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解析红外夜视监控系统的技术问题

2008-04-07 16:24
kumsing
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    视频监控的发展方向在于室外,室外监控的发展方向在于夜视,夜视的发展方向在于红外技术,这个趋势越来越明显。在红外夜视这个领域中国企业已经走在世界前列。

    红外灯真的有固定照射距离吗?红外夜视监控就只涉及红外灯技术吗?无数的事实证明,答案是否定的。事实上,就红外灯本身来说,绝对不存在固定的照射距离,任何孤立地标注红外灯照射距离的做法都是不科学的。波长超过700nm的光线叫做红外线,900nm以上的红外线基本无红暴,波长越短,红暴越强,红外线感应度也越高。现在市场上有两种主流红外灯,一种是有轻微红暴的,波长在850nm左右,一种是无红暴的,波长在940nm左右。同一款摄像机,在850nm波长的感应度,比在940nm波长的感应度好到10倍。所以850nm这种有轻微红暴的红外灯有更高的效率,应当作为红外夜视监控的首选。

    摄像机的使用寿命可达10年以上,红外灯的寿命是否也能达到这个水平?首先要了解目前红外灯的原理。目前红外灯主要有三种模式:1、卤素灯,2、多芯片LED,3、单芯片LED。卤素灯是一个较传统的技术,能耗高,发热量大,使用寿命较短,因其使用效率低下,估计会逐步地淡出市场。多芯片LED也有两种形式,一种是包含4到8颗芯片;另外一种是阵列式发光片,含有10到30颗芯片。多芯片LED因其结构上的固有缺点没有发光焦点,光学系统不合理,有用光效率也比较低(当然,比卤素灯强几倍),其优点没有充分地发挥出来,比如阵列式LED,电流高达1000mA以上,基本只是一分钱硬币大小,散热就成为一个问题,可LED最怕的就是高热。同时,多芯片LED的生产要求非常严格,每颗芯片都不能有性能上的一点差异,否则一颗芯片坏掉的话整机就全部完了。总体而言,相对于单芯片LED而言,多芯片LED的寿命是远远不够的。单芯片LED生产工艺简单,品质容易保证、发热量低、光学系统合理是做红外灯理想的器件,理论上使用寿命可达10万小时以上。那么,是不是所有的单芯片LED灯的寿命都很好呢?事实上,远不是这么回事。这里面原因有很多,比如有的LED芯片级别很低,杂质超标;有的生产工艺不过关有漏电现象;有的超功率使用,额定20mA,却使用50mA以上;有的没有保护电路,或电路设计不合理,这些都会导致单芯片LED红外灯坏掉。

    要想保证红外灯的寿命,首先要选用高等级的LED芯片。高等级芯片功率大、一致性好、发光效率高、发热量很小,高等级LED比普通LED的品质好得多,当然价格也非常昂贵。其次,光学系统设计要合理、发光要均匀、利用率要高、散热要快。第三,要严格控制工作电压。LED对电压非常敏感,电压稍高LED管芯就会烧掉;而电压略低则发光量又会大大降低。最好匹配高质量的开关电源,交流输入电压最好从170伏到270伏电压都能做到较好的稳压,以适合恶劣的供电环境。第四,输入电源线最好选用耐高/低温、柔软抗弯曲的。有一个厂家生产的红外灯,输入电源线可在低温零下60度、高温零上250度正常使用。

    红外灯是不是视角越大越好?首先,使用大视角度的红外灯配合小视角度的镜头,存在浪费现象。比如一盏红外灯发光角度是80度(相当于f3.5mm镜头的角度),如果配合f35mm的镜头,那么会有相当部分的光是在镜头视场以外,也就是说部分红外光浪费了。一般情况下,红外灯的视角要与镜头的视角相一致,效果是最佳的。其次,并不是红外灯的发射角度越大,画面效果就越好。有的场合如果红外灯角度过大,还会影响成像。比如走廊,因其“狭长”的特点,如果红外灯的发射角度过大,则近处边缘的成像就会太亮,形成“光幕”现象;远处中心反而看不见,只有一片发白现象。所以,走廊的红外灯应该是镜头角度的二分之一或三分之一。第三,可以利用“接灯”技术,两个窄角红外灯搭配并调整位置,可以达到广角灯的效果,市场上的“夜鹰”系列红外夜视系统,就是利用“接灯”这种技术,做到了既望远又广角。在同样功率条件下,“接灯”技术可以成倍提高作用距离。

    总体而言,红外灯的发射角度的问题既是选择问题也是技术问题。不同焦距的镜头应选择相适应发射角度的红外灯。红外灯的发射角度无论在什么样的条件下都不应该大于镜头的视角,而在狭长环境中的应用,就该选用比镜头视角更小乃至三分之一的红外灯。窄视角红外灯通过搭配,可以得到理想的广角效果。

    相对孔径决定了镜头的通光能力,相对孔径为F1.0的镜头通光量是相对孔径F2.0的镜头通光量四倍。同样的摄像机、红外灯,分别搭配上述两种镜头,红外作用距离可相差一倍。大孔径镜头在红外监控方面,比常规普通镜头好4到10倍,按理说应该成为红外夜视监控的必须配套产品,但成本高昂,技术难度大。

    可见光与红外光由于波长不同,成像焦点不在一个平面上,导致在白天可见光条件下图像清晰,而夜间红外光条件下模糊,或者夜间红外光条件下图像清晰,白天可见光条件下图像模糊。可以用三种办法解决。第一,采用自动聚焦一体化摄像机;第二,采用IR专用焦点不偏移镜头;第三,采用专业的调整工具在现有镜头条件下,也可以实现焦点不偏移。

    所有的黑白摄像机都可以感应红外光。红外光线对于彩色摄像机来讲是一种杂光,会降低彩色摄像机的清晰度和色彩还原,彩色摄像机的滤光片就是阻止红外线参与成像。要想使彩色摄像机感应红外线现在有两种做法。第一,切换滤光片,在可见光条件下挡住红外线进入;在无可见光的条件下移开滤光片,让红外线进入,这种方案得到的图像质量好,但成本高,并且切换机构会导致故障率提高。第二,在滤光片上打开一个特定的红外线通道,允许与红外灯波长相同的红外光线进来,这种办法不增加成本,但色彩还原略差。

    摄像机灵敏度是红外夜视监控的核心部分。灵敏度越好,对红外线的感应能力也越强。当然,灵敏度越好的摄像机价格也越昂贵。一般来讲,50米以内的红外夜视系统,选用0.1勒克斯的摄像机就比较好;50米到100米范围的夜视系统应该选用0.01勒克斯的摄像机;100米以上的夜视系统应选用0.001勒克斯以上的摄像机。当然,随着灵敏度提高,摄像机的价格会有较大的递增。 

    不同的厂家的红外产品会有不同红外夜视距离的标准。应该以客户的应用效果为标准。客户的标准是什么?是看清人!什么“可视距离”、“发现距离”这些说法都是含混不清的。不同档次的摄像机、镜头之间的匹配,对于同一盏红外灯发出的光线感应度可能相差许多倍,可视距离也可相差很多。所以说,把某一盏红外灯具体地定为是多少米的说法不甚科学。一盏红外灯的作用距离,只能与确定品质的摄像机和镜头共同匹配才能确定其作用距离。还有,因为应用的环境不同效果也会大相径庭,最好留有一定余量。

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