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深圳市安星数字系统有限公司

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激光夜视原理的分析及应用领域
作者:  发布时间:2018-11-09  浏览量:89

       自2000年以来,数字化监控市场得到了飞速的发展,国内诞生了一批新兴的数字化监控产品生产企业,其中以数字化安防产品为代表的夜视技术应市场需求发展尤其迅速。

夜视仪按原理分,有主动式和被动式两种。主动夜视系统是利用非可视光作光源,它有两种工作方式:一种是区域发光器,如红外灯;另一种是采用窄光束控制扫描视场,接收反射非可视光在监视器荧光屏上同步显示图像,这种夜视仪也可称为光夜视仪,如红外、紫外、X 射线等。被动夜视系统是利用自然界的微光如月光、星光、天空辉光、及物体本身所发的热,通过像增强器放大增强达到可视的目的;这类夜视仪也称为微光夜视仪或热像仪。

  低照度CCD摄像机达不到夜视要求,使得监控系统一到晚上便马上“失明”,安星激光红外夜视系统的出现有效弥补了这一漏洞,成为夜间监视的佼佼者。

夜视技术已成为当前监控技术的一个重要组成部分。多年来,在直视监控技术的基础上,夜视技术已得到迅速发展,而且已渗透到工业、农业、国防、ga、石油以及国民经济和生活的各个部门和领域。夜视技术在ga业务中的应用,已愈来愈引起人们的高度重视。在重要场所的监控、首脑人物的警卫、重要文物的保护、安全检查、交通管制、刑事侦察、消防工作、传送情报等业务工作中,都将其作为重要手段。

  当然,还有些地方如深海、森林深处、无灯光的仓库、船舱、暗室等照度更低。对于一些不允许用灯光照明的特殊场所就得用夜视系统监控。其次,在地点上的随机性更是显而易见的。偷渡、走私在海上、海岸或边陲,盗窃电器物资在荒野,偷伐树木在林区。为防止不法分子的为非作歹,就必须进行监视。而这些地点由于地域广阔,不能安装照明设备,也只好利用夜视仪来帮忙了。 再次,在场合上有的是公开场合,也有的是秘密场合。为了能隐辟监视,就不允许用照明设备。比如边防出入境、走私、偷渡、贩毒或其他重要机密部门的警卫暗哨,夜视系统是很好的帮手。

  红外激光远距离夜视系统国外部分发达国家的技术较为成熟,可是由于设备外形笨重、价格昂贵(1千米远距离的设备在10万美金左右)等诸多因素的存在,加上我国的基本国情使得依靠进口来普及此类技术的可能性极小;安星公司联合业内高级专家研制的红外激光远距离夜视系统,有效的摆脱了成本和外形设计的技术难关,使红外激光夜视系统很快在边防、油田、ga、海防、水库大坝等领域得到推广和应用。

  安星公司研发的全天候零照度远距离激光夜视仪其夜间监控距离可达到300-5000米。

  用在ga部门海陆两地缉毒、缉私、警侦、追捕等方面,可以有效的在黑暗中监控不法分子的行踪,极大的降低办案追捕人员的人身安全威胁。

  由于石油、工矿行业的工作现场和环境的特殊性,夜视系统的应用可以有效地解决空旷地的由于黑夜无法看清楚远距离的设备免遭不法分子破坏,有效地提高人员的使用量,增加了安全性。为石油、工矿行业的安全防范和保卫工作实现了黑暗中远距离监控的技术需求。外发生时指挥监控能及时了解黑暗里的人员及设备状况,据此做出有效的应急反应,可以有效比如:油井夜间监控,输油管道的防盗油,井下的防水系统、天然气系统的监视,以及在意的将损失控制为最小。

  夜视仪在文物、金库及重要仓储、基地的应用

夜视仪按原理分,有主动式和被动式两种。主动夜视系统是利用非可视光作光源,它有两种工作方式:一种是区域发光器,如红外灯;另一种是采用窄光束控制扫描视场,接收反射非可视光在监视器荧光屏上同步显示图像,这种夜视仪也可称为光夜视仪,如红外、紫外、X 射线等。被动夜视系统是利用自然界的微光如月光、星光、天空辉光、及物体本身所发的热,通过像增强器放大增强达到可视的目的;这类夜视仪也称为微光夜视仪或热像仪。



应用背景

  自2000年以来,数字化监控市场得到了飞速的发展,国内诞生了一批新兴的数字化监控产品生产企业,其中以数字化安防产品为代表的夜视技术应市场需求发展尤其迅速。

  低照度CCD摄像机达不到夜视要求,使得监控系统一到晚上便马上“失明”,安星激光红外夜视系统的出现有效弥补了这一漏洞,成为夜间监视的佼佼者。



行业应用

  夜视技术已成为当前监控技术的一个重要组成部分。多年来,在直视监控技术的基础上,夜视技术已得到迅速发展,而且已渗透到工业、农业、国防、ga、石油以及国民经济和生活的各个部门和领域。夜视技术在ga业务中的应用,已愈来愈引起人们的高度重视。在重要场所的监控、首脑人物的警卫、重要文物的保护、安全检查、交通管制、刑事侦察、消防工作、传送情报等业务工作中,都将其作为重要手段。

  当然,还有些地方如深海、森林深处、无灯光的仓库、船舱、暗室等照度更低。对于一些不允许用灯光照明的特殊场所就得用夜视系统监控。其次,在地点上的随机性更是显而易见的。偷渡、走私在海上、海岸或边陲,盗窃电器物资在荒野,偷伐树木在林区。为防止不法分子的为非作歹,就必须进行监视。而这些地点由于地域广阔,不能安装照明设备,也只好利用夜视仪来帮忙了。 再次,在场合上有的是公开场合,也有的是秘密场合。为了能隐蔽监视,就不允许用照明设备。比如边防出入境、走私、偷渡、贩毒或其他重要机密部门的警卫暗哨,夜视系统是很好的帮手。

  红外激光远距离夜视系统国外部分发达国家的技术较为成熟,可是由于设备外形笨重、价格昂贵(1千米远距离的设备在10万美金左右)等诸多因素的存在,加上我国的基本国情使得依靠进口来普及此类技术的可能性极小;安星公司联合业内高级专家研制的红外激光远距离夜视系统,有效的摆脱了成本和外形设计的技术难关,使红外激光夜视系统很快在边防、油田、ga、海防、水库大坝等领域得到推广和应用。

  安星公司研发的全天候零照度远距离激光夜视仪其夜间监控距离可达到300-5000米。

  用在公安部门海陆两地缉毒、缉私、警侦、追捕等方面,可以有效的在黑暗中监控不法分子的行踪,极大的降低办案追捕人员的人身安全威胁。

  由于石油、工矿行业的工作现场和环境的特殊性,夜视系统的应用可以有效地解决空旷地的由于黑夜无法看清楚远距离的设备免遭不法分子破坏,有效地提高人员的使用量,增加了安全性。为石油、工矿行业的安全防范和保卫工作实现了黑暗中远距离监控的技术需求。外发生时指挥监控能及时了解黑暗里的人员及设备状况,据此做出有效的应急反应,可以有效比如:油井夜间监控,输油管道的防盗油,井下的防水系统、天然气系统的监视,以及在意的将损失控制为最小。

  夜视仪在文物、金库及重要仓储、基地的应用



系统组成

  安星激光夜视系统采用激光照明系统、可变焦镜头、超低照度宽广红外摄像机、全方位云台等设备,使用科学、先进的手段集合而成。主要特点是:

  彩色转黑白: 采用设计,,配合安星激光红外照明系统,实现白天彩色晚上黑白的全天候实时监控。

  激光光斑可调: 采用特殊激光电动镜头,可实时对激光光斑的照度角度和光强进行调整,实现了无盲区夜视。

  监视距离远 : 可达1500-2000米。

  照度低: 可在没有包括星光的任何照明的黑暗环境下使用。

  变焦范围大 焦距从10-500mm连续可变。

  光轴稳定性好 采用了光轴微调系统,在全变焦过程中,画面没有跑偏

  或跳动。

  本系统被广泛应用在:边防、海防、海事、防汛、森林防火、城市环境检测、油田、海堤、ga、铁路火车机车等需要远距离夜视监控的场所。

  红外夜视系统的选择最重要的问题是成套性,即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源、恒温系统的成套性。在设计方案时对所有器材综合考虑设计,把它作为一个红外低照度夜视监控系统工程来考虑设计。在考虑成套性时,特别要注意以下几个问题。

红外灯的选择
  红外灯的选择:人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列,依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62~0.76μm;紫光的波长范围为0.38~0.46μm。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。 红外夜视,就是在夜视状态下,摄像机的红外作用部件会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体,没有红外滤光镜,不再阻挡红外线进入CCD,红外线经物体反射后进入镜头进行成像,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,即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。因为普通彩色摄像机用CCD只能感应可见光,这就造成夜间所拍摄影像很不清晰或看不到图像。为了解决这个问题,许多生产红外夜视摄像机的公司采用“红外LED+感红外彩色CCD”的技术, 红外LED发光管品质一般,寿命只有2000-3000小时,摄像机只能使用不到一年就可能会产生故障,或因为单个红外LED发光管功率较小,导致夜视摄像机照射距离较短。红外灯的选择直接关系到整套系统夜间的效果,目前市场广泛使用的有LED红外灯、微阵列LED红外灯、卤素滤光型红外灯等。因以上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,从而不适用于远距离辽望监控。本系统采用国际成熟激光技术作为CCD照明辅助光源。

经过我们多年实验与研究发现:半导体激光器最适合应用以摄像机成像。半导体激光器即为激光二极管,记作LD。

半导体激光器的优点:尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤或激光透镜尺寸适配,可直接调制。

  另外激光的单色性很好,我们知道,普通的白光有七种颜色,频率范围很宽。频率范围宽的光波在传播中传输会引起很大的噪声,使光照距离很短,图像质量比较差。而激光是一种单色光,频率范围极窄,发散角很小,只有几毫弧,激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度,只有10-8nm,颜色非常纯。这种光波在传播中传输产生的噪声很小,这就可以增加光照距离,并且CCD图像也非常纯正,有效保障了图像质量。

  激光灯的相干性高 ,一个几十瓦的电灯泡,只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直径的小球内,就可以得到很高的光功率密度,用这个能量能把钢板打穿。然而,普通光源的光是向四面八方发射的,光能无法高度集中。普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的,经过透镜后也不可能会聚在一点上。激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯,从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播,可以用透镜把它们会聚到一点上,把能量高度集中起来,送至激光透镜,这就叫相干性高。所以激光可以有效的保障CCD的夜间成像距离。

  再者激光灯的方向性强 ,激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多,它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去,历经38.4万公里的路程后,也只有一个直径为2km左右的光斑。如果用的是探照灯,则绝大部分光早就在中途“开小差”了。 普通光源总是向四面八方发散的,这作为日常照明来说是必要的。但要把这种光集中到一点,则绝大多数能量都会被浪费掉,效率很低。半导体激光器发出的光绝大部分都很集中,很容易通过激光透镜进行CCD照明成像。
镜头
  镜头是夜间监视的又一个最主要的组成部分,镜头就是摄像机的眼睛。电视画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力,受光学镜头的内在质量所制约。当今市场上常见的各种摄像机的镜头都是加膜镜头。加膜就是在镜头表面涂上一层带色彩的薄膜,用以消减镜片与镜片之间所产生的色散现象,还能减少逆光拍摄时所产生的眩光,保护光线顺利通过镜头,提高镜头透光的能力,使摄像机的画面更清晰。因为普通镜头所渡的膜主要是滤红外光,而我们夜视产品所需的镜头正是需要在红外光部份有更高的透过率,并且要排除白天所有杂散光。如此便产生了一个矛盾,因为激光夜视摄像产品客户在白天也要求有很高的成像效果,并且又得保障晚上激光红外光的高透过率。安星AIthink公司针对此问题研发出了系列日夜两用摄像机来配合安星夜视专用镜头。因为可见光和红外光的聚集面的不同,导致生成的图像模糊;系统采用的多层镀膜红外校正镜头,可以更有效的抑制逆光时产生的重影及乱反射产生的耀斑,校正了可见光和红外光之间的偏差,使白天和晚上图像一样清晰。

  实现白天彩色晚上黑白的全天候实时监控,并且该系统镜头采用宽光谱镀膜,光谱范围从400∽850nm,而且是双峰值镀膜,除保证镜头在可见光范围的高透过率外,在红外部分也有高透过率。在使用红外照明时,启动长波通短波截至滤光片,大大提高图像的清晰度。

  焦距是焦点距离的简称。焦距是标志着光学镜头性能的重要数据之一,因为镜头拍摄影像的大小是受焦距控制的。如,在对同一距离的同一目标监视时,镜头的焦距越长,镜头的水平视角越窄,拍摄到景物的范围也就越小;镜头的焦距越短,镜头的水平视角越宽,拍摄到的景物范围也就越大。目前市场上小焦距值的镜头比较多,技术也相对比较成熟。但在远距离监控项目中使用的镜头却是掘指可数,一方面长焦距镜头所要求的技术难度较大,并且成本较高。另外长焦距镜头的使用领域也较窄,并且数量很少。所以国外的很多大的厂商都不愿做这方面的投资,而国内的厂商又因为技术难度太大,基本生产不了,或是生产出来的镜头质量都不是很理想。如:光轴跑偏或跳动、光学分辨率较低、视场角窄、通光口径小、还有就是驱动的电机及整体质量的把控上相比较都不是很成熟。在选择镜头时我们都应该按上述的充分了解和综合比较。

  视场角是指摄像机镜头能涵盖多大范围的景物,通常以角度来表示,这个角度就叫镜头的视角。被监视的对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积,是镜头的视场。但是在客户不了解视场角的情况下选择镜头有可能就会用不了,装上摄像后成像困难或是镜头在最短焦时所出来的图像有黑边。所以,在选择摄像机的镜头时,镜头成像尺寸必须与摄像机像面的最佳尺寸一致。视场解的规格与摄像机的成像距离又有很大的关系。并且1/3像面的镜头在生产上有一定的技术难度。所以市场上基本以1/2的居多。同等焦距值时1/3像面的镜头较1/2的监视距离要远得多。但成像分辨率区别并不大。安星AIthink公司所生产的系统镜头在确保了白天和晚上都能使用1/2英寸的低照度宽广红外夜视摄像机

  制造镜头离不开光学玻璃,光学玻璃本身有些性能参数,这些参数的不同确定方法对最终的镜头(或其它光学仪器的)性能也会有一定影响的。目前前国际确定光学玻璃参数的“取值”标准基本是一样的。镜头的分辨率越高摄像机的成像效果也就越好,光透过量也就越大。描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变,但对用户而言,需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率,以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位,计算公式为:镜头分辨率N=180/画幅格式的高度。由于摄像机CCD靶面大小已经标准化,如1/2英寸摄像机,其靶面为6.4mm*4.8mm,1/3英寸摄像机为4.8mm*3.6mm。因此对1/2英寸格式的CCD靶面,镜头的最低分辨率应为38对线/mm,对1/3英寸格式摄像机,镜头的分辨率应大于50对线,摄像机的靶面越小,对镜头的分辨率越高。

  镜头有手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris)之分,配合摄像机使用,手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合,自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整,故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类:一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈,称为视频输入型,另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈,称为DC输入型。自动光圈镜头上的ALC(自动镜头控制)调整用于设定测光系统,可以整个画面的平均亮度,也可以画面中最亮部分(峰值)来设定基准信号强度,供给自动光圈调整使用。一般而言,ALC已在出厂时经过设定,可不作调整,但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时,明亮目标物之影像可能会造成“白电平削波”现象,而使得全部屏幕变成白色,此时可以调节ALC来变换画面。另外,自动光圈镜头装有光圈环,转动光圈环时,通过镜头的光通量会发生变化,光通量即光圈,一般用F表示,其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比,即:F=f(焦距)/D(镜头实际有效口径),F值越小,则光圈越大。采用自动光圈镜头,对于下列应用情况是理想的选择,在诸如太阳光直射等非常亮的情况下,用自动光圈镜头可有较宽的动态范围。要求在整个视野有良好的聚焦时,用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。 要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时,应使用自动光圈镜头。

  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,镜头选择是否恰当即关系到系统质量,又关系到工程造价。普通的光学镜头,红外对应镜头对红外光成像,夜间监控时LED灯作用物体反射回镜头的红外光不能有效聚焦到CCD靶面上,红外夜视效果就会大打折扣。

  选择镜头时应注意以下几点:

  1:镜头的成像尺寸 应与摄像机CCD靶面尺寸一致;

  2:镜头的分辨率

  3:镜头焦距与视野角度(根据摄像机被监控目标的距离选择镜头的焦距,镜头焦距F确定后则由摄像机靶面决定视野)

  4:光圈或通光口径比。



摄像机
  DSP这个名词在CCTV工业中越来越被广泛使用。DSP(Digital Signal Processing)是数字信号处理的缩写。DSP芯片提高了摄像机的视频处理及操作性能 。DSP技术不仅使摄像机在性能上获得优势,同时也使生产商节省了零件及装配时间,从而降低了成本。DSP摄像机可分为两类:

  1、智能型DSP摄像机:此类摄像机提高图像效果的同时具有智能特色。典型的智能摄像机 具有以下几种特点:可编程的背景光补偿、视频动态检测、通过串行数据接口可进行遥控、 内置字符发生器、屏幕菜单。

  2、普通型DSP摄像机:这类低水平的DSP摄像机不具备与DSP技术相关的任何智能特色,仅仅是出于降低成本的考虑。在选择 DSP 摄像机时,建议您仔细阅读其性能参数。

  

  安星公司采用的微光夜视摄像机(ICCD)是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藕合而成。与间接(光学透镜组)耦合相比,它具有光信息量衰减小,几何畸变小、体积小等特点。主要运用于远距离微光电视系统、夜间监控观察系统、、X光成像系统等系统中,在军队、武警、ga、安全、边防、海关、油田、航海、环境检测等领域有广泛的应用。



防护罩

  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,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,对红外光的衰减也不同。因远距离夜视系统的运用场合都比较特殊,所以对护罩的产品质量及防护要求都比较高。在选择的护罩时安星都应综合考虑。

生产工艺
  生产工艺粗糙和技术缺陷,如激光灯不能和镜头以及其它部件有效配合,夜间监控图像产生光晕或光斑;激光灯电路部分设计不合理,没有恒流,延时启动和保护电路,安装后短时间造成激光器烧毁或工作时功率随气温变化,国内一些相对专业的激光夜视设备生产厂家就出现过这样的问题。另外就是设计的合理性及实用美观性,不能因为成本而影响了质量!

厂商经验
  厂商经验在整套系统中应为最重要的一部份,因夜视系统非普通民用监控,如没有一定的经验做为基础即使有再好的产品都达不到客户理想的效果,有经验的厂商在产品设计时能够考虑整套系统的实际运用及即时处理现场的一些特殊问题。反之,没有经验的厂商会因成本而选购一些质量较差配件,如此将会影响到系统的实际运用及使用寿命,会给客户带来很大的麻烦。安星数字系统有限公司拥有丰富的厂商经验,可以为各种工程环境提供最卓越的一整套激光夜视方案。





By: 安星数字系统有限公司市场部贺龙飞http://www.aithink.cn

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