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超遠距離紅外激光夜視系統的原理與應用

發(fā)布時間:2010-10-11 12:10    發(fā)布者:eetech
關鍵詞: 紅外 , 激光 , 夜視 , 遠距離
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(jiān)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(fā)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(jiān)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(jiān)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(huán)境下肉眼看不到的影像。這種影像,再通過傳輸系統送到監(jiān)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(fā)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(fā)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(fā)生前、后向散射。因此,在多霧的區(qū)域,必須根據當地的氣候來選擇光收發(fā)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(fā)生變化。這種現象與陽光曝曬下的地區(qū)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(jiān)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(fā)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(fā)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(huán)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(jiān)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(fā)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(qū)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(jiān)控系統的關鍵設備,它的質量(指標)優(yōu)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(jiān)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(jiān)控技術》第一章第三節(jié)),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(jiān)控的場景,以便監(jiān)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(jiān)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(yōu)劣,業(yè)內工程技術人員均已熟知,就不加介紹了。一般監(jiān)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(jiān)視器的選擇

監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)視器。雖然價格要貴一些,但能充分顯示出系統的優(yōu)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(jiān)控、海防夜視監(jiān)控、海事遠距離監(jiān)視(如港口黑夜監(jiān)控近海輪船等)、防汛遠距離監(jiān)視、森林防火了望監(jiān)控、城市環(huán)境檢測遠程監(jiān)視、油田夜間監(jiān)視、海堤長距離監(jiān)視、公安夜間監(jiān)視、監(jiān)獄圍墻的夜間監(jiān)視、鐵路火車機場全天候監(jiān)視等需要遠距離夜視監(jiān)控的場所。

現以北京博瑞達光電技術有限公司所研發(fā)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(jiān)控

超遠距離紅外激光夜視系統,可應用于邊防、海防夜視監(jiān)控。系統為日夜監(jiān)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(jiān)控半徑為3公里的區(qū)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(xù)監(jiān)控。全自動云臺和自動變焦技術,可以使夜視儀觀察到監(jiān)控區(qū)域內任何一點的情況。根據用戶需要監(jiān)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(jiān)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(qū)域情況進行設定。當監(jiān)控區(qū)域不是很大時,可采用固定方式監(jiān)控,即使攝像機固定對監(jiān)控區(qū)進行攝像。如果監(jiān)控區(qū)較大時,則采用自動循環(huán)掃描方式。

軍事設施夜視監(jiān)控

軍事設施、軍事機關、軍隊駐地等場合的監(jiān)控往往僅對某個特定區(qū)域進行監(jiān)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(jiān)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(zhí)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(xù)監(jiān)控及錄像。自動變焦技術可以監(jiān)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(jiān)控指揮中心指揮。并且,在監(jiān)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(jiān)控的紅外光源,無一能與紅外激光光源相比,而只有遠程監(jiān)控才能達到不驚動被監(jiān)控對象的目的。這是現代社會安全監(jiān)控的需要,并可開發(fā)廣泛應用,應當引起各安防監(jiān)控企業(yè)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。
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