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紅外燈的原理選擇與應用

一、概述

在電視監(jiān)控系統(tǒng)工程中，過去很少應用紅外燈，近年來,不但金庫、油庫、軍械庫、圖書文獻庫、文物部門、監(jiān)獄等重要部門采用，而且也在一般監(jiān)控系統(tǒng)中都被采用。甚*居民小區(qū)電視監(jiān)控工程也應用了紅外燈。這說明人們對電視監(jiān)控系統(tǒng)工程的要求愈來愈規(guī)范、愈來愈高。不但要求白天和夜間可見光照明監(jiān)控，而且要求夜間隱蔽性監(jiān)控。

隨著電視監(jiān)控系統(tǒng)工程技術的發(fā)展，購買紅外燈用戶的迅猛增加，也出現(xiàn)不少問題，例如：某用戶購買了十幾個紅外燈，說一個都不亮，經過詢問了解才知道，他采用的是普通彩色攝像機，而普通彩色攝像機是不感受紅外光的；有的用戶說你們的紅外燈達不到標稱的照射距離，經過了解，他們缺乏紅外燈對攝像機、鏡頭、防護罩和供電系統(tǒng)配套性要求的認識，在電視監(jiān)控工程設計中沒有作為一個紅外低照度低照度假夜視系統(tǒng)工程來總體考慮；有的用戶對紅外燈自以為了解，自行增加DC12V紅外燈供電電壓，以此增加紅外燈的輻照功率，或采用不穩(wěn)壓直流電源給DC12V紅外燈供電造成紅外燈燒毀；有的用戶反映它們按紅外燈要求的照度選配了攝像機，在紅外燈標稱的照射距離內卻不能獲得清晰圖象，而不知有的攝像機生產廠家給出的*低照度有水分，或有意無意地使用了含糊的*低照度概念，以所謂的靶面照度代替景物照度；此外，有的用戶對攝像機照度之外影響獲得清晰圖像的因素，如攝像機和鏡頭的標稱尺寸、鏡頭光圈F、焦距f、對攝像機功能要求等不十分了解。我們認為現(xiàn)在向電視監(jiān)控器材經銷商、工程商和用戶介紹一些紅外燈的原理、選擇和應用方法是有益的。

實現(xiàn)夜視的方法，可以采用常規(guī)的可見光照明，但此法不僅不能隱蔽，反而更加暴露監(jiān)控目標（在居民小區(qū)還有擾民問題）。隱蔽的夜視監(jiān)控，目前都是采用紅外攝像技術。紅外攝像技術分為被動紅外攝像技術和主動紅外攝像技術。被動紅外攝像技術是利用任何物質在**零度以上都有紅外光發(fā)射，人體和熱機發(fā)出的紅外光較強，其它物體發(fā)出的紅外光很微弱，利用特殊的紅外攝像機可以實現(xiàn)夜間監(jiān)控。但是，這種特殊的紅外攝像機造價昂貴，而且不能反映周圍環(huán)境狀況，因此在夜視系統(tǒng)中不被采用。在夜視系統(tǒng)中經常采用主動紅外攝像技術，即采用紅外輻?quot;照明"，產生人眼看不見而普通攝像機能捕捉到的紅外光，輻射"照明"景物和環(huán)境，應用普通低照度黑白攝像機、白天彩色夜間自動變黑白攝像機或紅外低照度彩色攝像機，感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光實現(xiàn)夜視。

二、紅外燈的原理及其特性

光是一種電磁波，它的波長區(qū)間從幾個納米（1nm=10-9m）到1毫米（mm）左右。人眼可見的只是其中一部分，我們稱其為可見光，可見光的波長范圍為380nm～780nm，可見光波長由長到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光，波長比紫光短的稱為紫外光，波長比紅外光長的稱為紅外光。

普通CCD黑白攝像機可以感受光的光譜特性，它不僅能感受可見光，而且可以感受紅外光。這就是利用普通CCD黑白攝像機，配合紅外燈可以比較經濟地實現(xiàn)夜視的基本原理。而普通彩色攝像機的光譜特性不能感受紅外光，因此不能用于夜視。

紅外燈按其紅外光輻射機理分為半導體固體發(fā)光（紅外發(fā)射二級管）紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。其原理及特性我們介紹如下：

1. 紅外發(fā)射二極管（LED）紅外燈的原理及特性

由紅外發(fā)光二級管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二級管由紅外輻射效率高的材料（常用砷化鎵GaAs）制成PN結，外加正向偏壓向PN結注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長830～950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分布，為普通CCD黑白攝像機可感受的范圍。其*大的優(yōu)點是可以完全無紅暴，（采用940～950nm波長紅外管）或僅有微弱紅暴（紅暴為有可見紅光）和壽命長。

紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μW/m2表示。一般來說，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的*大額定值時，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過大將影響其壽命，甚*使紅外二極管燒毀。

當電壓越過正向閾值電壓（約0.8V左右）電流開始流動，而且是一很陡直的曲線，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準確、穩(wěn)定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高(包括其本身的發(fā)熱所產生的環(huán)境溫度升高)會使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠距離紅外燈，熱耗是設計和選擇時應注意的問題。

紅外二極管的*大輻射強度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為*大值的50%的角度稱為半強度輻射角。不同封裝工藝型號的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。

2. 熱輻射紅外燈的基本原理及其特性

熱輻射現(xiàn)象是極為普通的,物體在溫度較低時產生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀察到。當加熱500度左右時，才會產生暗紅色的可見光，隨著溫度的上升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中通過加熱燈絲來維持它的溫度，供輻射繼續(xù)不斷的進行。維持一定的溫度而從外部提供的能量與因輻射而減少的能量達到平衡。

輻射體在不同加熱溫度時，輻射的峰值波長是不同的，其光譜能量分布也是不同的。

根據以上原理，經特殊設計和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分*高可達92～95%。國外生產的這種紅外燈泡的技術性能為:

功率100～375W；電源電壓 230～250V；使用壽命5000小時、輻射角度60～80度。

普通黑白攝像機感受的光譜頻率范圍也是很寬的，且紅外燈泡一般可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此可用于遠距離紅外燈，這是它*大的優(yōu)點。其*大不足之處是包含可見光成份，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10小時，5000小時只能使用一年多，考慮散熱不夠，壽命還要短。而對于客戶來講，更換燈泡是麻煩和不愉快的事情。

在克服熱輻射紅外燈缺點方面進行了許多努力，首先是研制和應用了高通紅外濾波鋼化玻璃。波長愈長，紅暴愈小，甚*可達到全無紅暴，但是，紅外光的效率愈低，紅外燈發(fā)熱就愈高。紅外玻璃的波長可根據用戶對紅暴要求高低加以選擇，一般而言，相同有效輻照距離時，對紅暴要求愈高，造價愈高。紅外玻璃經過鋼化，可以耐受急冷急熱的變化，在內部紅外燈泡由于可見光濾除的部分，轉化產生熱量，溫度會很高，外部冷風及雨雪的突襲下，急冷?恢濾鴰?。?岣呷確?浜焱獾頻氖倜??捎昧斯飪乜?氐緶罰?約跣∑涔ぷ魘奔洌徊捎昧吮溲刮妊拐?韉緶罰?蠱浞⒐夤β實靡猿浞址⒒傭?姨岣吡撕焱獾頻氖倜?歡??匾?氖強悸塹撲坷渥枋欠淺Ｐ〉模??00W紅外燈泡，燈絲熱阻為529Ω，這時的工作電流只有0.4348A，而冷阻只有36Ω，紅外燈接通電源瞬間為6.39A瞬時功達到1470W，這一瞬間燈絲負荷過載達幾十倍，這對燈絲壽命有非常大的影響。人們研制的燈絲保護電路，相信紅外燈燈泡的工作壽命會成倍增長。此外，還增加了延時開關電路以防環(huán)境的光干擾。

三．紅外燈的選擇和使用

紅外燈的選擇*重要的問題是成套性，即紅外燈與攝像機、鏡頭、防護罩、供電電源等的成套性。在設計方案時對所有器材綜合考慮設計，把它作為一個紅外低照度夜視監(jiān)控系統(tǒng)工程來考慮設計。有的人買完了攝像機、鏡頭、防護罩、電源之后甚*安裝之后才去考慮購買紅外燈，這是不正確的，在考慮成套性時，特別要注意以下幾個問題。

1. 使用黑白攝像機或特殊彩色攝像機

CCD圖象傳感器具有很寬的感光光譜范圍，其感光光譜不但包括可見光區(qū)域，還延長到紅外區(qū)域，利用此特性，可以在夜間無可見光照明的情況下，用輔助紅外光源照明也可使CCD圖象傳感器清晰的成像。而普通彩色攝像機為了能傳輸彩色信號，從CCD器件的輸出信號中分離出綠藍紅三種基色視頻信號，然后合成彩色電視信號，其感光光譜只在可見光區(qū)域。

隨著技術的進步出現(xiàn)白天彩色／晚上黑白攝像機，它采用兩個CCD進行切換或采用一個CCD利用數(shù)位電路的切換來實現(xiàn)，但是存在黑白照度偏高、有的對彩色色彩的不利影響等缺點。而紅外低照度彩色攝像機紅外感度比一般攝像機高4倍以上，隨著成本的降低，會成為發(fā)展趨勢的。

2. 要求選用低照度攝像機

攝像機的*低照度是當被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機輸出的視頻信號電平低到某一規(guī)定值時的景物光亮度值。測定此參數(shù)時，還應特別注明鏡頭的光圈F的大小。例如使用F1.2的鏡頭，

當被攝影景物的照度值低到0.02Lx時,攝像機輸出的視頻信號幅值為標準幅值700mv的50%-33%，則稱此攝像機的*低照度為0.02Lx/F1.2。有的攝像機生產廠家給出不同光圈F時的*低照度。當選擇攝像機*低照度高于紅外燈要求時，

紅外燈的有效距離將受到一定影響。應當提醒用戶的是市場上出售的攝像機技術性能標出的*低照度有兩種不正常情況，一種是攝像機制造商所標的*低照度是所謂的靶面照度，即CCD圖象傳感器上的光照度，它比景物照度低10倍左右；另一種是有個別攝像機制造商或銷售商虛報*低照度。目前市場上比較經濟的黑白攝像機（售價在700元左右，有的*低照度標為0.01～0.02Lx）

它們的實際*低照度僅為0.1～0.2Lx，

如果，使用的紅外燈要求攝像機的*低照度為0.02Lx，必然影響紅外燈的有效照射距離，而購買*低照度0.02Lux的攝像機，價格可能比0.1～0.2Lx攝像機*少高一倍左右。這時有兩種選擇，在攝像機上多花錢，在紅外燈上就少花錢；在攝像機上少花錢,在紅外燈上就多花錢。經驗表明室外特別是距離較遠時，選擇前者是比較經濟的。

3. 要求攝像機的尺寸規(guī)格

攝像機標稱尺寸日趨小型化，目前市場上的攝像機尺寸規(guī)格有1/2" 1/3" 1/4"，攝像機尺寸大,接受的光通量大,攝像機尺寸小,接受的光通量少,如紅外燈標稱的有效距離是在1/2"攝像機條件下試驗的,如采用1/3"或者1/4"攝像機,有效距離也將受到一定影響。1/3"攝像機光通量只有1/2"攝像機光通量的44%

4. 鏡頭的尺寸規(guī)格 與攝像機的尺寸規(guī)格同理，不再贅述

5. 攝像機和鏡頭的功能要求

攝像機有自動電子快門功能，AGC自動增益控制功能，鏡頭有自動光圈，以適應晝夜照度很大的變化。

6. 電源供應

電視監(jiān)控系統(tǒng)前端設備的電源供應要統(tǒng)一考慮設計。紅外燈的電源供應，考慮到紅外管的工作電流對供電電壓十分敏感，而電纜長度不同對直流電壓衰減不同。在多個紅外燈距控制室的距離相差較大時，采用DC12V集中供電可能使距控制室近的紅外燈供電電壓高，距控制室遠的紅外燈供電電壓低。加之電源電壓調整上的偏差，可能造成電壓過高的紅外燈壽命縮短甚*燒壞，電壓低的紅外燈發(fā)射功率不足。因此建議盡可能采用AC220V供電或配一對一的直流穩(wěn)壓電源，這種直流穩(wěn)壓電源有的在電網電壓波動在AC100V-245V時輸出直流電壓都是穩(wěn)定的，保證紅外燈紅外輻射功率都是穩(wěn)定可靠的。

除配套性外，還要考慮到以下因素，選擇紅外燈時，在選擇紅外燈輻照距離時留有余地。

1.攝像機給出的*低照度。這里的*低照度概念是什么？攝像機產生的視頻信號標稱值為1V，標準值為0.7V，而*低照度時的視頻信號值為1/3-1/2標準植。所以攝像機在*低照度時的圖像，決不會"如同白晝一樣"。

2.攝像機在*低照度時產生的圖像清晰度，是用電視信號測試卡進行測式的，其黑白相間的條紋，要求黑色反射率近于0%，白色反射率大于89.9%。而我們在現(xiàn)場觀察時有時不具備這樣的條件，比如：樹葉和草地的反射率很低，反差很小，就不易獲得清晰圖像。

3.給出攝像機*低照度的同時，還要給出光圈F的要求值，而變焦鏡頭一般只給出1：F的*大值，即光圈F的*小值（光圈實際尺寸*大值），F(xiàn)=f/D,那么D為定值，在f焦距拉大10倍時，F(xiàn)變得很大（即光圈實際尺寸變得很?。?。光通量將受到很大影響。

4.在使用自動光圈鏡頭、自動增益控制或自動電子快門攝像機時，鏡頭光圈F值也會發(fā)生變化。例如，在攝像機近處有景物，反射回強光給攝像機，或附近有燈光照射攝像機，這時攝像機的靈敏度將減小、自動光圈的尺寸將被關小，光通量也將受到很大影響。

5.防護罩對紅外燈的效果也有影響，紅外光在傳輸過程中，通過不同介質，透射率和反射率也不同。不同的視窗玻璃，，特別是自動除霜鍍膜玻璃，對紅外光的衰減也不同。

6.有的器材生產或銷售商，不給出紅外燈的輻照距離，只給出功率數(shù)，這樣對生產、銷售商來說麻煩可能少一些，但是這是非常含糊的概念，因為功率消耗除轉化為紅外光能外，還有電源熱損耗、電路熱損耗、光源熱損耗、濾光玻璃片紅外光效率等等。相同功率的紅外燈，其輻照距離可能相差很遠。

隨著紅外夜視系統(tǒng)的迅速發(fā)展，紅外燈生產供應廠家也會增加，但紅燈產品并非象有的人想象的那樣容易，在技術、檢測儀器設備等方面條件也不同，希望用戶多多加比較，慎重選擇。

用戶使用紅外燈首先要仔細閱讀使用說明書，特別是為保證人身設備**的注意事項。檢查前面所講述的配套性方面是否達到要求，應考慮到的影響因素是否考慮到，如未達到要求，可及時調整所用器材。

用戶不應擅自提高供電電壓，因為紅外燈在設計時，既考慮到其輻照度的充分發(fā)揮，又考慮到其**可靠性。提高供電電壓，可能使紅外燈燒毀，更不應擅自拆改紅外燈。如果這樣做，生產廠家可能不再負責維修。如果紅外燈出現(xiàn)問題，應與生產廠家或供貨商聯(lián)系。