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最基本的超遠距離紅外激光夜視系統，由大功率半導體激光器LD、驅動控制器、光學擴束準直鏡頭、攝像機及其長焦距鏡頭、傳輸系統及監視器等組成。大功率半導體激光器LD，通過大電流驅動與控制，發射出人們肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的目標物體。但由于激光的光束細、亮度高，因此必須要根據所監視的遠距離目標的距離和范圍，通過光學擴束準直鏡頭將紅外光束擴束照亮到所監視范圍的目標場景。紅外線經物體反射后進入攝像機的長焦距鏡頭到光敏面上成像。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，即此時由超低照度攝像機可拍攝到黑暗環境下肉眼看不到的影像。這種影像，再通過傳輸系統送到監控中心去記錄與顯示。 紅外光傳輸應注意的幾個技術問題及解決措施 由于是1km以上的超遠距離紅外光波傳輸，就有幾個應注意的技術問題。 1、在空氣中傳輸的質量受天氣的影響較大。 2、在任何大氣傳輸鏈路中，都有幾個需要考慮的因素（即引起傳輸信號衰減的原因）。 大氣中分子的吸收 LED和LD發光的大氣傳輸系統的信號損失，主要是由其傳輸介質——大氣的吸收引起的。因為光束從氣體中穿過時，總會發生一定程度的分子吸收。而且，空氣對某些波長的光吸收得特別厲害，這些波長根本無法用于信號傳輸。由大氣吸收引起的衰減尚可接受的波段稱為大氣透射窗（atmosphericwindows）。這種大氣透射窗波段的數據在各類文獻中都可以查到，因此所有的LED和LD的系統都必須在這個大氣透射窗內的波長上工作。 空氣中的微粒吸收 空氣中的微粒，如灰塵和煙霧，是另外一個引起光信號吸收的因素。顯然大氣中總是或多或少地含有一些這樣的微粒，尤其在水體附近，這類顆粒的含量有時非常高。在這些地方，一般總是盡量將光設備安裝得離地面高一些，以改善光傳輸的效果。 霧氣的吸收與散射 霧氣也是引起嚴重紅外吸收的因素，并且霧氣還會使光發生前、后向散射。因此，在多霧的區域，必須根據當地的氣候來選擇光收發設備的工作時段，因為起霧的時候系統將無法正常工作。 大氣紊亂性的影響 大氣具有一定程度的紊亂性，它除了會造成信號損耗外，還會給信號摻入噪聲。如風會引起大氣亂流，而大氣亂流又會導致信號路徑上空氣的折射率發生變化。這種現象與陽光曝曬下的地區產生熱浪、引起海市蜃樓的現象類似。這種影響最終是將紅外光束折射到無法確定的其它方向，從而使攝像機拍不到所需監控的目標。 由此可知，由于紅外光波傳輸技術是在空氣介質中傳輸，因此其傳輸質量受天氣的影響較大。一般，晴天對傳輸質量的影響最小，而雨、雪和霧天對傳輸質量的影響較大。經測試，紅外光波傳輸受天氣影響的衰減經驗值為：晴天5"15dB/Km；雨天20"50dB/Km；雪天50"150dB/Km；霧天50"300dB/Km。目前解決這個問題，一般采用更高功率的LD管、更先進的光學器件和多光束。 實際上，對超遠距離紅外激光夜視系統來說，主要受上述空氣中的微粒、霧氣等吸收和散射的影響，同步脈沖距離選通技術能較好地解決這一問題。 同步脈沖距離選通技術 距離選通(Range-Gate)技術，實際上主要有二個關鍵：一是要有脈沖激光束照射技術，即所發射的激光是可控制的脈沖式的；二是要有能高速開通和關閉的強化CCD，且其開關速度達幾百ns，而且還要與激光束脈沖保持嚴格同步。這樣，就可使觀察人員選定特定的觀察距離，從而可輕易地消除其他距離內水珠、霧、雪、沙塵等產生的強散射光與反射光的干擾。因為CCD大部分時間是關閉的，不接收這些干擾光，所以就不會在CCD上顯像。 激光的安全影響了使用 為解決天氣對光波傳輸質量的影響，往往加大激光二極管的功率。但超過一定功率電平的激光對人眼可能會產生影響，因此人體可能被激光系統釋放的能量傷害。所以，為增加夜視距離，激光功率不能無限制地加大。 超遠距離的紅外激光夜視系統的幾個主要部件的選擇 人的眼睛能看到的可見光波長從長到短為0.78μm、0.38μm，其顏色排列依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。比紫光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線。利用紅外光源，能發出人們肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經物體反射后進入鏡頭到CCD上成像，這時即可拍攝到黑暗環境下肉眼看不到的影像。 目前市場廣泛使用的紅外光源有LED紅外燈、微陣列LED紅外燈、鹵素濾光型紅外燈等。但這幾種紅外燈在照射距離、功耗、效率等方面都存在一定局限性，而不適用于1km以上的超遠距離夜視監控。因此，這種系統必須采用近紅外大功率半導體激光光源照明，我們選用國產半導體激光二極管LD，其波長為808nm，功率根據所需距離有1W-10W等。 攝像機的選擇 眾所周知，固體攝像機有CMOS與CCD兩種。同CCD一樣，CMOS圖像傳感芯片對紅外非可見光波也有反應，但它在890-980nm范圍內其靈敏度比CCD圖像傳感芯片的靈敏度要高出許多，并隨波長增加而衰減的梯度也慢一些。隨著CMOS圖像芯片的飛速發展，其噪音訊號進一步壓低，星光級的CMOS攝像機也將面市。而低功耗、高集成、小體積只有CMOS圖像傳感器才能辦到，因而可作成襯衫鈕扣、西裝鈕扣般大小的CMOS攝像機。加上相應的紅外光源更加小型化產品，以及高效能電池的推出，這樣第三只眼睛將會無處不在。帶上一副夜視眼鏡和一頂配有紅外光源和CMOS超微型攝像機的帽子，黑夜將如同白晝。顯然，這將改變我們整個社會生活的面貌。 由于我們使用國產半導體激光二極管LD的波長為808nm，因此選擇CCD攝像機。但值得注意的是，1/4"CCD不能用于15m以上紅外夜視的有效距離，因為1/4"CCD的光通量只有1/3"CCD的50%。而CCD尺寸大，接受的光通量大；CCD尺寸小，接受的光通量就少。所以，超遠距離的夜視攝像機多選1/2"的CCD。 一般，夜視攝像機要求不加紅外燈時CCD的最低照度不超過0.02LUX，而有些攝像機制造商或銷售商虛報最低照度，使夜視有效距離大大降低，因此需要具體測試。月光級和星光級等增感度攝像機可在很暗的條件下工作，但有些反光系數小的地方還是達不到要求，如沙漠，綠地，林區等。在這種情況下，就需要采用由高性能成像增強器和CCIR制式的黑白CCD通過纖維面板和光錐直接耦合而成的微光夜視攝像機。 鏡頭的選擇 攝像機鏡頭是紅外夜視監控系統的關鍵設備，它的質量（指標）優劣直接影響到整套系統的成像效果，因此，鏡頭選擇是否恰當既關系到系統質量，又關系到工程造價。普通的光學鏡頭，物體反射回鏡頭的紅外光不能有效聚焦到CCD靶面上，此時紅外夜視效果就會大打折扣，因而最好選用紅外鏡頭。 選擇鏡頭時一般應注意以下幾點： 鏡頭的成像尺寸應與攝像機CCD靶面尺寸一致，即選1/2或以上尺寸的鏡頭。根據攝像機被監控目標的距離，選擇鏡頭的焦距(其計算公式可參見本人編著的《電視監控技術》第一章第三節)，鏡頭焦距確定后，則由攝像機靶面決定視野。 鏡頭的分辨率與透光率要達到要求。合適的光圈或通光量此外，除攝像機鏡頭外，還要根據觀察場景的大小與距離選擇合適的激光擴束準直鏡頭，使激光束能照亮所需監控的場景，以便監控場景的反射光能被CCD攝像機所接收。 傳輸系統的選擇 一般監控視頻圖像的傳輸通常采用下述四種方法： 1、網絡傳輸。 2、無線傳輸。 3、同軸電纜傳輸。 4、雙絞線傳輸這四種方法各自的優劣，業內工程技術人員均已熟知，就不加介紹了。一般監控中心距離近，多采用同軸電纜傳輸，至于其他的傳輸方式，則看當時當地的條件了。 監視器的選擇 監器的選擇標準有兩條： 黑白與彩色要與攝像機相配 所選用的監視器的清晰度要高于(最好高一檔)所選用的攝像機的清晰度指標需要注意的是，不要認為攝像機的清晰度指標為400線，則選用清晰度為400線的監視器就夠了。如果這樣配置的話，那所顯示的圖像清晰度就會只有300線左右。因為所謂400線的清晰度是指在用攝像機攝取標準測試卡時，在測試卡上400線時的視頻信號輸出幅度為在100線時視頻信號幅度的40%左右，而監視器的清晰度也是如此定義的。因此，將它們相配時就會使得在400線時的視頻信號輸出幅度只有16%，而40%的位置就會降低移至300線左右了。所以，要想充分顯示攝像機的清晰度性能，就應當選用高一檔清晰度的監視器。雖然價格要貴一些，但能充分顯示出系統的優勢和指標特色。 防護罩的選擇 防護罩對紅外燈的效果也有影響，紅外光在傳輸過程中，通過不同介質，其透射率和反射率也不同。不同的視窗玻璃，特別是自動除霜鍍膜玻璃，對紅外光的衰減也不同。因超遠距離夜視系統的運用場合都比較特殊，所以對防護罩的產品質量及防護要求都比較高。因此，在選擇防護罩時，都應綜合進行考慮。 超遠距離的紅外激光夜視系統的應用 超遠距離紅外激光夜視系統可廣泛應用在：邊防夜視監控、海防夜視監控、海事遠距離監視(如港口黑夜監控近海輪船等)、防汛遠距離監視、森林防火了望監控、城市環境檢測遠程監視、油田夜間監視、海堤長距離監視、公安夜間監視、監獄圍墻的夜間監視、鐵路火車機場全天候監視等需要遠距離夜視監控的場所。 現以北京博瑞達光電技術有限公司所研發的超遠距離軍用激光紅外夜視系統在邊防、海防、軍事設施和車載夜視偵察、指揮系統的應用為例，說明其應用的廣泛與重要性。 邊防、海防夜視監控 超遠距離紅外激光夜視系統，可應用于邊防、海防夜視監控。系統為日夜監控的需要，主要由紅外激光照明、彩色與黑白攝像機以及圖像信號輸出裝置組成。 一般、邊防線和海防線較長，如一臺夜視設備能監控半徑為3公里的區域，則需要多臺夜視儀，并由控制中心統一控制。可以實現晝夜連續監控。全自動云臺和自動變焦技術，可以使夜視儀觀察到監控區域內任何一點的情況。根據用戶需要監控的距離，多臺夜視儀情況下可有以下兩種布置方式。 視頻監控設備安裝于既可以水平旋轉又可以進行俯仰的云臺上，由控制中心的計算機進行控制，可針對不同區域情況進行設定。當監控區域不是很大時，可采用固定方式監控，即使攝像機固定對監控區進行攝像。如果監控區較大時，則采用自動循環掃描方式。 軍事設施夜視監控 軍事設施、軍事機關、軍隊駐地等場合的監控往往僅對某個特定區域進行監控，因此一般采用在特定地點安放定焦夜視儀的辦法，而且根據監控對象的數量，可安置多臺夜視儀，或使用變焦夜視儀。 車載夜視偵察、指揮 超遠距離紅外激光夜視系統可作為車載夜視系統，它由前端圖像信號采集、視頻信號及控制信號中間傳輸、圖像控制中心三部分組成。 車載夜視系統可安裝在邊防巡邏車、武警指揮車、緊急救援車、工程搶險車、公安執法車等上成為可移動的夜視系統。該系統在特制的激光紅外夜視系統的基礎上，增加了視頻和控制系統，結構更加完整，功能更加強大。其云臺可通過解碼器由計算機實時控制，使它進行水平360度旋轉和俯仰動作，以實現晝夜連續監控及錄像。自動變焦技術可以監控定制距離內任何距離處的情況。其成像系統具有去拖尾功能，從而保證在運動中獲得清晰的圖像。可使用GPS定位器進行車輛定位，便于監控指揮中心指揮。并且，在監控中心配有數字硬盤錄像機，可實現對畫面的切換、錄像及對前端設備的控制。 結束語 超遠距離紅外激光夜視系統，必須使用紅外激光光源。目前，幾百米以上監控的紅外光源，無一能與紅外激光光源相比，而只有遠程監控才能達到不驚動被監控對象的目的。這是現代社會安全監控的需要，并可開發廣泛應用，應當引起各安防監控企業的注意。研究表明，超遠距離紅外激光夜視系統是可行的，其關鍵技術也是能解決的。只有具備紅外激光夜視系統，我們的紅外夜視產品的各種距離才算齊全了。 |
