关于国内激光夜视照明的研究

摘要：

主动红外监控是安防监控的重要手段，目前市场上的主动红外摄像机主要有LED红外和激光红外两类。LED红外受光强度和技术水平限制，很难实现80m以上的夜视监控，也很难实现50m以上的清晰照明;近年来，国内激光红外技术飞速发展，监控距离和照明亮度都远超过LED红外灯，且性能优越。本文结合浪潮华光研究经验，对国内激光夜视的研究情况进行了总结，介绍了激光红外监控的系统组成和激光红外技术的优点及发展现状，为客户及工程商选择合适的红外监控设备提供借鉴。

1.引言

夜视监控是指摄像机在夜晚或低照度的环境下呈现较为清晰的目标画面，该技术借助于光电成像器件实现夜间对目标的监控观察 [1]。夜视技术主要分为主动红外技术、被动红外技术、微光夜视技术，其中，在民用领域应用最广泛的当属主动红外夜视技术。主动红外技术自上世纪60年代由美国贝尔实验室研发以来，技术水平经历了飞速发展，由光电转换效率仅有5%的红外灯泡，到现在发光效率高达60%以上的激光红外照明模组。现今主动红外夜视领域主要包括LED红外技术及激光红外技术。LED红外技术主要是使用850nm附近波长的LED红外灯作为监控摄像机的照明光源，发光效率最高在30%左右;激光红外技术主要是使用810nm、860nm、940nm等波长的激光器作为监控摄像机的照明光源。

LED红外技术经过多年的发展，目前统治着民用安防照明市场。但由于LED红外技术的局限性和LED发光效率的限制，不能实现80m以上的夜视监控，且50m以上成像不够清晰。这些问题都需要激光夜视技术的推广来解决。

近年来，随着国内激光红外技术研发速度的不断加快和推广力度的不断加强，运用激光红外照明技术，可以实现几十米甚至几公里的监控要求。本文总结了国内激光夜视近年来在照明距离、光源寿命、镜头搭配等领域的发展成果。

2.激光夜视监控的系统组成

激光夜视监控系统主要由激光照明模组、监控摄像机、机械线路及显示部分组成。

2.1激光照明模组

激光照明模组是激光夜视的照明部件，半导体激光具有功率高、准直性好的优势，所以激光照明距离远，可以轻松实现100米至几公里的夜视监控照明。激光照明模组使用半导体激光器，但大功率半导体激光器常采用宽条形结构，存在光束发散角大、光强分布不对称的问题[2]，所以半导体激光器需要经过光斑匀化。图1为浪潮华光激光器经过匀化技术后的激光光斑。

光斑匀化后，还需要使用光学扩束镜配合来实现激光照明。对于不同的环境要求，可以实现定焦照明和变焦照明。我公司激光器可实现30m、50m、100m等不同距离的定焦照明，也可实现从20m到200m或更远距离的变焦照明。

2.2激光夜视摄像机选择

摄像机使用的光敏元件主要有两种：CCD(Charge Coupled Device　电荷耦合元件)、CMOS(Complementary metal-Oxide Semiconductor　金属氧化物半导体元件)。两种光敏元件都有较宽的感应光谱，图2为Si基CMOS的感应光谱图， 图3为黑白CCD的感应光谱。可以看出两种光敏器件在近红外区域，光敏强度随着波长增加而降低。现今民用激光照明光源波长一般是810nm，LED红外波长为850nm，也就是说相同光强度下，合适的摄像机对于激光波长的感应更敏感，成像更清晰。

为保证成像质量，避免红外光与可见光的相互干扰，摄像机的光敏元件前一般有滤光片，在选择激光夜视摄像机时，其中的滤光片必须能透过810nm波长附近的光。

3.激光夜视的优势及国内研究情况

3.1照明距离远

激光器件光功率高光束发散性小，有利于进行激光光束整形，可以实现比LED点阵和LED阵列更远距离的夜视照明。一般情况下， 激光夜视监控的作用距离与激光发射功率、照明角度、大气环境 、目标反射率、成像系统特性等都有直接关系:

其中，Ed 为感光元件成像的照度阈值，P为无其他光情况的激光功率，R为照明距离，θ为照明角度，ε为照明系统透过率，ρ为目标漫反射系数，μ为大气衰减系数，τ为成像系统透过率，D为成像系统透光孔径，f为成像系统焦距[3]。

例如，使用我公司激光器设计的激光高速球，200米时发光角度如设定为0.07rad。估算条件如下：发射和接收光学系统的透过率跟所使用的玻璃元件数、有没有镀增透膜相关，光学镀膜处理后，可在0.9左右。取ε=0.9，τ=0.9。SONY摄像机F值为3.0，标称CCD最低照度0.01 Lux,信噪比大于50，照度阈值小于0.0002.有资料称白纸的漫反射系数为0.75左右，清空下空气衰减系数取0.0002/m。经计算，要看清楚200m处的白色纸板，激光器功率应在2W以上。综合考虑不同环境下的空气衰减，我们使用4W激光器，来满足各种应用环境要求。

目前，国内生产的云台式的激光监控设备，使用激光照明器出光功率超过15W，夜间监控距离可以达到3-5公里。

3.2激光器寿命长

半导体激光器光电转换效率在60%以上，产生热量不足总功率的40%，另外金属热沉热导率高，同时配合温控电路，可以保证激光器工作温度不超过50摄氏度。但LED的光电转换效率最高在25%左右，有75%以上的电功率转换为热量。半导体器件的寿命与温度密切相关，光电子器件的寿命经验公式：

L(T)为温度为T时器件寿命，Ea为激活能，K为玻尔兹曼常数，A为常数[4]。由该式可知，温度越高寿命越短，所以半导体激光器寿命可远大于LED红外灯。

另外，研究发现，半导体激光器失效主要是早期失效和后期寿命终结失效，中期失效出现的几率微小。半导体激光器经过老化后，基本排除了早期失效产品，保证了激光红外灯有足够长的使用寿命。

下图为5组浪潮华光生产的2W半导体激光器老化的光衰情况，老化电流为3A.可以看出激光器在老化1000h后，光功率基本稳定。

半导体激光器主要由激活区电子-空穴对的无辐射跃迁和腔面高功率密度引起，大电流、高温、高湿环境都会降低激光器的使用寿命，另外，电浪涌和静电都会导致半导体激光器失效[4]。我们生产的激光照明模组具备先进的封装形式和电路设计，提高了产品抗高温、抗高湿、抗静电的能力，减小了器件的失效几率，理论寿命在30000h以上。

3.3同步变焦技术

激光夜视仪同步变焦技术是激光器光束角度随摄像机拍摄距离的变化而同步变化，保证拍摄区域被有效照亮的技术。国内一些激光夜视仪生产商声称自己产品具备同步变焦技术，但是效果参差不齐，许多产品存在手电筒效应或光束利用不充分的问题，影响了监控效果。我们利用先进的机电控制手段，使产品具备了变焦激光灯与一体机同步变焦并带有断电记忆功能，有效解决暗角、手电筒和照明不清晰现象。

4.结论

作为主动红外新技术，激光红外技术已经成熟，并且比LED红外技术优势明显：拍摄画面更清晰、监控范围更广、使用寿命更长、更节能、性价比更高。现阶段，民用市场还主要被LED红外灯占据，激光红外目前仅应用于特殊领域。激光夜视以其卓越的性能优势，必将在民用领域取得大规模应用。

浪潮华光正在为激光夜视的推广普及拼搏努力。“触锐”系列激光照明产品将以卓越的性能和较高的性价比，改变红外监控市场的格局。

参考文献

[1] 赵娟,张伯虎,徐博.基于激光红外夜视系统的研究[J].科技资讯，2007，21：225-226.

[2] 李宗阳 .大功率半导体激光器光束特性研究[D].长春：长春理工大学：2010.

[3] 单肖楠.半导体激光器主动红外夜视监控系统设计[J].光机电信息，2011，12：5-8.

[4] 雷志锋,杨少华,黄云.高功率半导体激光器的可靠性与寿命评价[J].应用光学，2008，1：90-95.