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红外一体化摄像机的性能分析与如何选择

2008-11-15 10:30
论恒
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    红外一体化摄像机的性能分析与选择

 

    红外线和红外灯的原理特性

 

    光是一种电磁波,具有与无线电波一样的本质。它的波长区间从几个纳米(1nm=10-9m)到1毫米(mm)左右。人眼可见的只是其中一部分,我们称其为可见光,可见光的波长范围为380nm~780nm,可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光,波长比紫光短的称为紫外光,波长比红外光长的称为红外光。红外光线的波长在780nm~1000μm之间,位于无线电波与可见光之间。

 

    红外灯按其红外线辐射机理分为半导体固体发光(红外发射二极管RLED)红外灯和热辐射红外灯两种。目前在CCTV红外摄像机中前者使用较多。

 

    红外发射二极管(IRLED)红外灯的原理是:由红外发光二极管矩阵组成发光体。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓GaAs)制成PN结,外加正向偏置电压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830~950nm,半峰带宽约40nm左右,它是窄带分布,为普通CCD黑白摄像机可感受的范围。

 

    红外发光二极管的发射功率用辐照度μW/m2表示。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方,并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角,即半功率角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。

 

    红外一体摄像机成像原理

 

    在夜视监控系统中,常规的办法是利用可见光照明,但这种方式存在不能隐蔽、容易暴露监控目标等缺点,因此使用较少;目前隐蔽、科学的夜视监控是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动式和主动式。被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度(-273℃)以上都有红外线辐射,物体的温度越高,辐射出的红外线越多。利用此原理制成的摄像机最典型的就是红外热像仪,但是,这种特殊的红外摄像机造价昂贵,因此仅限于军事或特殊场合使用。而主动红外摄像技术,是采用红外灯辐射“照明”(主要是红外光线),应用普通低照度黑白摄像机、彩色转黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机,感受周围景物和环境反射回来的红外光实现夜视监控。主动红外摄像技术成熟,稳定,成为夜视监控的主流。

 

    红外一体化摄像机是将摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合成为一体的摄像设备。它实现夜视的基本原理是利用普通CCD黑白摄像机可以感受红外光的光谱特性(即可以感受可见光,也可以感受红外光),配合红外灯作为“照明源”来夜视成像。红外灯的功率和角度,摄像机的配置,一定焦距的感红外镜头,以及是否有良好的供电散热处理是判断红外一体化摄像机性能的重要参数。

 

    目前市场上也有许多产品是摄像机与红外线投射器分开的,这需要用户对红外灯和摄像机的性能有足够的了解,能够根据红外灯的角度、摄像机镜头参数等作合理的搭配。

 

    红外一体化摄像机的性能分析

 

    1.红外灯工作条件

    2.红外光的利用率和红暴问题

    3.红外摄像机的起雾结霜问题

    4.红外摄像机的视窗玻璃清洁

    5.红外摄像机的恒温

    6.红外摄像机的全封闭

 

    红外一体化摄像机在监控摄像机中具有夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势,因而在CCTV夜视监控中占据了大部分的市场。如何在纷杂的红外一体化摄像机市场中辨别优劣呢?性能优良的红外一体化摄像机必须能够具备以下性能:

 

    1.红外灯工作条件

 

    一般来说,其红外灯辐射功率与正向工作电流成正比,但在接近正向电流的最大额定值时,器件的温度因电流的热耗而上升,使光发射功率下降。红外二极管电流过小,将影响其辐射功率的发挥,但工作电流过大将影响其寿命,甚至使红外二极管烧毁。

 

    当电压越过正向阈值电压(约0.8V左右)电流开始流动,而且是一很陡直的曲线,表明其工作电流要求十分敏感。因此要求工作电流准确、稳定,否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高(包括其本身的发热所产生的环境温度升高)会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯,热耗是设计和选择时应注意的问题。

 

    因此,红外灯的使用必须有良好的恒流电源供电、良好的散热设计。采用大功率恒流电源供电,内部循环散热设计,因而能达到远距离夜视(最远可达220米)和红外灯寿命长的效果。

 

    2.红外光的利用率和红暴问题

 

    什么是红暴呢?红暴是由于所发射的红外线中包含可见光的成分。

 

    红外灯可以做到完全无红暴(采用940~950nm波长红外管)或仅有微弱红暴。采用AUCSITER红外技术,通过在保证红外灯功率的前提下,降低红外灯自身热耗,调整红外光线角度,使红外灯的有效利用率达到了90%。在红外灯的选择上,挑选波长较大(910nm)的红外灯,严格降低红暴,达到了微红暴效果。

 

    3.红外摄像机的起雾结霜问题

 

    雾、霜的形成是由于空气中的饱和水蒸气遇冷凝结而成,因冷环境的强、弱分别凝结成霜和雾。红外摄像机在工作过程中,尤其是室外摄像机常常会因四季变化、昼夜温差、以及雨雪环境等原因在防护罩视窗玻璃上形成雾或霜,导致摄像机无法看清物体,直接影响监控效果。通过采用先进的电子除霜电路,有效的控制腔体内的饱和水蒸气浓度,做到了自动除雾除霜。

 

    4.红外摄像机的视窗玻璃清洁

 

    摄像机在雨雪天或粉尘大的环境下工作,防护罩的视窗玻璃容易出现污垢,造成摄像机视线遮挡。解决的办法通常是在防护罩上增加雨刷,通过控制雨刷清洁玻璃;另外一种办法是使用隐形雨刷视窗玻璃。与普通视窗玻璃相比,隐形雨刷视窗玻璃具有排斥水、灰尘、雪花的功能。

 

    5.红外摄像机的恒温

 

    由于配置了发热量较大的红外灯,红外灯在启动后,整个工作时间段内(以12小时计)在红外摄像机前部会有热量集中,即腔体内前端温度偏高,如不能散热均匀定会影响摄像机等其它部件的正常工作。通过设计使用具有强制散热散冷作用的自动冷暖空调,良好的解决了这一问题。

 

    自动冷暖空调采用珀尔帖效应原理,测温控制电路可以自动调节,将防护罩内温度恒定在摄像机正常工作温度范围内,出厂时罩内温度设置在+5℃以下加热、+40℃以上致冷。

 

    实验表明该红外一体化摄像机可在-40℃~+70℃(阳光直射)的室外自然环境下正常工作。

 

    6.红外摄像机的全封闭

 

    除恒温外,使用自动冷暖空调的另一优点是可以将红外摄像机做成全封闭,不留任何散热孔,阻止灰尘、湿气、腐蚀性气体的进入,使其能够适应粉尘大的恶劣环境,如大型煤矿也可正常使用。

 

    国际通用的防水级别:

    IPX-0没有防水保护

    IPX-1设备在正常操作状态下,可以提供相当于3-5毫米/分钟降雨的防水保护10分钟。

    IPX-2级别基本与IPX-1相同,但是可以通过各个方向上翘15度的防水测试。

    IPX-360度角度的泼溅防水保护,提供了2-5分钟的10公升/秒流速以及80-100牛/m的压力的防水保护。

    IPX-4级别基本与IPX-3相同,但是可以提供全方位和角度的泼溅防水保护。

    IPX-5全方位和角度的防水保护,提供2-3分钟的12.5公升/秒流速以及30牛/m的压力的防水保护。

    IPX-6大浪的防水保护,可以持续2-3分钟抵抗水下3米的深度,100公升/分钟的流速,100牛/m的压力。

    IPX-7水下1米可以浸泡30分钟。

    IPX-8彻底防水,可以常时间连续的在水中使用。

 

(编辑:小曾)

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