红外摄像机浅析:主动红外PK被动红外

2013-11-28 admin1 102

  随着安全问题逐渐成为社会关注的焦点,安防监控技术的发展也越来越受到社会各方面的重视,仅可见光监控已不能再满足人们的监控要求,24小时连续监控是现在监控系统中必不可少的重要部分。

  实现摄像机夜视的技术,目前都是采用红外夜视技术,红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术两种。

  1.被动红外摄像技术是利用任何物体在绝对零度(-273℃)以上都能辐射电磁波的原理。由于不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同,物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异,红外探测器能将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号,然后经过放大和视频处,形成可供人眼观察的视频图像,热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏,从而能显示出景物的特征。

  同一目标的热图像和可见光图像是不同,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布图像,不能清楚识别目标的细部特征,不能满足作为“证据”的要求,而且被动红外摄像机造价高,多用在军事方面,目前在监控领域的应用还很少。

  2.主动红外摄像技术是利用“红外发光二极管”人为产生红外辐射,产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光,辅助“照明”景物和环境,利用摄像机的图像传感器可以感受红外光的特性,感受周围环境反射回来的红外光,获取比较清晰的黑白图像画面,实现夜视监控。因此,现在的红外摄像技术多数采用主动红外摄像技术,通过红外灯来配合摄像机使用。

  主动红外技术目前比较成熟的有四种形式:

  1.传统led红外灯:由一定数目的红外发光二极管矩阵组成发光体。红外发射二极管由红外辐射效率高的材料制成pn结,外加正向偏置电压向pn结注入电流激发红外光,光谱功率分布为中心波长830~950nm,半峰带宽约40nm左右,它是窄带分布,为ccd可感受的范围。

  2.第二代阵列式集成红外光源:在原有led红外技术的基础上,采用了先进的封装技术,将几十个高功率、高效率的红外晶体原封装在一个平面上,集成了多颗红外发光芯片在一个小范围内,并作了“热电分离”处理,使得整个零件能置于任意大小、任意形状的散热体上,从而解决了散热问题,不再会由于高温而伤害了周遭其它电子元器件。

  3.第三代点阵式红外光源:采用高集成led阵列芯片技术,单ledarray的输出约为800mw~3.6w,电光转换效率为25%左右,发光体是单光源,发光角度可大可小。

  4.激光红外灯:属于半导体激光器,是利用半导体材料在空穴和电子复合的过程,以及电子能级的降低而释放出电子来产生光能的,然后光子在谐振规范光子的传播方向形成激光。激光有良好的方向性,表现为光束的角度小、能量集中,传播到较远的距离仍有足够的光照强度,所以非常适合远距离照明。

  二、各种红外技术的成像效果对比分析

  1.主动红外技术与被动红外技术的对比:

  主动红外技术的摄像机需要借助于红外发射灯,优点是能够呈现出目标的细节特征,成本较低;缺点是其照射距离相对较近,成像效果容易受环境影响,尤其是在雾、雪、雨等恶略天气下,主要应用于检测目标。

  被动红外技术的摄像机无需借助辅助光源,优点是穿透力强,照射距离远;缺点是只能呈现目标表面温度分布图像,主要应用于发现目标。

  2.四种主动红外技术的对比:

  1)传统led红外灯,它是目前使用最普遍的红外发光元器件,几乎占有95%以上的市场,但品质参差不齐,价格差异也大;

  其优点是体积小,生产工艺简单,品质容易保证、发热量低、发光光学系统合理,可以完全无红暴(采用940~950nm波长)或仅有微弱红暴(红暴为有可见红光),使用寿命可达几千小时以上,是做红外灯理想的器件,目前广泛用于夜视监控。

  其缺点是散热处理不良,造成周遭温度太高而影响附近电子元器件的寿命(如摄像机板,控制电路板等)。最为人垢病的是它的光衰减太快,一般不到一年就看不清夜视画面了。由于是用“环氧树脂”进行封装,“环氧树脂”遇热后会产生断裂,时间长了,断裂面就愈来愈多,红外光线通过每个断裂面时会有部分光发生折射,这就是为什么传统led灯光衰减快、寿命短的主要原因。

  2)第二代阵列式集成光源,它集成了多颗红外发光芯片在一个小范围内,并作了“热电分离”处理,使得整个零件能置于任意大小、任意形状的散热体上,从而解决了散热问题,不再会由于高温而伤害了周遭其它电子元器件。又由于使用的硅胶封装,材料不断裂而极大的减少了光衰减,寿命较传统led灯长了5-10倍。

  缺点是价格较传统led灯高出甚多。而且为了配合摄像机镜头的角度而使用透镜来缩小送光角度时,无可避免的有许多发光点偏离了透镜的中央(俗称:偏心现象)而造成送光效率不佳,以致相较于相同功率的传统led灯而言,“不够亮”是其缺点。

  3)第三代点阵式红外光源(ledarray),其电光转化效能为25%左右,较第一代普通红外led的10%左右提升了2.5倍,降低了功耗;单 ledarray的输出约为800mw~3.6w,亮度约是常规单led的输出5~15mw的100多倍;ledarray有效寿命为10,000h,比普通led的有效寿命高出5倍以上;使用金属制成,操作时易保持低温,散热性能良好;ledarray半功率角为10°~120°,可产生(180°形状)的发光面,解决了普通led室内空间无法均匀照亮的“手电筒效应”;ledarray为高度集成芯片,所以在相同亮度指标下其体积比其它红外产品小很多;

  第三代点阵式红外光源,价格更接近传统led,是目前红外照明市场上最好的技术,已经在慢慢替代传统led红外照明技术。

  4)激光照明技术,最远可达3000米,是常规产品照射距离(120-150米)的20倍以上。激光有良好的方向性,光束的角度小、能量集中,传播到较远的距离仍有足够的光照强度,所以非常适合远距离照明,适用于大面环境监控、森林防火、景区监控、港口码头监控、油田监控等。

  但是激光红外灯的生厂工艺不像led红外灯一样,其生产工艺要求非常高。同时激光红外灯生产需要投入庞大的资金,也是一般厂家所不能完成的。

  三、红外摄像机未来的发展方向

  目前的红外摄像机市场相当混乱,主要在于业界缺乏统一的标准规范。例如,红外灯的照射距离便常常是各家企业宣传的重头戏,彼此间又不太一样,而究竟照射的距离是在哪个条件下测得的,当时的环境照度如何,呈现出来的画面品质又如何,却无从得知,这正是目前红外摄像机面临的最严峻的考验,解决掉这个难题成为企业之间共同关注的焦点。

  主动红外技术由早期的有效率仅为5%,发展到现在有效率25-30%的ledarray技术,满足了近距到中远距离的红外夜视技术突破,而激光照明技术是实现远距离的夜视监控的最好途径之一,而且光强度也比常规光源强的多,远距离夜视技术是今后夜视监控市场的一个趋势。

  主动红外技术与被动红外技术的融合将是未来的趋势之一,利用被动红外技术穿透力强,照射距离远的特点去发现目标,利用主动红外技术照明的原理去采集目标细节特征,可以为中远距离监控提供有力的“证据”。

  此外,与另一种夜视技术--微光技术相融合,也是未来的发展方向之一,在微光与红外技术各自不断进步的时期,考虑到二者的互补性,在不增加现有技术难度的基础上,如何将微光图像与红外图像融合以获取更好的观察效果,该两项技术成为当前夜视技术发展的热点研究。

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