國內激光夜視照明的研究

摘要：主動(dòng)紅外監控是安防監控的重要手段，目前市場(chǎng)上的主動(dòng)紅外攝像機主要有LED紅外和激光紅外兩類(lèi)。LED紅外受光強度和技術(shù)水平限制，很難實(shí)現80m以上的夜視監控，也很難實(shí)現50m以上的清晰照明;近年來(lái)，國內激光紅外技術(shù)飛速發(fā)展，監控距離和照明亮度都遠超過(guò)LED紅外燈，且性能優(yōu)越。本文結合浪潮華光研究經(jīng)驗，對國內激光夜視的研究情況進(jìn)行了總結，介紹了激光紅外監控的系統組成和激光紅外技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展現狀，為客戶(hù)及工程商選擇合適的紅外監控設備提供借鑒。

　　1. 引言

　　夜視監控是指攝像機在夜晚或低照度的環(huán)境下呈現較為清晰的目標畫(huà)面，該技術(shù)借助于光電成像器件實(shí)現夜間對目標的監控觀(guān)察 。夜視技術(shù)主要分為主動(dòng)紅外技術(shù)、被動(dòng)紅外技術(shù)、微光夜視技術(shù)，其中，在民用領(lǐng)域應用最廣泛的當屬主動(dòng)紅外夜視技術(shù)。主動(dòng)紅外技術(shù)自上世紀60年代由美國貝爾實(shí)驗室研發(fā)以來(lái)，技術(shù)水平經(jīng)歷了飛速發(fā)展，由光電轉換效率僅有5%的紅外燈泡，到現在發(fā)光效率高達60%以上的激光紅外照明模組?，F今主動(dòng)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(cháng)的LED紅外燈作為監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(cháng)的激光器作為監控攝像機的照明光源。

　　LED紅外技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前統治著(zhù)民用安防照明市場(chǎng)。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(shí)現80m以上的夜視監控，且50m以上成像不夠清晰。這些問(wèn)題都需要激光夜視技術(shù)的推廣來(lái)解決。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)國內激光紅外技術(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(shí)現幾十米甚至幾公里的監控要求。本文總結了國內激光夜視近年來(lái)在照明距離、光源壽命、鏡頭搭配等領(lǐng)域的發(fā)展成果。

　　2. 激光夜視監控的系統組成

　　激光夜視監控系統主要由激光照明模組、監控攝像機、機械線(xiàn)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(shí)現100米至幾公里的夜視監控照明。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構，存在光束發(fā)散角大、光強分布不對稱(chēng)的問(wèn)題，所以半導體激光器需要經(jīng)過(guò)光斑勻化。圖1為浪潮華光激光器經(jīng)過(guò)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(xué)擴束鏡配合來(lái)實(shí)現激光照明。對于不同的環(huán)境要求，可以實(shí)現定焦照明和變焦照明。我公司激光器可實(shí)現30m、50m、100m等不同距離的定焦照明，也可實(shí)現從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光譜，圖2為Si基CMOS的感應光譜圖， 圖3為黑白CCD的感應光譜?？梢钥闯鰞煞N光敏器件在近紅外區域，光敏強度隨著(zhù)波長(cháng)增加而降低?，F今民用激光照明光源波長(cháng)一般是810nm，LED紅外波長(cháng)為850nm，也就是說(shuō)相同光強度下，合適的攝像機對于激光波長(cháng)的感應更敏感，成像更清晰。

　　為保證成像質(zhì)量，避免紅外光與可見(jiàn)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(shí)，其中的濾光片必須能透過(guò)810nm波長(cháng)附近的光。

　　3. 激光夜視的優(yōu)勢及國內研究情況

　　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(jìn)行激光光束整形，可以實(shí)現比LED點(diǎn)陣和LED陣列更遠距離的夜視照明。一般情況下， 激光夜視監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(wú)其他光情況的激光功率，R為照明距離，θ為照明角度，ε為照明系統透過(guò)率，ρ為目標漫反射系數，μ為大氣衰減系數，τ為成像系統透過(guò)率，D為成像系統透光孔徑，f為成像系統焦距。

　　例如，使用我公司激光器設計的激光高速球，200米時(shí)發(fā)光角度如設定為0.07rad。估算條件如下：發(fā)射和接收光學(xué)系統的透過(guò)率跟所使用的玻璃元件數、有沒(méi)有鍍增透膜相關(guān)，光學(xué)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(chēng)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(chēng)白紙的漫反射系數為0.75左右，清空下空氣衰減系數取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(lái)滿(mǎn)足各種應用環(huán)境要求。

目前，國內生產(chǎn)的云臺式的激光監控設備，使用激光照明器出光功率超過(guò)15W，夜間監控距離可以達到3-5公里。

　　3.2 激光器壽命長(cháng)

　　半導體激光器光電轉換效率在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(shí)配合溫控電路，可以保證激光器工作溫度不超過(guò)50攝氏度。但LED的光電轉換效率最高在25%左右，有75%以上的電功率轉換為熱量。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(mén)時(shí)器件壽命，Ea為激活能，K為玻爾茲曼常數，A為常數。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，半導體激光器失效主要是早期失效和后期壽命終結失效，中期失效出現的幾率微小。半導體激光器經(jīng)過(guò)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(cháng)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，光功率基本穩定。

圖5 半導體激光器大電流老化光衰情況

　　半導體激光器主要由激活區電子-空穴對的無(wú)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(huì )降低激光器的使用壽命，另外，電浪涌和靜電都會(huì )導致半導體激光器失效。我們生產(chǎn)的激光照明模組具備先進(jìn)的封裝形式和電路設計，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，保證拍攝區域被有效照亮的技術(shù)。國內一些激光夜視儀生產(chǎn)商聲稱(chēng)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)品存在手電筒效應或光束利用不充分的問(wèn)題，影響了監控效果。我們利用先進(jìn)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象。

　　4. 結論

　　作為主動(dòng)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(huà)面更清晰、監控范圍更廣、使用壽命更長(cháng)、更節能、性?xún)r(jià)比更高?，F階段，民用市場(chǎng)還主要被LED紅外燈占據，激光紅外目前僅應用于特殊領(lǐng)域。激光夜視以其卓越的性能優(yōu)勢，必將在民用領(lǐng)域取得大規模應用。

　　浪潮華光正在為激光夜視的推廣普及拼搏努力?！坝|銳”系列激光照明產(chǎn)品將以卓越的性能和較高的性?xún)r(jià)比，改變紅外監控市場(chǎng)的格局。

　　【參考文獻】

　　[1] 趙娟,張伯虎,徐博.基于激光紅外夜視系統的研究[J].科技資訊，2007，21：225-226.

　　[2] 李宗陽(yáng) .大功率半導體激光器光束特性研究[D].長(cháng)春：長(cháng)春理工大學(xué)：2010.

　　[3] 單肖楠.半導體激光器主動(dòng)紅外夜視監控系統設計[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(jià)[J].應用光學(xué)，2008，1：90-95.