红外成像技术

热辐射现象是极为普通的，物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光，所以人眼不能直接观察到。当加热 500 度左右时，才会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光变得更亮更白。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断的进行。维持一定的温度而从外部提供的能量与因辐射而减少的能量达到平衡。辐射体在不同加热温度时，辐射的峰值波长是不同的，其光谱能量分布也是不同的，经特殊设计和工艺制成的红外灯泡，其红外光成分最高可达 92 - 95%。其光谱范围是很宽的，普通黑白摄像机感受的光谱频率范围也是很宽的，且红外灯泡一般可制成比较大的功率和大的辐照角度，因此可用于远距离红外灯，这是它最大的优点。其最大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短，如果每天工作 10 小时，5000 小时只能使用一年多，考虑散热不够，寿命还要短。

在克服热辐射红外灯缺点方面，首先是研制和应用了高通红外滤波钢化玻璃。波长愈长，红暴愈小，甚至可达到全无红暴，但是，红外光的效率愈低，红外灯发热就愈高。红外玻璃的波长可根据用户对红暴要求高低加以选择，一般而言，相同有效辐照距离时，对红暴要求愈高，造价愈高。红外玻璃经过钢化，可以耐受急冷急热的变化，在内部红外灯泡由于可见光滤除的部分，转化产生热量，温度会很高，外部冷风及雨雪的突袭下，急冷而不致损坏。为提高热辐射红外灯的寿命，采用了光控开关电路，以减小其工作时间；采用了变压稳压整流电路，使其发光功率得以充分发挥而且提高了红外灯的寿命；而更重要的是考虑灯丝冷阻是非常小的，如 100W 红外灯泡，灯丝热阻为 529Ω，这时的工作电流只有 0.4348A，而冷阻只有 36Ω，红外灯接通电源瞬间为 6.39A 瞬时功达到 1470W，这一瞬间灯丝负荷过载达几十倍，这对灯丝寿命有非常大的影响。人们研制的灯丝保护电路，相信红外灯灯泡的工作寿命会成倍增长。此外，还增加了延时开关电路以防环境的光干扰。

 

红外灯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、供电电源等的成套性。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。有的人买完了摄像机、镜头、防护罩、电源之后甚至安装之后才去考虑购买红外灯，这是不正确的，在考虑成套性时，特别要注意以下几个问题。

1.    使用黑白摄像机或特殊彩色摄像机

CCD 图像传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明也可使 CCD图像传感器清晰的成像。而普通彩色摄像机为了能传输彩色信号，从 CCD 器件的输出信号中分离出绿蓝红三种基色视频信号，然后合成彩色电视信号，其感光光谱只在可见光区域。随着技术的进步出现白天彩色／晚上黑白摄像机，它采用两个 CCD 进行切换或采用一个 CCD 利用数位电路的切换来实现，但是存在黑白照度偏高、有的对彩色色彩的不利影响等缺点。而红外低照度彩色摄像机红外感度比一般摄像机高 4 倍以上，随着成本的降低，会成为发展趋势的。

2.    要求选用低照度摄像机

摄像机的最低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别注明镜头的光圈F 的大小。例如使用 F1.2 的镜头，当被摄影景物的照度值低到 0.02Lx 时,摄像机输出的视频信号幅值为标准幅值 700mv 的 50%-33%，则称此摄像机的最低照度为0.02Lx/F1.2。有的摄像机生产厂家给出不同光圈 F 时的最低照度。当选择摄像机最低照度高于红外灯要求时，红外灯的有效距离将受到一定影响。应当提醒用户的是市场上出售的摄像机技术性能标出的最低照度有两种不正常情况，一种是摄像机制造商所标的最低照度是所谓的靶面照度，即 CCD 图象传感器上的光照度，它比景物照度低10 倍左右；另一种是有个别摄像机制造商或销售商虚报最低照度。目前市场上比较经济的黑白摄像机（售价在 700 元左右，有的最低照度标为 0.01～0.02Lx）它们的实际最低照度仅为 0.1～0.2Lx，       如果，使用的红外灯要求摄像机的最低照度为 0.02Lx，必然影响红外灯的有效照射距离，而购买最低照度 0.02Lux 的摄像机，价格可能比0.1～0.2Lx 摄像机最少高一倍左右。这时有两种选择，在摄像机上多花钱，在红外灯上就少花钱；在摄像机上少花钱,在红外灯上就多花钱。经验表明室外特别是距离较远时，选择前者是比较经济的。

3.    要求摄像机的尺寸规格

摄像机标称尺寸日趋小型化，目前市场上的摄像机尺寸规格有 1/2"1/3" 1/4"，摄像机尺寸大,接受的光通量大,摄像机尺寸小,接受的光通量少,如红外灯标称的有效距离是在 1/2"摄像机条件下试验的,如采用 1/3"或者 1/4"摄像机,有效距离也将受到一定影响。1/3"摄像机光通量只有 1/2”摄像机光通量的 44%

4.    镜头的尺寸规格

与摄像机的尺寸规格同理，不再赘述

5.    摄像机和镜头的功能要求

摄像机有自动电子快门功能，AGC 自动增益控制功能，镜头有自动光圈，以适应昼夜照度很大的变化。

6.    电源供应

电视监控系统前端设备的电源供应要统一考虑设计。红外灯的电源供应，考虑到红外管的工作电流对供电电压十分敏感，而电缆长度不同对直流电压衰减不同。在多个红外灯距控制室的距离相差较大时，采用 DC12V 集中供电可能使距控制室近的红外灯供电电压高，距控制室远的红外灯供电电压低。加之电源电压调整上的偏差，可能造成电压过高的红外灯寿命缩短甚至烧坏，电压低的红外灯发射功率不足。因此建议尽可能采用 AC22V 供电或配一对一的直流稳压电源，这种直流稳压电源有的在电网电压波动在 AC100V-245V 时输出直流电压都是稳定的，保证红外灯红外辐射功率都是稳定可靠的。除配套性外，还要考虑到以下因素，选择红外灯时，在选择红外灯辐照距离时留有余地。

1.摄像机给出的最低照度。这里的最低照度概念是什么？摄像机产生的视频信号标称值为 1V，标准值为 0.7V，而最低照度时的视频信号值为 1/3-1/2 标准植。所以摄像机在最低照度时的图像，决不会“如同白昼一样”。

2.摄像机在最低照度时产生的图像清晰度，是用电视信号测试卡进行测式的，其黑白相间的条纹，要求黑色反射率近于 0%，白色反射率大于 89.9%。而我们在现场观察时有时不具备这样的条件，比如：树叶和草地的反射率很低，反差很小，就不易获得清晰图像。

3.给出摄像机最低照度的同时，还要给出光圈 F 的要求值，而变焦镜头一般只给出 1：F 的最大值，即光圈 F 的最小值（光圈实际尺寸最大值），F=f/D,那么 D 为定值，在 f 焦距拉大 10 倍时，F 变得很大（即光圈实际尺寸变得很小）。光通量将受到很大影响。

4.在使用自动光圈镜头、自动增益控制或自动电子快门摄像机时，镜头光圈 F 值也会发生变化。例如，在摄像机近处有景物，反射回强光给摄像机，或附近有灯光照射摄像机，这时摄像机的灵敏度将减小、自动光圈的尺寸将被关小，光通量也将受到很大影响。

5.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。

6.有的器材生产或销售商，不给出红外灯的辐照距离，只给出功率数，这样对生产、销售商来说麻烦可能少一些，但是这是非常含糊的概念，因为功率消耗除转化为红外光能外，还有电源热损耗、电路热损耗、光源热损耗、滤光玻璃片红外光效率等等。相同功率的红外灯，其辐照距离可能相差很远。

随着红外夜视系统的迅速发展，红外灯生产供应厂家也会增加，但红灯产品并非像有的人想象的那样容易，在技术、检测仪器设备等方面条件也不同，希望用户多多加比较，慎重选择用户使用红外灯首先要仔细阅读使用说明书，特别是为保证人身设备安全的注意事项。检查前面所讲述的配套性方面是否达到要求，应考虑到的影响因素是否考虑到，如未达到要求，可及时调整所用器材。

用户不应擅自提高供电电压，因为红外灯在设计时，既考虑到其辐照度的充分发挥，又考虑到其安全可靠性。提高供电电压，可能使红外灯烧毁，更不应擅自拆改红外灯。如果这样做，生产厂家可能不再负责维修。如果红外灯出现问题，应与生产厂家或供货商联系。

 

一般的超低照度摄像机大都采用 Exview HAD 技术，采用 Exview HAD CCD 的摄像机，对外界光线的敏感程度会大大提高，在近红外区域，其感度可以提高到普通摄像机的 4 倍。因此，即使在非常暗的环境下，这种摄像机通常可以看到人眼看不到的物体，这一技术的出现受到了监控市场的欢迎，对各种光照环境下均可表现出最佳的效果，特别是配合专用的红外照明设备，可以得到高清晰度的黑白图像，实现 0 照度的监控（完全无光的情况下）。在近红外 760mm-1100mm 的近红外区域，如果配合合适波长的红外照明，就可以实现清晰的黑白图像。

    类似地获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加 CCD 在单帧图像的曝光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。这种方式也可以获得较低的照度指标，但是需要降低图像的连贯程度，所以选择这种摄像机时要注意尽可能不要同云台一起使用，否则会造成丢失画面的现象。在获得低照度下图像上还有一些其它的办法，但都不能从根本上解决照度问题。

    另外，在选择使用低照度摄像机和红外线灯时要注意几点。

    第一，必须选择适当的镜头。为了提高摄像机对红外灯以及景物的敏感度，应尽可能选用通光量大的镜头，并注意在使用自动光圈或电动二可变镜头时，要尽可能开大光圈的驱动电平值。因为一般随着镜头焦距的增加，其通光量会相对减少，在选择红外灯时要留一定的余量，并注意红外灯的标称指标。

    第二，红外灯的选配电源应尽可能要满足其所需的最小电功率，经常发生照射距离不够的情况。

第三，要考虑被摄像景物的反光程度，由于红外线具备可见光相同的如反射、折射等特性，因此，在目标景物周围如果没有良好的反光环境（如建筑物、围墙、标牌）时应考虑一定的距离余量。

 

在选配红外灯的时候,单纯参照其指标参数已很难达到一个理想的匹配效果。红外灯有两个波段的产品:一是 850nm,一个是 940nm。要求所选用的摄像机必须能够感应这些波段的红外光线,红外灯的照射距离指标是以照度为 0.01LUX 的摄像机在全黑的环境下,以人为目标进行测定的,因此凡是真实指标低于 0.01LUX 的摄像机都可以在标称距离内看到清晰的图像。彩色摄像机由于其感光光谱在可见光区,无法感应红外光,因此不能与红外光进行配合使用。

随着市场的发展,人们对监控图像的要求也不断提高,纯黑白图像已无法满足一些场合的需要,就这样一种新型产品------彩色转黑白的摄像机就应运而生了,它即满足了白天是彩色图像的效果,同时也兼顾了夜间监控对低照度的要求,所以这种产品目前很受广大用户的欢迎,但是它本身也有其不足之处,这毕竟是权宜之策.一方面它的彩色效果易有偏差,另一方面它的照度也很难做到很低,这时在选配红外灯时常常会出现一些问题。例如:100 米指标的红外灯配彩转黑的摄像机,实际上看不到 100 米的距离,难道是红外灯指标不真实吗?显然不是,所以根据我们多年来从事夜视领域工作的经验,建议广大用户在选用红外灯的时能够参考以下原则: 

(1)在方案设计时，如有夜视要求，应先确定所选摄像机是否感应红外，以免在后期的工程施工过程中，因红外灯与所用摄像机不匹配而极其被动。以至造成不必要的麻烦和损失。

(2)具体选哪种品牌的摄像机效果较为理想,最好与红外灯的专业生产厂家进行联系，我们会为您提供热情周到的免费咨询服务，会给您推荐国内外众多的对红外感应较好的产品，让您做到有的方矢。