安防红外监控摄像机在工程中的应用

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随着安防视频监控系统工程中对夜视监控的需求越来越广，红外摄像机已经进入了摄像机的主流市场，销量与日俱增，在红外夜视技术应用上出现问题也逐渐暴露出来。本文就红外摄像机的技术问题以及选用时的注意事项作简单的探讨，用以和业界人士分享交流。
我们都了解夜视技术在军事上的应用有很长时间了，随着技术的发展，目前在民用视频监控中也获得了广泛应用。实际上，夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术。它包括微光夜视和红外夜视两类：微光夜视技术是通过带像增强管的一种夜视技术，它实际就是对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。微光夜视仪，是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材，它又可分为直接观察(如夜视观察仪、武器瞄准具、夜间驾驶仪、夜视眼镜)和间接观察(如微光电视)两种；而红外夜视技术则分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标，其对应装备为热像仪。这里主要讲主动红外夜视技术，它是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的一种夜视技术，其对应装备为主动红外夜视仪，实际核心就是红外摄像机。
红外光源、由非直视型光电成像器件CCD或CMOS图像传感器为核心组成的摄像机和成像画面所需的镜头等配合选择是主导红外摄像机夜间监视的效果优劣的三大因素。为获得好的夜间监视质量，本文将重点介绍在应用红外摄像机时，对其红外光源、摄像机及其镜头等的配套选择上应注意的几个要点，以供工程商等用户选用参考。
一、红外光源的选择
红外光是一种波长大于780nm的不可见光。一般，产生这种不可见光的方法有下列三种。
①。直接使用白炽灯或氙灯发出的红外光。即在这两种灯上安装可见光滤镜，滤去可见光，只让看不见的红外射线射出；
②。使用红外发光二极管LED或LED阵列来产生红外光。这种器件是通过砷化镓(GaAs)半导体中的电子与空穴复合来产生红外光；
③。使用红外激光二极管LD，也可作红外光源。但它要把处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，通过大量粒子分布反转，共振而维持受激辐射红外光。
第一种光源为热红外光源，其最大的优点是可制成比较大的功率和大的辐照角度，因此照射的距离远。其最大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短，如果每天工作10小时，5000小时只能使用一年多，若考虑散热不够，寿命还要短。为提高热辐射红外灯的寿命，使用时还必须采用光控开关电路，以减小其工作时间。此外，还增加了延时开关电路以防环境光的干扰。
第二种是使用半导体砷化镓发光二极管阵列组成的红外灯，尤其现在使用新技术开发生产的阵列式集成发光芯片LEDArray。其一个LED-Array的光学输出达到了800mw-1000mw，而成为普通LED的换代产品，LED-Array的发光半功率角为10-120°(可变角)。由于LED-Array为高度集成的LED，而体积只有一个一分钱硬币的大小，在室内可均匀照亮全部空间，其寿命为50，000个小时。它最初是运用在航空飞机上面，近年来由于民用夜间监控市场的发展，LED-Array才逐步走向民用市场，成为高质量夜间监控的一种理想选择。
虽然，红外LED及LED-Array淘汰了热红外光源，但对于1km以上的超远距离场景的监控，还是要选择红外LD光源。因为半导体激光器具有比LED亮度高、方向性强等特点。
通常，在选择红外光源时要注意以下的几个要点。
A、红外灯距离选择要留有余量
选择红外灯时，特别注意标称距离与实际辐照距离的差距。因为有些生产厂标称的可视距离往往偏大，所以在选择红外灯辐照距离时要进行实际测试，并且要留有充足的余量，才能使所观察的场景的照度可靠。
B、应选用稳流源驱动的光源
因为LED是电流驱动器件，其发光亮度与功率同驱动电流成正比，而不是电压。因此，为保持发光强度不变，必须要选用稳流源驱动的光源。
C、要选用散热好的光源
因为发光管都有发热与散热问题，尤其功率大距离远的光源发热量大，所以必须要选用散热好的光源，才能保证工作稳定可靠。
D、要选用有光控开关自动控制电路的供电电路并与灯板分开的红外光源
因为红外灯的供电电路与灯板不分开，就会应发光管工作产生的热量影响供电电路的元件性能，从而导致发光管发光不稳定，有了这种光控开关的电路，就能使红外灯白天关闭，夜晚打开。
E、要根据监视距离选用红外灯
因红外发光二极管LED可装在镜头上，与感红外摄像机配用，或直接装在摄像机与镜头接口周围的机壳上。显然，这两种装配的红外LED少，其照射的距离肯定不如单独的红外LED灯照射的远。一般，50m以上，最好选用单独的红外灯为好，另LD多用于1km以上距离的监控场景的夜视照明，但LD的光束细而强，为使红外光束照亮一定范围的场景，使用时还需要通过一个扩束镜头扩束才行。
二、摄像机的选择
目前摄像机的感光器件有CMOS与CCD两种。同CCD一样，CMOS图像传感芯片对红外光波也有反应，但它在890-980nm范围内灵敏度比CCD图像传感芯片要高出许多，并随波长增加而衰减的梯度也慢一些。随着CMOS图像芯片的飞速发展，其噪音讯号进一步降低，且星光级的CMOS摄像机也已有面市。因此，不一定局限在CCD摄像机中选择，可充分利用各自的优势选取。一般，红外摄像机的选择要点如下。
A、应选低照度摄像机，其照度要求一般≤0.02Lux
有些摄像机制造商或销售商虚报最低照度，使夜视有效距离大大降低，因此最好能具体测试。月光级和星光级等增感度摄像机可工作在很暗的条件下，但有些反光系数小的地方还是达不到要求，如沙漠，绿地，林区等。在这种情况下，就需要采用由高性能像增强器和CCIR制式的黑白CCD通过纤维面板和光锥直接耦合而成的微光夜视摄像机。总之，照度越低越好，由于目前还不规范，不能相信生产厂所标称的最低照度，要在实用条件下进行测试为好，通常照度要求一般≤0.02Lux。
B、选用的红外摄像机图像传感器的尺寸越大越好
因1/4CCD不能用于15m以上红外夜视的有效距离，因为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，夜视摄像机多选1/2的CCD，1/3的要测试可行的也可，但绝对不能选1/4的。
C、红外摄像机要有自动电子快门与自动增益控制(AGC)功能
因为有了这些功能，才能使信号调整到比较好的状态，以满足观察的效果。
D、需隐蔽场合选CMOS超微型摄像机
由于低功耗、高集成、小体积只有CMOS图像传感器才能办到，因而可作成衬衫钮扣、西装钮扣般大小的CMOS摄像机。加上相应的红外光源的更加小型化，以及高效能电池的推出，使第三只眼睛将会无处不在。这样，带上一副夜视眼镜和一顶配有红外光源和CMOS超微型摄像机的帽子，黑夜将如同白昼。显然，这将改变我们整个社会生活的面貌。
E、选配好摄像机的配套稳压小电源
摄像机的电源的选取要注意如下两点。
·选稳压电源。因市电AC220V不稳，如只选一交流变直流12V的变压器而不稳压就会使摄像机中的电路工作不稳定，从而使摄像机的工作不稳，所需性能就达不到要求；
·选比摄像机的电流要大近一倍以上的小电源为好。如摄像机的电流为200mA或250mA，一般选500mA即足够。若选太大如1A供1台摄像机就体积偏大与价钱偏贵；太小如等于摄像机的电流就可能发热(因连续工作时间太长)而影响可靠性与工作寿命等。
三、镜头等的选择
摄像机镜头是红外摄像机的关键设备，它的质量(指标)优劣直接影响到系统的成像效果，因此，镜头选择是否恰当即关系到系统质量，又关系到工程造价。因此，在选择镜头时要注意以下几个要点：
A、最好选红外镜头
因普通的光学镜头，物体反射回镜头的红外光不能有效聚焦到CCD靶面上，此时红外夜视效果就会大打折扣，因而最好选用红外镜头。尤其是彩转黑摄像机，不选用红外镜头就不能使日夜监视焦面一致，致使日夜图像不能都保持清晰。
B、选用镜头的成像尺寸最好与摄像机中图像传感器的尺寸一致
选用的镜头的成像尺寸应与摄像机中图像传感器的尺寸一致，如图像传感器的尺寸是1/2“，则镜头的成像尺寸必须是1/2“的。当镜头的成像尺寸比摄像机感光面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小，而当镜头的成像尺寸比摄像机的感光面的尺寸小时，就会影响成像，并表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的四个角上就会出现黑角。由此可知，对1/3“的摄像机，可选用1/3“、1/2“和2/3“的镜头；对1/2“的摄像机，可选用1/2“、2/3“的镜头，而不能用1/3的镜头。因为CCD就像人的眼睛，镜头就像人们用的眼镜，眼镜太小，眼睛就会看不清周边的事物。
C、最好选镜头与摄像机的接口安装方式一致
镜头与摄像机的接口安装方式有C型安装和CS型安装两种，两者最好一致。如果选用了C型镜头，则需加一5mm厚的接圈即可。若不加接圈就直接接到CS接口摄像机上，则可能使镜头的后镜面碰到CCD的敏感面的保护玻璃，而造成CCD摄像机的损坏，这一点在实用中需特别引起注意。
D、最好选自动光圈镜头，以适应昼夜照度很大的变化
由于日夜监控，其照度变化范围很大，因而最好选用能自动根据照度变化的自动光圈镜头，以使图像保持清晰。
E、镜头的分辨率与透光率要达到要求
用的成像镜头的分辨率必须要大于摄像机的分辨率，否则达不到所要求的清晰效果。并且镜头中镜片的透光率要好，即对光的衰减要非常小。
F、监视距离1公里以上，还需选用激光扩束准直镜头
要根据欲观察场景的大小与距离选择合适的激光扩束准直镜头，使激光束能照亮所需监控的场景，以便监控场景的反射光能被摄像机所接收。
G、注意选择有性能好的视窗玻璃的防护罩
除选红外灯、摄像机、镜头外，还要注意防护罩、供电电源等的成套综合考虑。因为防护罩对红外灯的效果就有影响，如红外光通过不同介质，透射率和反射率就不同。例如，不同的视窗玻璃，特别是自动除霜镀膜玻璃，对红外光的衰减也不同，所以要注意选择具有性能好的视窗玻璃的防护罩。
结语
由上可知，三种红外光源各有其优劣，但热红外光源基本被红外LED及LED-Array光源所淘汰。因为用LED-Array也完全可照射到几百米监控场景的距离。至于1km以上的超远距离的监控场景，还是应选用红外LD光源为好。因为它的亮度高，一个LD顶好多LED，所以红外LD光源的体积小、重量轻，是超远距离的最佳选择。
红外摄像机的选择最重要的问题是成套性。除选好红外光源外，对摄像机、镜头、防护罩、供电电源等的配套要综合考虑。只有按文中所述的选择要点综合考虑了，才能取到事半功倍的效果。