淺談LED紅外光源在安防紅外監控攝像機工程中的應用

隨著(zhù)安防視頻監控系統工程中對夜視監控的需求越來(lái)越廣，紅外攝像機已經(jīng)進(jìn)入了攝像機的主流市場(chǎng)，銷(xiāo)量與日俱增，在紅外夜視技術(shù)應用上出現問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。本文就紅外攝像機的技術(shù)問(wèn)題以及選用時(shí)的注意事項作簡(jiǎn)單的探討，用以和業(yè)界人士分享交流。

　　我們都了解夜視技術(shù)在軍事上的應用有很長(cháng)時(shí)間了，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，目前在民用視頻監控中也獲得了廣泛應用。實(shí)際上，夜視技術(shù)是借助于光電成像器件實(shí)現夜間觀(guān)察的一種光電技術(shù)。它包括微光夜視和紅外夜視兩類(lèi)：微光夜視技術(shù)是通過(guò)帶像增強管的一種夜視技術(shù)，它實(shí)際就是對夜天光照亮的微弱目標像進(jìn)行增強，以供觀(guān)察的光電成像技術(shù)。

微光夜視儀，是目前國外生產(chǎn)量和裝備量最大和用途最廣的夜視器材，它又可分為直接觀(guān)察(如夜視觀(guān)察儀、武器瞄準具、夜間駕駛儀、夜視眼鏡)和間接觀(guān)察(如微光電視)兩種；而紅外夜視技術(shù)則分為主動(dòng)紅外夜視技術(shù)和被動(dòng)紅外夜視技術(shù)。被動(dòng)紅外夜視技術(shù)是借助于目標自身發(fā)射的紅外輻射來(lái)實(shí)現觀(guān)察的紅外技術(shù)，它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來(lái)發(fā)現目標，其對應裝備為熱像儀。這里主要講主動(dòng)紅外夜視技術(shù)，它是通過(guò)主動(dòng)照射并利用目標反射紅外源的紅外光來(lái)實(shí)施觀(guān)察的一種夜視技術(shù)，其對應裝備為主動(dòng)紅外夜視儀，實(shí)際核心就是紅外攝像機。

　　紅外光源、由非直視型光電成像器件CCD或CMOS圖像傳感器為核心組成的攝像機和成像畫(huà)面所需的鏡頭等配合選擇是主導紅外攝像機夜間監視的效果優(yōu)劣的三大因素。為獲得好的夜間監視質(zhì)量，本文將重點(diǎn)介紹在應用紅外攝像機時(shí)，對其紅外光源、攝像機及其鏡頭等的配套選擇上應注意的幾個(gè)要點(diǎn)，以供工程商等用戶(hù)選用參考。

　　一、紅外光源的選擇

　　紅外光是一種波長(cháng)大于780nm的不可見(jiàn)光。一般，產(chǎn)生這種不可見(jiàn)光的方法有下列三種。

　?、?。直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光。即在這兩種燈上安裝可見(jiàn)光濾鏡，濾去可見(jiàn)光，只讓看不見(jiàn)的紅外射線(xiàn)射出；

　?、?。使用紅外發(fā)光二極管LED或LED陣列來(lái)產(chǎn)生紅外光。這種器件是通過(guò)砷化鎵(GaAs)半導體中的電子與空穴復合來(lái)產(chǎn)生紅外光；

　?、?。使用紅外激光二極管LD，也可作紅外光源。但它要把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去，通過(guò)大量粒子分布反轉，共振而維持受激輻射紅外光。

　　第一種光源為熱紅外光源，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此照射的距離遠。其最大不足之處是包含可見(jiàn)光成份，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10小時(shí)，5000小時(shí)只能使用一年多，若考慮散熱不夠，壽命還要短。為提高熱輻射紅外燈的壽命，使用時(shí)還必須采用光控開(kāi)關(guān)電路，以減小其工作時(shí)間。此外，還增加了延時(shí)開(kāi)關(guān)電路以防環(huán)境光的干擾。

　　第二種是使用半導體砷化鎵發(fā)光二極管陣列組成的紅外燈，尤其現在使用新技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的陣列式集成發(fā)光芯片LEDArray。其一個(gè)LED-Array的光學(xué)輸出達到了800mw-1000mw，而成為普通LED的換代產(chǎn)品，LED-Array的發(fā)光半功率角為10-120°(可變角)。由于LED-Array為高度集成的LED，而體積只有一個(gè)一分錢(qián)硬幣的大小，在室內可均勻照亮全部空間，其壽命為50，000個(gè)小時(shí)。它最初是運用在航空飛機上面，近年來(lái)由于民用夜間監控市場(chǎng)的發(fā)展，LED-Array才逐步走向民用市場(chǎng)，成為高質(zhì)量夜間監控的一種理想選擇。

　　雖然，紅外LED及LED-Array淘汰了熱紅外光源，但對于1km以上的超遠距離場(chǎng)景的監控，還是要選擇紅外LD光源。因為半導體激光器具有比LED亮度高、方向性強等特點(diǎn)。

　　通常，在選擇紅外光源時(shí)要注意以下的幾個(gè)要點(diǎn)。

　　A、紅外燈距離選擇要留有余量

　　選擇紅外燈時(shí)，特別注意標稱(chēng)距離與實(shí)際輻照距離的差距。因為有些生產(chǎn)廠(chǎng)標稱(chēng)的可視距離往往偏大，所以在選擇紅外燈輻照距離時(shí)要進(jìn)行實(shí)際測試，并且要留有充足的余量，才能使所觀(guān)察的場(chǎng)景的照度可靠。

　　B、應選用穩流源驅動(dòng)的光源

　　因為L(cháng)ED是電流驅動(dòng)器件，其發(fā)光亮度與功率同驅動(dòng)電流成正比，而不是電壓。因此，為保持發(fā)光強度不變，必須要選用穩流源驅動(dòng)的光源。

　　C、要選用散熱好的光源

　　因為發(fā)光管都有發(fā)熱與散熱問(wèn)題，尤其功率大距離遠的光源發(fā)熱量大，所以必須要選用散熱好的光源，才能保證工作穩定可靠。

　　D、要選用有光控開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制電路的供電電路并與燈板分開(kāi)的紅外光源

　　因為紅外燈的供電電路與燈板不分開(kāi)，就會(huì )應發(fā)光管工作產(chǎn)生的熱量影響供電電路的元件性能，從而導致發(fā)光管發(fā)光不穩定，有了這種光控開(kāi)關(guān)的電路，就能使紅外燈白天關(guān)閉，夜晚打開(kāi)。

　　E、要根據監視距離選用紅外燈

　　因紅外發(fā)光二極管LED可裝在鏡頭上，與感紅外攝像機配用，或直接裝在攝像機與鏡頭接口周?chē)臋C殼上。顯然，這兩種裝配的紅外LED少，其照射的距離肯定不如單獨的紅外LED燈照射的遠。一般，50m以上，最好選用單獨的紅外燈為好，另LD多用于1km以上距離的監控場(chǎng)景的夜視照明，但LD的光束細而強，為使紅外光束照亮一定范圍的場(chǎng)景，使用時(shí)還需要通過(guò)一個(gè)擴束鏡頭擴束才行。

　　二、攝像機的選擇

　　目前攝像機的感光器件有CMOS與CCD兩種。同CCD一樣，CMOS圖像傳感芯片對紅外光波也有反應，但它在890-980nm范圍內靈敏度比CCD圖像傳感芯片要高出許多，并隨波長(cháng)增加而衰減的梯度也慢一些。隨著(zhù)CMOS圖像芯片的飛速發(fā)展，其噪音訊號進(jìn)一步降低，且星光級的CMOS攝像機也已有面市。因此，不一定局限在CCD攝像機中選擇，可充分利用各自的優(yōu)勢選取。一般，紅外攝像機的選擇要點(diǎn)如下。

　　A、應選低照度攝像機，其照度要求一般≤0.02Lux

　　有些攝像機制造商或銷(xiāo)售商虛報最低照度，使夜視有效距離大大降低，因此最好能具體測試。月光級和星光級等增感度攝像機可工作在很暗的條件下，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像增強器和CCIR制式的黑白CCD通過(guò)纖維面板和光錐直接耦合而成的微光夜視攝像機?？傊?，照度越低越好，由于目前還不規范，不能相信生產(chǎn)廠(chǎng)所標稱(chēng)的最低照度，要在實(shí)用條件下進(jìn)行測試為好，通常照度要求一般≤0.02Lux。

　　B、選用的紅外攝像機圖像傳感器的尺寸越大越好

　　因1/4CCD不能用于15m以上紅外夜視的有效距離，因為1/4CCD的光通量只有1/3CCD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，夜視攝像機多選1/2的CCD，1/3的要測試可行的也可，但絕對不能選1/4的。

　　C、紅外攝像機要有自動(dòng)電子快門(mén)與自動(dòng)增益控制(AGC)功能

　　因為有了這些功能，才能使信