超远距离红外激光夜视系统的研究

    超远距离红外激光夜视系统的组成及其工作原理

    最基本的超远距离红外激光夜视系统，由大功率半导体激光器LD、驱动控制器、光学扩束准直镜头、摄像机及其长焦距镜头、传输系统及监视器等组成。大功率半导体激光器LD，通过大电流驱动与控制，发射出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激光的光束细、亮度高，因此必须要根据所监视的远距离目标的距离和范围，通过光学扩束准直镜头将红外光束扩束照亮到所监视范围的目标场景。红外线经物体反射后进入摄像机的长焦距镜头到光敏面上成像。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时由超低照度摄像机可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。这种影像，再通过传输系统送到监控中心去记录与显示。

    红外光传输应注意的几个技术问题及解决措施

    由于是1km以上的超远距离红外光波传输，就有几个应注意的技术问题。

    在空气中传输的质量受天气的影响较大

    在任何大气传输链路中，都有几个需要考虑的因素（即引起传输信号衰减的原因）。

    大气中分子的吸收

    LED和LD发光的大气传输系统的信号损失，主要是由其传输介质――大气的吸收引起的。因为光束从气体中穿过时，总会发生一定程度的分子吸收。而且，空气对某些波长的光吸收得特别厉害，这些波长根本无法用于信号传输。由大气吸收引起的衰减尚可接受的波段称为大气透射窗（atmospheric windows）。这种大气透射窗波段的数据在各类文献中都可以查到，因此所有的LED和LD的系统都必须在这个大气透射窗内的波长上工作。

    空气中的微粒吸收
    空气中的微粒，如灰尘和烟雾，是另外一个引起光信号吸收的因素。显然大气中总是或多或少地含有一些这样的微粒，尤其在水体附近，这类颗粒的含量有时非常高。在这些地方，一般总是尽量将光设备安装得离地面高一些，以改善光传输的效果。

    雾气的吸收与散射
    雾气也是引起严重红外吸收的因素，并且雾气还会使光发生前、后向散射。因此，在多雾的区域，必须根据当地的气候来选择光收发设备的工作时段，因为起雾的时候系统将无法正常工作。

    大气紊乱性的影响
    大气具有一定程度的紊乱性，它除了会造成信号损耗外，还会给信号掺入噪声。如风会引起大气乱流，而大气乱流又会导致信号路径上空气的折射率发生变化。这种现象与阳光曝晒下的地区产生热浪、引起海市蜃楼的现象类似。这种影响最终是将红外光束折射到无法确定的其它方向，从而使摄像机拍不到所需监控的目标。

    由此可知，由于红外光波传输技术是在空气介质中传输，因此其传输质量受天气的影响较大。一般，晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾天对传输质量的影响较大。经测试，红外光波传输受天气影响的衰减经验值为：晴天5~15dB/Km；雨天20~50dB/Km；雪天50~150dB/Km；雾天50~300dB/Km。目前解决这个问题，一般采用更高功率的LD管、更先进的光学器件和多光束。

    实际上，对超远距离红外激光夜视系统来说，主要受上述空气中的微粒、雾气等吸收和散射的影响，同步脉冲距离选通技术能较好地解决这一问题。

    同步脉冲距离选通技术

    距离选通(Range-Gate)技术，实际上主要有二个关键：一是要有脉冲激光束照射技术，即所发射的激光是可控制的脉冲式的；二是要有能高速开通和关闭的强化CCD，且其开关速度达几百ns，而且还要与激光束脉冲保持严格同步。这样，就可使观察人员选定特定的观察距离，从而可轻易地消除其他距离内水珠、雾、雪、沙尘等产生的强散射光与反射光的干扰。因为CCD大部分时间是关闭的，不接收这些干扰光，所以就不会在CCD上显像。

    激光的安全影响了使用

    为解决天气对光波传输质量的影响，往往加大激光二极管的功率。但超过一定功率电平的激光对人眼可能会产生影响，因此人体可能被激光系统释放的能量伤害。所以，为增加夜视距离，激光功率不能无限制地加大。

    超远距离的红外激光夜视系统的几个主要部件的选择红外光源的选择

    人的眼睛能看到的可见光波长从长到短为0.78μm、0.38μm，其颜色排列依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。比紫光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。利用红外光源，能发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头到CCD上成像，这时即可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。 

    目前市场广泛使用的红外光源有LED红外灯、微阵列LED红外灯、卤素滤光型红外灯等。但这几种红外灯在照射距离、功耗、效率等方面都存在一定局限性，而不适用于1km以上的超远距离夜视监控。因此，这种系统必须采用近红外大功率半导体激光光源照明，我们选用国产半导体激光二极管LD，其波长为808nm，功率根据所需距离有1W-10W等。

    摄像机的选择

    众所周知，固体摄像机有CMOS与CCD两种。同CCD一样，CMOS图像传感芯片对红外非可见光波也有反应，但它在890-980nm范围内其灵敏度比CCD图像传感芯片的灵敏度要高出许多，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，其噪音讯号进一步压低，星光级的CMOS摄像机也将面市。而低功耗、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更加小型化产品，以及高效能电池的推出，这样第三只眼睛将会无处不在。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。 

    由于我们使用国产半导体激光二极管LD的波长为808nm，因此选择CCD摄像机。但值得注意的是，1/4″CCD不能用于15m以上红外夜视的有效距离，因为1/4″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，超远距离的夜视摄像机多选1/2″的CCD。 

    一般，夜视摄像机要求不加红外灯时CCD的最低照度不超过0.02LUX，而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，因此需要具体测试。月光级和星光级等增感度摄像机可在很暗的条件下工作，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成像增强器和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。

    镜头的选择

    摄像机镜头是红外夜视监控系统的关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响到整套系统的成像效果，因此，镜头选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。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。

    选择镜头时一般应注意以下几点：

    镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸一致，即选1/2或以上尺寸的镜头
    根据摄像机被监控目标的距离，选择镜头的焦距(其计算公式可参见本人编著的《电视监控技术》第一章第三节)，镜头焦距确定后，则由摄像机靶面决定视野

    镜头的分辨率与透光率要达到要求
    合适的光圈或通光量此外，除摄像机镜头外，还要根据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CCD摄像机所接收。

    传输系统的选择
    一般监控视频图像的传输通常采用下述四种方法：

    网络传输
    无线传输
    同轴电缆传输
    双绞线传输这四种方法各自的优劣，业内工程技术人员均已熟知，就不加介绍了。一般监控中心距离近，多采用同轴电缆传输，至于其他的传输方式，则看当时当地的条件了。
    监视器的选择
    监器的选择标准有两条：

    黑白与彩色要与摄像机相配

    所选用的监视器的清晰度要高于(最好高一档)所选用的摄像机的清晰度指标需要注意的是，不要认为摄像机的清晰度指标为400线，则选用清晰度为400线的监视器就够了。如果这样配置的话，那所显示的图像清晰度就会只有300线左右。因为所谓400线的清晰度是指在用摄像机摄取标准测试卡时，在测试卡上400线时的视频信号输出幅度为在100线时视频信号幅度的40%左右，而监视器的清晰度也是如此定义的。因此，将它们相配时就会使得在400线时的视频信号输出幅度只有16%，而40%的位置就会降低移至300线左右了。所以，要想充分显示摄像机的清晰度性能，就应当选用高一档清晰度的监视器。虽然价格要贵一些，但能充分显示出系统的优势和指标特色。

    防护罩的选择

    防护罩对红外灯的效果也有影响，红外光在传输过程中，通过不同介质，其透射率和反射率也不同。不同的视窗玻璃，特别是自动除霜镀膜玻璃，对