國(guó)內(nèi)激光夜視照明的研究

摘要：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，且性能優(yōu)越。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 。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)用最廣泛的當(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?，F(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)光效率最高在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，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。

圖1 浪潮華光勻化后的激光光斑

　　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(Charge Coupled Device電荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor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?，F(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CCD最低照度0.01 Lux,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)換效率最高在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)。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)的無(wú)輻射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。我們生產(chǎn)的激光照明模組具備先進(jìn)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。我們利用先進(jìn)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。激光夜視以其卓越的性能優(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?！坝|銳”系列激光照明產(chǎn)品將以卓越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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