超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

     最基本的超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)，由大功率半導(dǎo)體激光器LD、驅(qū)動(dòng)控制器、光學(xué)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭、攝像機(jī)及其長(zhǎng)焦距鏡頭、傳輸系統(tǒng)及監(jiān)視器等組成。大功率半導(dǎo)體激光器LD，通過(guò)大電流驅(qū)動(dòng)與控制，發(fā)射出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的目標(biāo)物體。但由于激光的光束細(xì)、亮度高，因此必須要根據(jù)所監(jiān)視的遠(yuǎn)距離目標(biāo)的距離和范圍，通過(guò)光學(xué)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭將紅外光束擴(kuò)束照亮到所監(jiān)視范圍的目標(biāo)場(chǎng)景。紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入攝像機(jī)的長(zhǎng)焦距鏡頭到光敏面上成像。這時(shí)我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見(jiàn)光反射所成的影像，即此時(shí)由超低照度攝像機(jī)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(guò)傳輸系統(tǒng)送到監(jiān)控中心去記錄與顯示。

    紅外光傳輸應(yīng)注意的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題及解決措施

    由于是1km以上的超遠(yuǎn)距離紅外光波傳輸，就有幾個(gè)應(yīng)注意的技術(shù)問(wèn)題。

    1、在空氣中傳輸?shù)馁|(zhì)量受天氣的影響較大。

    2、在任何大氣傳輸鏈路中，都有幾個(gè)需要考慮的因素（即引起傳輸信號(hào)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(tǒng)的信號(hào)損失，主要是由其傳輸介質(zhì)——大氣的吸收引起的。因?yàn)楣馐鴱臍怏w中穿過(guò)時(shí)，總會(huì)發(fā)生一定程度的分子吸收。而且，空氣對(duì)某些波長(zhǎng)的光吸收得特別厲害，這些波長(zhǎng)根本無(wú)法用于信號(hào)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(shù)據(jù)在各類文獻(xiàn)中都可以查到，因此所有的LED和LD的系統(tǒng)都必須在這個(gè)大氣透射窗內(nèi)的波長(zhǎng)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(gè)引起光信號(hào)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(shí)非常高。在這些地方，一般總是盡量將光設(shè)備安裝得離地面高一些，以改善光傳輸?shù)男Ч?/p>

    霧氣的吸收與散射

    霧氣也是引起嚴(yán)重紅外吸收的因素，并且霧氣還會(huì)使光發(fā)生前、后向散射。因此，在多霧的區(qū)域，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂騺?lái)選擇光收發(fā)設(shè)備的工作時(shí)段，因?yàn)槠痨F的時(shí)候系統(tǒng)將無(wú)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(huì)造成信號(hào)損耗外，還會(huì)給信號(hào)摻入噪聲。如風(fēng)會(huì)引起大氣亂流，而大氣亂流又會(huì)導(dǎo)致信號(hào)路徑上空氣的折射率發(fā)生變化。這種現(xiàn)象與陽(yáng)光曝曬下的地區(qū)產(chǎn)生熱浪、引起海市蜃樓的現(xiàn)象類似。這種影響最終是將紅外光束折射到無(wú)法確定的其它方向，從而使攝像機(jī)拍不到所需監(jiān)控的目標(biāo)。

    由此可知，由于紅外光波傳輸技術(shù)是在空氣介質(zhì)中傳輸，因此其傳輸質(zhì)量受天氣的影響較大。一般，晴天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響較大。經(jīng)測(cè)試，紅外光波傳輸受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)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(gè)問(wèn)題，一般采用更高功率的LD管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束。
實(shí)際上，對(duì)超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(shù)能較好地解決這一問(wèn)題。

    同步脈沖距離選通技術(shù)

    距離選通(Range-Gate)技術(shù)，實(shí)際上主要有二個(gè)關(guān)鍵：一是要有脈沖激光束照射技術(shù)，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(kāi)通和關(guān)閉的強(qiáng)化CCD，且其開(kāi)關(guān)速度達(dá)幾百ns，而且還要與激光束脈沖保持嚴(yán)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(nèi)水珠、霧、雪、沙塵等產(chǎn)生的強(qiáng)散射光與反射光的干擾。因?yàn)镃CD大部分時(shí)間是關(guān)閉的，不接收這些干擾光，所以就不會(huì)在CCD上顯像。

    激光的安全影響了使用

    為解決天氣對(duì)光波傳輸質(zhì)量的影響，往往加大激光二極管的功率。但超過(guò)一定功率電平的激光對(duì)人眼可能會(huì)產(chǎn)生影響，因此人體可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以，為增加夜視距離，激光功率不能無(wú)限制地加大。

    超遠(yuǎn)距離的紅外激光夜視系統(tǒng)的幾個(gè)主要部件的選擇

    人的眼睛能看到的可見(jiàn)光波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短為0.78μm、0.38μm，其顏色排列依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。比紫光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線。利用紅外光源，能發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭到CCD上成像，這時(shí)即可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像。

    目前市場(chǎng)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(yuǎn)距離夜視監(jiān)控。因此，這種系統(tǒng)必須采用近紅外大功率半導(dǎo)體激光光源照明，我們選用國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光二極管LD，其波長(zhǎng)為808nm，功率根據(jù)所需距離有1W-10W等。

 攝像機(jī)的選擇

    眾所周知，固體攝像機(jī)有CMOS與CCD兩種。同CCD一樣，CMOS圖像傳感芯片對(duì)紅外非可見(jiàn)光波也有反應(yīng)，但它在890-980nm范圍內(nèi)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(zhǎng)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(hào)進(jìn)一步壓低，星光級(jí)的CMOS攝像機(jī)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(jī)。加上相應(yīng)的紅外光源更加小型化產(chǎn)品，以及高效能電池的推出，這樣第三只眼睛將會(huì)無(wú)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(jī)的帽子，黑夜將如同白晝。顯然，這將改變我們整個(gè)社會(huì)生活的面貌。

    由于我們使用國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光二極管LD的波長(zhǎng)為808nm，因此選擇CCD攝像機(jī)。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?yàn)?/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(yuǎn)距離的夜視攝像機(jī)多選1/2"的CCD。

    一般，夜視攝像機(jī)要求不加紅外燈時(shí)CCD的最低照度不超過(guò)0.02LUX，而有些攝像機(jī)制造商或銷售商虛報(bào)最低照度，使夜視有效距離大大降低，因此需要具體測(cè)試。月光級(jí)和星光級(jí)等增感度攝像機(jī)可在很暗的條件下工作，但有些反光系數(shù)小的地方還是達(dá)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(qiáng)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(jī)。

 鏡頭的選擇

    攝像機(jī)鏡頭是紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它的質(zhì)量（指標(biāo)）優(yōu)劣直接影響到整套系統(tǒng)的成像效果，因此，鏡頭選擇是否恰當(dāng)既關(guān)系到系統(tǒng)質(zhì)量，又關(guān)系到工程造價(jià)。普通的光學(xué)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(shí)紅外夜視效果就會(huì)大打折扣，因而最好選用紅外鏡頭。

    選擇鏡頭時(shí)一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

    鏡頭的成像尺寸應(yīng)與攝像機(jī)CCD靶面尺寸一致，即選1/2或以上尺寸的鏡頭。根據(jù)攝像機(jī)被監(jiān)控目標(biāo)的距離，選擇鏡頭的焦距(其計(jì)算公式可參見(jiàn)本人編著的《電視監(jiān)控技術(shù)》第一章第三節(jié))，鏡頭焦距確定后，則由攝像機(jī)靶面決定視野。

    鏡頭的分辨率與透光率要達(dá)到要求。合適的光圈或通光量此外，除攝像機(jī)鏡頭外，還要根據(jù)觀察場(chǎng)景的大小與距離選擇合適的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭，使激光束能照亮所需監(jiān)控的場(chǎng)景，以便監(jiān)控場(chǎng)景的反射光能被CCD攝像機(jī)所接收。

    傳輸系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)傳輸。

    2、無(wú)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(nèi)工程技術(shù)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(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臈l件了。

    監(jiān)視器的選擇

    監(jiān)器的選擇標(biāo)準(zhǔn)有兩條：

    黑白與彩色要與攝像機(jī)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(jī)的清晰度指標(biāo)需要注意的是，不要認(rèn)為攝像機(jī)的清晰度指標(biāo)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(huì)只有300線左右。因?yàn)樗^400線的清晰度是指在用攝像機(jī)攝取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡時(shí)，在測(cè)試卡上400線時(shí)的視頻信號(hào)輸出幅度為在100線時(shí)視頻信號(hào)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(shí)就會(huì)使得在400線時(shí)的視頻信號(hào)輸出幅度只有16%，而40%的位置就會(huì)降低移至300線左右了。所以，要想充分顯示攝像機(jī)的清晰度性能，就應(yīng)當(dāng)選用高一檔清晰度的監(jiān)視器。雖然價(jià)格要貴一些，但能充分顯示出系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和指標(biāo)特色。

    防護(hù)罩的選擇

    防護(hù)罩對(duì)紅外燈的效果也有影響，紅外光在傳輸過(guò)程中，通過(guò)不同介質(zhì)，其透射率和反射率也不同。不同的視窗玻璃，特別是自動(dòng)除霜鍍膜玻璃，對(duì)紅外光的衰減也不同。因超遠(yuǎn)距離夜視系統(tǒng)的運(yùn)用場(chǎng)合都比較特殊，所以對(duì)防護(hù)罩的產(chǎn)品質(zhì)量及防護(hù)要求都比較高。因此，在選擇防護(hù)罩時(shí)，都應(yīng)綜合進(jìn)行考慮。

    超遠(yuǎn)距離的紅外激光夜視系統(tǒng)的應(yīng)用

    超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在：邊防夜視監(jiān)控、海防夜視監(jiān)控、海事遠(yuǎn)距離監(jiān)視(如港口黑夜監(jiān)控近海輪船等)、防汛遠(yuǎn)距離監(jiān)視、森林防火了望監(jiān)控、城市環(huán)境檢測(cè)遠(yuǎn)程監(jiān)視、油田夜間監(jiān)視、海堤長(zhǎng)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(jī)場(chǎng)全天候監(jiān)視等需要遠(yuǎn)距離夜視監(jiān)控的場(chǎng)所。
現(xiàn)以北京博瑞達(dá)光電技術(shù)有限公司所研發(fā)的超遠(yuǎn)距離軍用激光紅外夜視系統(tǒng)在邊防、海防、軍事設(shè)施和車載夜視偵察、指揮系統(tǒng)的應(yīng)用為例，說(shuō)明其應(yīng)用的廣泛與重要性。

    邊防、海防夜視監(jiān)控

    超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)，可應(yīng)用于邊防、海防夜視監(jiān)控。系統(tǒng)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(jī)以及圖像信號(hào)輸出裝置組成。

    一般、邊防線和海防線較長(zhǎng)，如一臺(tái)夜視設(shè)備能監(jiān)控半徑為3公里的區(qū)域，則需要多臺(tái)夜視儀，并由控制中心統(tǒng)一控制?？梢詫?shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)監(jiān)控。全自動(dòng)云臺(tái)和自動(dòng)變焦技術(shù)，可以使夜視儀觀察到監(jiān)控區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)的情況。根據(jù)用戶需要監(jiān)控的距離，多臺(tái)夜視儀情況下可有以下兩種布置方式。

    視頻監(jiān)控設(shè)備安裝于既可以水平旋轉(zhuǎn)又可以進(jìn)行俯仰的云臺(tái)上，由控制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，可針對(duì)不同區(qū)域情況進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域不是很大時(shí)，可采用固定方式監(jiān)控，即使攝像機(jī)固定對(duì)監(jiān)控區(qū)進(jìn)行攝像。如果監(jiān)控區(qū)較大時(shí)，則采用自動(dòng)循環(huán)掃描方式。

    軍事設(shè)施夜視監(jiān)控

    軍事設(shè)施、軍事機(jī)關(guān)、軍隊(duì)駐地等場(chǎng)合的監(jiān)控往往僅對(duì)某個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，因此一般采用在特定地點(diǎn)安放定焦夜視儀的辦法，而且根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的數(shù)量，可安置多臺(tái)夜視儀，或使用變焦夜視儀。

    車載夜視偵察、指揮

    超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)可作為車載夜視系統(tǒng)，它由前端圖像信號(hào)采集、視頻信號(hào)及控制信號(hào)中間傳輸、圖像控制中心三部分組成。

    車載夜視系統(tǒng)可安裝在邊防巡邏車、武警指揮車、緊急救援車、工程搶險(xiǎn)車、公安執(zhí)法車等上成為可移動(dòng)的夜視系統(tǒng)。該系統(tǒng)在特制的激光紅外夜視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了視頻和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加完整，功能更加強(qiáng)大。其云臺(tái)可通過(guò)解碼器由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，使它進(jìn)行水平360度旋轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)監(jiān)控及錄像。自動(dòng)變焦技術(shù)可以監(jiān)控定制距離內(nèi)任何距離處的情況。其成像系統(tǒng)具有去拖尾功能，從而保證在運(yùn)動(dòng)中獲得清晰的圖像?？墒褂肎PS定位器進(jìn)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(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)畫(huà)面的切換、錄像及對(duì)前端設(shè)備的控制。

    結(jié)束語(yǔ)

    超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)，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(wú)一能與紅外激光光源相比，而只有遠(yuǎn)程監(jiān)控才能達(dá)到不驚動(dòng)被監(jiān)控對(duì)象的目的。這是現(xiàn)代社會(huì)安全監(jiān)控的需要，并可開(kāi)發(fā)廣泛應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)引起各安防監(jiān)控企業(yè)的注意。研究表明，超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)是可行的，其關(guān)鍵技術(shù)也是能解決的。只有具備紅外激光夜視系統(tǒng)，我們的紅外夜視產(chǎn)品的各種距離才算齊全了。