紅外夜視監控系統的三大技術八項問題

2018-10-26

紅外夜視到底能做到多遠?
     技術到家的話,100米以上的紅外夜視系統并不是什么難事。技術到家,指的是必須同時精通紅外燈技術,紅外感應攝像機技術和紅外感應鏡頭技術,三者缺一不可。

視頻監控的發展方向在于室外,室外監控的發展方向在于夜視,夜視的發展方向在于紅外技術,這個趨勢越來越明顯。在紅外夜視這個領域,中國企業已經走在世界最前列,一些先進技術令國外同行望塵莫及。但是,這畢竟是一個新興產業,大量劣質產品泛濫市場,影響了人們對紅外夜視產品的信任。另外,還有一些當年很領先的企業,因為死抱暴利不放、技術上固步自封,很快就被市場拋棄的現象存在,值得令人深思。

本文涉及到了紅外夜視監控中的常見技術問題和疑難解惑,借此機會與廣大讀者和工程商做一個溝通,同時希望能為工程商和用戶對紅外夜視監控的進一步認識提供有價值的參考。

紅外夜視監控的三大技術八項問題  

縱覽天南海北,這么多的紅外燈制造商信誓旦旦地標稱自己的紅外燈照射距離是100米或200米等等,還發明了“足米”這一名詞,從而誤導工程商好像紅外燈真的有固定照射距離。而不管廠家如何宣傳,工程商就是不信并認為標稱100米的紅外燈能勉強用到50米就不錯了。很多負責任的工程商,更是買了無數的紅外燈也達不到用戶的要求,真是有苦難言。
那么,紅外燈真的有固定照射距離嗎?紅外夜視監控就只涉及紅外燈技術嗎?無數的事實證明,答案是否定的。事實上,就任何紅外燈本身來說,絕對不存在固定的照射距離,任何孤立地標注紅外燈照射距離的做法,都是很不科學的。也有還算專業的人士和廠家,朦朧地意識到紅外燈要想達到理想的照射效果,需要優秀的攝像機和性能出色的紅外鏡頭。而最經常聽到的說法是,需要0.001 Lux以上的紅外感應攝像機,最好是黑白的;需要某種特別的紅外鏡頭,紅外透過率達到百分之九十五以上。問題是,任何一個從事專業光學研究和制造的工作者都知道,這些所謂的紅外透過率達到百分之九十五以上的鏡頭,真的要達到百分之九十五以上的紅外透過率是比較困難的。
而本文將從紅外夜視監控系統中常見的幾大問題入手,針對目前廣大用戶在使用該類產品中經常遇到的難點展開視角獨到的剖析,一定會為廣大工程商對紅外夜視監控的進一步認知帶去有價值的參考。

   紅暴問題
有些廠家把能不能制造出無紅暴紅外燈當做一個技術問題來宣傳,好像有紅暴就是低技術,無紅暴就是高技術。其實,有無紅暴只是一個選擇問題,并不是技術問題,波長超過700nm的光線叫做紅外線,900nm以上的紅外線基本無紅暴,波長越短,紅暴越強,紅外線感應度也越高。現在市場上有兩種主流紅外燈,一種是有輕微紅暴的,波長在850nm左右,一種是無紅暴的,波長在940nm左右。同一款攝像機,在850nm波長的感應度,比在940nm波長的感應度好到10倍。所以850nm這種有輕微紅暴的紅外燈擁有更高的效率,應當做為紅外夜視監控的首選項。

      壽命問題
攝像機的使用壽命可達10年以上,紅外燈的壽命是否也能達到這個水平?正確回答這個問題,首先要了解目前紅外燈的制造原理。目前紅外燈主要有三種制造模式:1、鹵素燈,2、多芯片LED,3、單芯片LED。鹵素燈是一個較傳統的技術,能耗高,發熱量大,使用壽命較短,因其使用效率低下,估計會逐步地淡出市場。
多芯片LED也有兩種形式,一種是包含4到8顆芯片;另外一種是陣列式發光片,含有10到30顆芯片。為什么做多芯片呢?一些來自廠家的理論是:紅外燈照射距離不夠是因為能量不夠,更多的芯片集合在一起,當然能量就大,想當然地認為照射距離更遠。固然,更遠的距離需要更大的能量,但并不是紅外燈發出了多少紅外光,攝像機就能接收多少紅外光。
多芯片LED因其結構上的固有缺點沒有發光焦點,發光光學系統不合理,有用光效率也比較低(當然,比鹵素燈強幾倍),其優點沒有有效地發揮出來。比如陣列式LED,電流高達1000mA以上,基本只是一分錢硬幣大小,散熱就成為一個問題。可LED最怕的就是高熱啊,不壞才怪呢。同時,多芯片LED的生產要求非常嚴格,每顆芯片都不能有性能上的一點差異,否則一顆芯片壞掉的話整機就全部完了。總體而言,相對于單芯片LED而言,多芯片LED的壽命是遠遠不夠的。
單芯片LED生產工藝簡單,品質容易保證、發熱量低、發光光學系統合理,是做紅外燈理想的器件,理論上使用壽命可達10萬小時以上。那么,是不是所有的單芯片LED燈的壽命都很好呢?
事實上,遠不是這么回事。這里面原因有很多,比如有的LED芯片級別很低,雜質超標;有的生產工藝不過關,有漏電現象;有的超功率使用,額定20mA,卻使用50mA以上;有的沒有保護電路,或電路設計不合理,這些都會導致單芯片LED紅外燈快速壞掉。
要想保證紅外燈的壽命,首先要選用高等級的LED芯片。高等級芯片功率大、一致性好、發光效率高、發熱量很小,一顆高等級LED比普通LED的品質好10倍,當然價格也非常昂貴。其次,光學系統設計要合理、發光要均勻、利用率要高、散熱要快。第三,要嚴格控制工作電壓。LED對電壓非常敏感,電壓稍高LED管芯就會燒掉;而電壓略低則發光量又會大大降低。最好匹配高質量的開關電源,交流輸入電壓最好從170伏到270伏電壓都能做到較好的穩壓,以適合惡劣的供電環境。第四,輸入電源線最好選用抗高/低溫、超柔軟抗彎曲的。有一個廠家生產的紅外燈,輸入電源線可在低溫零下60度、高溫零上250度正常使用,零下四、五十度線纜仍像絲綢一般柔軟,這樣的產品才值得信賴。

角度的問題
紅外燈是不是視角越大越好?不論是制造商還是工程商想當然地認可這種說法,他們認為紅外燈發射視角越大,選用鏡頭的余地也就越大,選擇廣角鏡頭不會出現“手電筒”現象。所以說,大家都拼命地說自己的紅外燈的視角是如何之大。這種好像很有道理的說法其實是很不科學的。
首先,使用大視角度的紅外燈配合小視角度的鏡頭,存在光的浪費現象。比如,一盞紅外燈,發光角度是80度(相當于f3.5mm鏡頭的角度),如果配合f35mm的鏡頭,那么會有相當部分的光是在鏡頭視場以外,也就是說部分紅外光都浪費了。一般情況下,紅外燈的視角要與鏡頭的視角相一致,效果是最佳的。比如長春佶達的紅外燈,燈的發射角度是用鏡頭的焦距來表示的。其SK-4.2W-16紅外燈,含義是這樣的:“-4.2W”表示該燈的額定功率是4.2瓦;“-16”表示該燈的發射角度與f16mm的鏡頭角度一致,兩者是可以配套的。其紅外燈按角度分類,目前包括“-4”、“-8”、“-16”、“-35”四個系列,可以和市場上的常用鏡頭配套。
其次,并不是紅外燈的發射角度越大,畫面效果就越好。有的場合如果紅外燈角度過大,還會影響成像。比如走廊,因其“狹長”的特點,如果紅外燈的發射角度過大,則近處邊緣的成像就會太亮,形成“光幕”現象;遠處中心反而看不見,只有一片發白現象。所以,走廊的紅外燈應該是鏡頭角度的二分之一或三分之一。
第三,可以利用“接燈”技術,兩個窄角紅外燈搭配并調整位置,可以達到廣角燈的效果,市場上的“夜鷹”系列紅外夜視系統,就是利用“接燈”這種技術,做到了既望遠又廣角。在同樣功率條件下,“接燈”技術可以成倍提高作用距離。
總體而言,紅外燈的發射角度的問題既是選擇問題也是技術問題。不同焦距的鏡頭應選擇相適應發射角度的紅外燈,紅外燈的發射角度無論在什么樣的條件下都不應該大于鏡頭的視角,而在狹長環境中的應用,就該選用比鏡頭視角更小乃至三分之一的紅外燈。窄視角紅外燈通過搭配,可以得到理想的廣角效果,效果更佳、成本更低。

      通光量的問題
相對孔徑決定了鏡頭的通光能力,相對孔徑為F1.0的鏡頭通光量是相對孔徑F2.0的鏡頭通光量四倍。同樣的攝像機、紅外燈,分別搭配上述兩種鏡頭,紅外作用距離可相差一倍。
大孔徑鏡頭在紅外監控方面,比常規普通鏡頭好四到十倍,按理說應該成為紅外夜視監控的必須配套產品。但由于成本高昂,技術難度大,絕大多數紅外產品制造商不具備供貨能力。
由于眾所周知的原因,市場上大量充斥虛標F值的鏡頭,尤其是變焦鏡頭,只標短焦不標長焦因而誤導工程商,致使用戶根本無法辨清誰家賣的是真貨,誰家以次充好。建議用戶要到專業大型廠家購買鏡頭。

焦點偏移的問題
可見光與紅外光由于波長不同,成像焦點不在一個平面上,導致在白天可見光條件下圖像清晰,而夜間紅外光條件下模糊,或者夜間紅外光條件下圖像清晰,白天可見光條件下圖像模糊。可以用三個辦法解決。第一,采用自動聚焦一體化攝像機;第二,采用IR專用焦點不偏移鏡頭;第三,采用專業的調整工具,在現有鏡頭條件下也可以實現不偏移。

色彩問題
所有的黑白攝像機都是感應紅外光的。紅外光線在可見光條件下對于彩色攝像機來講是一種雜光,會降低彩色攝像機的清晰度和色彩還原,彩色攝像機的濾光片就是阻止紅外線參與成像。要想使彩色攝像機感應紅外線現在有兩個做法,第一,切換濾光片,在可見光條件下擋住紅外線進入;在無可見光的條件下移開濾光片,讓紅外線進入,這種方案得到的圖像質量好,但成本高并且切換機構會導致出現一定的故障率。第二,在濾光片上打開一個特定的紅外線通道,允許與紅外燈波長相同的紅外光線進來,這種辦法不增加成本,但色彩還原略差。

靈敏度的問題
攝像機靈敏度是紅外夜視監控的核心部分。靈敏度越好,對紅外線的感應能力也越強。當然,靈敏度越好的攝像機價格也越昂貴。一般來講,50米以內的紅外夜視系統,選用0.1勒克斯的攝像機就比較好;50米到100米范圍的夜視系統應該選用0.01勒克斯的攝像機;100米以上的夜視系統應選用0.001勒克斯以上的攝像機。當然,隨著靈敏度提高,攝像機的價格會有較大的遞增。
當然,和其它許多產品一樣,攝像機虛標指標的現象特別嚴重。我曾拿過一款0.1勒克斯攝像機和一款標稱0.0001勒克斯的攝像機作對比,后者竟不如前者。更多的攝像機廠家,人為地提高信號強度,靈敏度是很不錯,但信噪比很差,導致夜間圖像“雪花點”很多很大。

距離的問題
一百個人做紅外產品就會有一百個紅外夜視距離的標準。我看還是應該以客戶的應用效果為標準。客戶的標準是什么?是看清人!什么“可視距離”、“發現距離”,這些不確定的說法都是含混不清的。不同檔次的攝像機、鏡頭之間的匹配,對于同一盞紅外燈發出的光線感應度可能相差許多倍,可視距離也可相差很多。所以說,把某一盞紅外燈具體地定為是多少米的說法是不甚科學。一盞紅外燈的作用距離,只能與確定品質的攝像機和鏡頭共同匹配才能確定其作用距離。還有,因為應用的環境不同,效果也會大相徑庭,最好留有一定余量。

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