摘要：主動紅外監(jiān)控是安防監(jiān)控的重要手段，目前市場上的主動紅外攝像機主要有LED紅外和激光紅外兩類。LED紅外受光強度和技術水平限制，很難實現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控，也很難實現(xiàn)50m以上的清晰照明；近年來，國內激光紅外技術飛速發(fā)展，監(jiān)控距離和照明亮度都遠超過LED紅外燈，且性能優(yōu)越。本文結合浪潮華光研究經驗，對國內激光夜視的研究情況進行了總結，介紹了激光紅外監(jiān)控的系統(tǒng)組成和激光紅外技術的優(yōu)點及發(fā)展現(xiàn)狀，為客戶及工程商選擇合適的紅外監(jiān)控設備提供借鑒。
　　
　　1.引言
　　
　　夜視監(jiān)控是指攝像機在夜晚或低照度的環(huán)境下呈現(xiàn)較為清晰的目標畫面，該技術借助于光電成像器件實現(xiàn)夜間對目標的監(jiān)控觀察[1]。夜視技術主要分為主動紅外技術、被動紅外技術、微光夜視技術，其中，在民用領域應用最廣泛的當屬主動紅外夜視技術。主動紅外技術自上世紀60年代由美國貝爾實驗室研發(fā)以來，技術水平經歷了飛速發(fā)展，由光電轉換效率僅有5%的紅外燈泡，到現(xiàn)在發(fā)光效率高達60%以上的激光紅外照明模組?，F(xiàn)今主動紅外夜視領域主要包括LED紅外技術及激光紅外技術。LED紅外技術主要是使用850nm附近波長的LED紅外燈作為監(jiān)控攝像機的照明光源，發(fā)光效率最高在30%左右；激光紅外技術主要是使用810nm、860nm、940nm等波長的激光器作為監(jiān)控攝像機的照明光源。
　　
　　LED紅外技術經過多年的發(fā)展，目前統(tǒng)治著民用安防照明市場。但由于LED紅外技術的局限性和LED發(fā)光效率的限制，不能實現(xiàn)80m以上的夜視監(jiān)控，且50m以上成像不夠清晰。這些問題都需要激光夜視技術的推廣來解決。
　　
　　近年來，隨著國內激光紅外技術研發(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，可以實現(xiàn)幾十米甚至幾公里的監(jiān)控要求。本文總結了國內激光夜視近年來在照明距離、光源壽命、鏡頭搭配等領域的發(fā)展成果。
　　
　　2.激光夜視監(jiān)控的系統(tǒng)組成
　　
　　激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)主要由激光照明模組、監(jiān)控攝像機、機械線路及顯示部分組成。
　　
　　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，可以輕松實現(xiàn)100米至幾公里的夜視監(jiān)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、光強分布不對稱的問題[2]，所以半導體激光器需要經過光斑勻化。圖1為浪潮華光激光器經過勻化技術后的激光光斑。

　　圖1 浪潮華光勻化后的激光光斑

　　
　　光斑勻化后，還需要使用光學擴束鏡配合來實現(xiàn)激光照明。對于不同的環(huán)境要求，可以實現(xiàn)定焦照明和變焦照明。我公司激光器可實現(xiàn)30m、50m、100m等不同距離的定焦照明，也可實現(xiàn)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。可以看出兩種光敏器件在近紅外區(qū)域，光敏強度隨著波長增加而降低?，F(xiàn)今民用激光照明光源波長一般是810nm，LED紅外波長為850nm，也就是說相同光強度下，合適的攝像機對于激光波長的感應更敏感，成像更清晰。

　　
　　為保證成像質量，避免紅外光與可見光的相互干擾，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，其中的濾光片必須能透過810nm波長附近的光。
　　
　　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，有利于進行激光光束整形，可以實現(xiàn)比LED點陣和LED陣列更遠距離的夜視照明。一般情況下， 激光夜視監(jiān)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(tǒng)特性等都有直接關系:

　　
　　其中，Ed 為感光元件成像的照度閾值，P為無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(tǒng)透過率，ρ為目標漫反射系數(shù)，μ為大氣衰減系數(shù)，τ為成像系統(tǒng)透過率，D為成像系統(tǒng)透光孔徑，f為成像系統(tǒng)焦距[3]。
　　
　　例如，使用我公司激光器設計的激光高速球，200米時發(fā)光角度如設定為0.07rad。估算條件如下：發(fā)射和接收光學系統(tǒng)的透過率跟所使用的玻璃元件數(shù)、有沒有鍍增透膜相關，光學鍍膜處理后，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.有資料稱白紙的漫反射系數(shù)為0.75左右，清空下空氣衰減系數(shù)取0.0002/m。經計算，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，來滿足各種應用環(huán)境要求。
　　
　　目前，國內生產的云臺式的激光監(jiān)控設備，使用激光照明器出光功率超過15W，夜間監(jiān)控距離可以達到3-5公里。
　　
　　3.2激光器壽命長
　　
　　半導體激光器光電轉換效率在60%以上，產生熱量不足總功率的40%，另外金屬熱沉熱導率高，同時配合溫控電路，可以保證激光器工作溫度不超過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，光電子器件的壽命經驗公式：

　　
　　L(T)為溫度為T時器件壽命，Ea為激活能，K為玻爾茲曼常數(shù)，A為常數(shù)[4]。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(xiàn)，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(xiàn)的幾率微小。半導體激光器經過老化后，基本排除了早期失效產品，保證了激光紅外燈有足夠長的使用壽命。
　　
　　下圖為5組浪潮華光生產的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(wěn)定。

　　半導體激光器主要由激活區(qū)電子-空穴對的無輻射躍遷和腔面高功率密度引起，大電流、高溫、高濕環(huán)境都會降低激光器的使用壽命，另外，電浪涌和靜電都會導致半導體激光器失效[4]。我們生產的激光照明模組具備先進的封裝形式和電路設計，提高了產品抗高溫、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
　　
　　激光夜視儀同步變焦技術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(qū)域被有效照亮的技術。國內一些激光夜視儀生產商聲稱自己產品具備同步變焦技術，但是效果參差不齊，許多產品存在手電筒效應或光束利用不充分的問題，影響了監(jiān)控效果。我們利用先進的機電控制手段，使產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(xiàn)象。
　　
　　4.結論
　　作為主動紅外新技術，激光紅外技術已經成熟，并且比LED紅外技術優(yōu)勢明顯：拍攝畫面更清晰、監(jiān)控范圍更廣、使用壽命更長、更節(jié)能、性價比更高。現(xiàn)階段，民用市場還主要被LED紅外燈占據(jù)，激光紅外目前僅應用于特殊領域。激光夜視以其卓越的性能優(yōu)勢，必將在民用領域取得大規(guī)模應用。
　　
　　浪潮華光正在為激光夜視的推廣普及拼搏努力。“觸銳”系列激光照明產品將以卓越的性能和較高的性價比，改變紅外監(jiān)控市場的格局。 (本文系浪潮華光投稿)
　　
　　參考文獻
　　
　　[1] 趙娟,張伯虎,徐博.基于激光紅外夜視系統(tǒng)的研究[J].科技資訊，2007，21：225-226.
　　[2]李宗陽 .大功率半導體激光器光束特性研究[D].長春：長春理工大學：2010.
　　[3] 單肖楠.半導體激光器主動紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)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[J].應用光學，2008，1：90-95.