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红外夜视系统技术分析 红外灯的光源 阵列和红外灯的区别

2015-05-07  来自: 兰州扬天科技有限公司 浏览次数:333

红外夜视监控系统的常见技术问题分析 

    市场决定技术,在中国,由于市场的强势需求,在红外夜视这个领域,中国企业已经走在世界最前列,红外技术使用的普及程度令国外同行望尘。目前虽然有一些先进的技术方案提出,但是还没有稳定成熟的产品能够占领高端的市场。现就红外夜视监控中的常见技术问题说明一下,望能为工程商和用户对红外夜视监控的成熟使用提供参考。
     首先是距离的表示

距离的标识误导用户好像红外灯是有个尺度,有固定照射距离。实际上光线是一种能量,是随着距离增加而分散开来的,不会到某个距离就突然没有了,只是强度变弱了,不容易被识别和检测了。红外灯的距离真正有红外灯决定的只是一个部分,检测识别系统的作用给大,红外灯的功率增加一倍,体积,耗电,成本,重量都会成倍的增加。但是检测部分的提高性能则不然,一个更好的镜头,一个更灵敏的摄像机,都会带来质的的提高。影响效果的场地环境不容易改变,使用者的主观评价随着对夜视系统的了解是有改变的。作为前两个主要因素,光源和检测识别部分是系统的主要可变部分。

技术方案 红外灯的光源 阵列和红外灯的区别

  目前的红外技术方案主流的有热光源和LED技术。
    热光源由于效率低,发热量巨大,使用寿命短,消耗品价格高,抗冲击的能力差,启动延时,强烈的热辐射等问题,已经是过去的辉煌了。
    LED是充满生机的主流产品,不论是激光的LD还是单个封装的常规普通LED,还有大封装的大功率LED,还有多个封装的小LED,起个新名字叫阵列的。都因为性能,特点,价格,创意等特点和功能在市场上占有一定的份额。  
    寿命问题
寿命是有设计决定的,散热是最关键的,散热有把热量散发出去和控制热量两个层面。防水的问题是夭折的主要问题,防雷的问题和误用电压的问题,周边的辅料的问题,主要是壳体支架,导线。
  光源的选择
1,常规普通LED,2、多芯片小LED,3、单芯片大功率LED,4,多芯片大芯片LED。
单芯片LED生产工艺简单,品质容易保证、发热量低、发光光学系统合理,是做红外灯理想的器件,理论上使用寿命可达10万小时以上。
多芯片LED也有两种形式,一种是包含4到8颗芯片;另外一种是阵列式发光片,含有10到30颗芯片。为什么做多芯片呢?一些来自厂家的理论是:红外灯照射距离不够是因为能量不够,更多的芯片集合在一起,当然能量就大,想当然地认为照射距离更远。固然,更远的距离需要更大的能量。 
    多芯片小LED(阵列)因其结构上的固有缺点没有发光焦点,发光光学系统不合理,有用光效率也比较低,其优点没有有效地发挥出来。比如阵列式LED,电流高达1000mA以上,基本只是一分钱硬币大小,散热就成为一个问题。LED最怕的就是高温工作。同时,多芯片LED的生产要求非常严格,每颗芯片都不能有性能上的一点差异,否则就会形成薄弱点,一颗芯片坏掉就会扩散到整机。总体而言,相对于单芯片LED而言,多芯片LED的寿命是远远不够的。尤其是散热是关键。多芯片大功率的情况也是相同的,热量更大,工作环境更严酷。 
    单芯片LED灯的寿命事实上,能不能做的很长。这里面原因有很多,比如有的LED芯片级别很低,杂质超标;有的生产工艺不过关,有漏电现象;有的超功率使用,额定20mA,却使用50mA以上;有的没有保护电路,或电路设计不合理,这些都会导致单芯片LED红外灯快速坏掉。
要想保证红外灯的寿命,
1,要选用高等级的LED芯片。高等级芯片光效率高,光功率大、一致性好、发热量相对要小,当然价格也要高。
2,光学系统设计要合理、光分布要合理,利用率要高、减少不必要的反射,抗灰尘能力要高。方便清洁。
3,散热要合理,降低热阻,安装通风,防止灰尘进入,既要密封好又要散热快。
4,要严格控制工作电压。LED是电流型元件对电压非常敏感,电压稍高电流增加极大,瞬间LED管芯就会烧掉;而电压略低则发光量又会大大降低。使用220伏的红外灯。专业厂家专门生产匹配的高质量的专用的恒流开关电源,对温度变化引起的电流变化进行补偿。交流输入电压可以做到从170伏到250伏电压都能做到稳压恒流,适应恶劣的供电环境。
5,附件部分输入电源线选用抗高/低温、比较柔软抗弯曲的。厂家生产的红外灯,输入电源线可在低温零下60度、高温零上100度正常使用,好的夜视系统动作的时候,导线不会受到弯折,能更好的抵御环境对导线的老化的损坏。只有这样的产品才能长久使用。
问题红暴问题
有些厂家把能不能制造出无红暴红外灯当做一个技术问题来宣传,好像有红暴就是低技术,无红暴就是高技术。其实,有无红暴只是一个选择问题,并不是技术问题,波长超过700nm的光线叫做红外线,900nm以上的红外线基本无红暴,波长越短,红暴越强,红外线感应度也越高。现在市场上有两种主流红外灯,一种是有轻微红暴的,波长在850nm左右,一种是无红暴的,波长在940nm左右。同一款摄像机,在850nm波长的感应度,比在940nm波长的感应度好到10倍。所以850nm这种有轻微红暴的红外灯拥有更高的效率,应当做为红外夜视监控的项。
角度的问题
红外灯是不是视角越大越好?不论是制造商还是工程商想当然地认可这种说法,他们认为红外灯发射视角越大,选用镜头的余地也就越大,选择广角镜头不会出现“手电筒”现象。所以说,大家都拼命地说自己的红外灯的视角是如何之大。这种好像很有道理的说法其实是很不科学的。
首先,使用大视角度的红外灯配合小视角度的镜头,存在光的浪费现象。比如,一盏红外灯,发光角度是80度(相当于f3.5mm镜头的角度),如果配合f35mm的镜头,那么会有相当部分的光是在镜头视场以外,也就是说部分红外光都浪费了。一般情况下,红外灯的视角要与镜头的视角相一致,效果是最佳的。灯的发射角度用镜头的焦距来表示并不全面。同样角度的灯,用在不同的环境是不同的效果的,在一个表示该灯的额定功率,“-16”表示该灯的发射角度与f16mm的镜头角度一致,两者是可以配套的。其红外灯按角度分类,目前包括“-4”、“-8”、“-16”、“-35”四个系列,可以和市场上的常用镜头配套。
其次,并不是红外灯的发射角度越大,画面效果就越好。有的场合如果红外灯角度过大,还会影响成像。比如走廊,因其“狭长”的特点,如果红外灯的发射角度过大,则近处边缘的成像就会太亮,形成“光幕”现象;远处中心反而看不见,只有一片发白现象。所以,走廊的红外灯应该是镜头角度的二分之一或三分之一。
第三,可以利用焦点技术,两个窄角红外灯搭配并调整位置,可以达到广角灯的效果,市场上的红外夜视系统,就是利用焦点技术,做到了既望远又广角。在同样功率条件下,焦点技术可以提高感官作用距离。
总体而言,红外灯的发射角度的问题既是选择问题也是技术问题。不同焦距的镜头应选择相适应发射角度的红外灯,红外灯的发射角度无论在什么样的条件下都不应该大于镜头的视角,而在狭长环境中的应用,就该选用比镜头视角更小乃至三分之一的红外灯。窄视角红外灯通过搭配,可以得到理想的广角效果,效果更佳、成本更低。
通光量的问题
相对孔径决定了镜头的通光能力,相对孔径为F1.0的镜头通光量是相对孔径F2.0的镜头通光量四倍。同样的摄像机、红外灯,分别搭配上述两种镜头,红外作用距离可相差一倍。
大孔径镜头在红外监控方面,比常规普通镜头好四到十倍,按理说应该成为红外夜视监控的必须配套产品。但由于成本高昂,技术难度大,绝大多数红外产品制造商不具备供货能力。
由于众所周知的原因,市场上大量充斥虚标F值的镜头,尤其是变焦镜头,只标短焦不标长焦因而误导工程商,致使用户根本无法辨清谁家卖的是真货,谁家以次充好。建议用户要到专业大型厂家购买镜头。
焦点偏移的问题
可见光与红外光由于波长不同,成像焦点不在一个平面上,导致在白天可见光条件下图像清晰,而夜间红外光条件下模糊,或者夜间红外光条件下图像清晰,白天可见光条件下图像模糊。可以用三个办法解决。第一,采用自动聚焦一体化摄像机;第二,采用IR专用焦点不偏移镜头;第三,采用专业的调整工具,在现有镜头条件下也可以实现不偏移。
色彩问题
所有的黑白摄像机都是感应红外光的。红外光线在可见光条件下对于彩色摄像机来讲是一种杂光,会降低彩色摄像机的清晰度和色彩还原,彩色摄像机的滤光片就是阻止红外线参与成像。要想使彩色摄像机感应红外线现在有两个做法,第一,切换滤光片,在可见光条件下挡住红外线进入;在无可见光的条件下移开滤光片,让红外线进入,这种方案得到的图像质量好,但成本高并且切换机构会导致出现一定的故障率。第二,在滤光片上打开一个特定的红外线通道,允许与红外灯波长相同的红外光线进来,这种办法不增加成本,但色彩还原略差。
灵敏度的问题
摄像机灵敏度是红外夜视监控的核心部分。灵敏度越好,对红外线的感应能力也越强。当然,灵敏度越好的摄像机价格也越昂贵。一般来讲,50米以内的红外夜视系统,选用0.1勒克斯的摄像机就比较好;50米到100米范围的夜视系统应该选用0.01勒克斯的摄像机;100米以上的夜视系统应选用0.001勒克斯以上的摄像机。当然,随着灵敏度提高,摄像机的价格会有较大的递增。
当然,和其它许多产品一样,摄像机虚标指标的现象特别严重。我曾拿过一款0.1勒克斯摄像机和一款标称0.0001勒克斯的摄像机作对比,后者竟不如前者。更多的摄像机厂家,人为地提高信号强度,灵敏度是很不错,但信噪比很差,导致夜间图像“雪花点”很多很大。
距离的问题
不同厂家有不同红外夜视距离的标准。五个相关的主要因素,最后还是应该以客户的应用效果为标准,客户的满意为标准。客户的标准是看清人!什么样是算看清楚,还是要用户来评定的。“可视距离”、“发现距离”,都是误导,这个是要在特定的环境下来进行的。不同档次的摄像机、镜头之间的匹配,对于同一盏红外灯发出的光线感应度可能相差许多倍,可视距离也可相差很多。所以说,把某一盏红外灯具体地定为是多少米的说法是不甚科学。一盏红外灯的作用距离,只能与确定品质的摄像机和镜头共同匹配才能确定其作用距离。还有,因为应用的环境不同,效果也区别很大,用户的主观的评价也是关键的因素。所以要留有一定余量。

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