晰，而同步變焦LED補(bǔ)光技術(shù)和同步變焦激光補(bǔ)光技術(shù)將成為主流的研究熱點(diǎn)。我們有理由相信，未來(lái)安防行業(yè)的夜視技術(shù)趨勢(shì)是200米范圍內(nèi)將是基于單顆大功率紅外燈的同步變焦LED補(bǔ)光技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)；200米-400米范圍將是同步變焦激光補(bǔ)光技術(shù)的主戰(zhàn)場(chǎng)。顯而易見(jiàn)，同步變焦激光補(bǔ)光技術(shù)將是未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)。它的應(yīng)用可以解決夜間攝錄圖像出現(xiàn)激光散斑（即光投射面出現(xiàn)明暗交錯(cuò)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(jī)在黑暗的環(huán)境下能獲得比較清晰的監(jiān)控圖像，大大推進(jìn)了夜間攝像技術(shù)的發(fā)展，也為我們國(guó)家建設(shè)和諧社會(huì)起到了重要作用！
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2012-08-23 16:38:48