摘要：主動紅外監(jiān)控是安防監(jiān)控的重要手段，目前市場上的主動紅外攝像機主要有LED紅外和激光紅外兩類。LED紅外受光強度和技術(shù)水平限制，很難實現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控，也很難實現(xiàn)50m以上的清晰照明；近年來，國內(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超過LED紅外燈，且性能優(yōu)越。本文結(jié)合浪潮華光研究經(jīng)驗，對國內(nèi)激光夜視的研究情況進行了總結(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)控是指攝像機在夜晚或低照度的環(huán)境下呈現(xiàn)較為清晰的目標畫面，該技術(shù)借助于光電成像器件實現(xiàn)夜間對目標的監(jiān)控觀察[1]。夜視技術(shù)主要分為主動紅外技術(shù)、被動紅外技術(shù)、微光夜視技術(shù)，其中，在民用領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的當屬主動紅外夜視技術(shù)。主動紅外技術(shù)自上世紀60年代由美國貝爾實驗室研發(fā)以來，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60%以上的激光紅外照明模組。現(xiàn)今主動紅外夜視領(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附近波長的LED紅外燈作為監(jiān)控攝像機的照明光源，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等波長的激光器作為監(jiān)控攝像機的照明光源。
　　
　　LED紅外技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前統(tǒng)治著民用安防照明市場。但由于LED紅外技術(shù)的局限性和LED發(fā)光效率的限制，不能實現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控，且50m以上成像不夠清晰。這些問題都需要激光夜視技術(shù)的推廣來解決。
　　
　　近年來，隨著國內(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，運用激光紅外照明技術(shù)，可以實現(xiàn)幾十米甚至幾公里的監(jiān)控要求。本文總結(jié)了國內(nèi)激光夜視近年來在照明距離、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，半導體激光具有功率高、準直性好的優(yōu)勢，所以激光照明距離遠，可以輕松實現(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體激光器，但大功率半導體激光器常采用寬條形結(jié)構(gòu)，存在光束發(fā)散角大、光強分布不對稱的問題[2]，所以半導體激光器需要經(jīng)過光斑勻化。圖1為浪潮華光激光器經(jīng)過勻化技術(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，還需要使用光學擴束鏡配合來實現(xiàn)激光照明。對于不同的環(huán)境要求，可以實現(xiàn)定焦照明和變焦照明。我公司激光器可實現(xiàn)30m、50m、100m等不同距離的定焦照明，也可實現(xiàn)從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種：CCD(Charge Coupled Device　電荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor　金屬氧化物半導體元件)。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，光敏強度隨著波長增加而降低。現(xiàn)今民用激光照明光源波長一般是810nm，LED紅外波長為850nm，也就是說相同光強度下，合適的攝像機對于激光波長的感應(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(yōu)勢及國內(nèi)研究情況
　　
　　3.1照明距離遠
　　
　　激光器件光功率高光束發(fā)散性小，有利于進行激光光束整形，可以實現(xiàn)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(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)透過率，ρ為目標漫反射系數(shù)，μ為大氣衰減系數(shù)，τ為成像系統(tǒng)透過率，D為成像系統(tǒng)透光孔徑，f為成像系統(tǒng)焦距[3]。
　　
　　例如，使用我公司激光器設(shè)計的激光高速球，200米時發(fā)光角度如設(shè)定為0.07rad。估算條件如下：發(fā)射和接收光學系統(tǒng)的透過率跟所使用的玻璃元件數(shù)、有沒有鍍增透膜相關(guān)，光學鍍膜處理后，可在0.9左右。取ε=0.9，τ=0.9。SONY攝像機F值為3.0，標稱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，來滿足各種應(yīng)用環(huán)境要求。
　　
　　目前，國內(nèi)生產(chǎn)的云臺式的激光監(jiān)控設(shè)備，使用激光照明器出光功率超過15W，夜間監(jiān)控距離可以達到3-5公里。
　　
　　3.2激光器壽命長
　　
　　半導體激光器光電轉(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(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)驗公式：

　　
　　L(T)為溫度為T時器件壽命，Ea為激活能，K為玻爾茲曼常數(shù)，A為常數(shù)[4]。由該式可知，溫度越高壽命越短，所以半導體激光器壽命可遠大于LED紅外燈。
　　
　　另外，研究發(fā)現(xiàn)，半導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。半導體激光器經(jīng)過老化后，基本排除了早期失效產(chǎn)品，保證了激光紅外燈有足夠長的使用壽命。
　　
　　下圖為5組浪潮華光生產(chǎn)的2W半導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。

　　半導體激光器主要由激活區(qū)電子-空穴對的無輻射躍遷和腔面高功率密度引起，大電流、高溫、高濕環(huán)境都會降低激光器的使用壽命，另外，電浪涌和靜電都會導致半導體激光器失效[4]。我們生產(chǎn)的激光照明模組具備先進的封裝形式和電路設(shè)計，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題，影響了監(jiān)控效果。我們利用先進的機電控制手段，使產(chǎn)品具備了變焦激光燈與一體機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)勢明顯：拍攝畫面更清晰、監(jiān)控范圍更廣、使用壽命更長、更節(jié)能、性價比更高?，F(xiàn)階段，民用市場還主要被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，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。“觸銳”系列激光照明產(chǎn)品將以卓越的性能和較高的性價比，改變紅外監(jiān)控市場的格局。 (本文系浪潮華光投稿)
　　
　　參考文獻
　　
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　　[3] 單肖楠.半導體激光器主動紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].光機電信息，2011，12：5-8.
　　[4] 雷志鋒,楊少華,黃云.高功率半導體激光器的可靠性與壽命評價[J].應(yīng)用光學，2008，1：90-95.