紅外攝像機(jī)概述及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 毅

摘要：本文指出紅外攝像機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題及解決方法，提出紅外攝像機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)紅外攝像機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：紅外攝像機(jī)；紅外燈；濾光片

1前言

隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，安防監(jiān)控已由傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控走向高度集成的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)已逐步向以圖像處理為核心的、融合了網(wǎng)絡(luò)、傳感、通信技術(shù)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)渡。隨著安防監(jiān)控市場(chǎng)需求的不斷增加。紅外攝像機(jī)在安防監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并扮演著越來(lái)越重要的角色。

在以前的安防監(jiān)控過(guò)程中，攝像機(jī)系統(tǒng)在正常照度環(huán)境下能夠獲得較好的監(jiān)視效果，但當(dāng)攝像機(jī)附近的環(huán)境照度低于一定值時(shí)，要想使攝像機(jī)獲得正常的監(jiān)視效果，就需要利用可見(jiàn)光進(jìn)行照明。但這種方式存在不能隱蔽、容易暴露監(jiān)控目標(biāo)等缺點(diǎn)。紅外攝像技術(shù)是目前安防監(jiān)控領(lǐng)域常用的一種夜視技術(shù)，它利用CCD攝像機(jī)可以感受紅外光的特性。采用紅外燈作為輔助光源進(jìn)行照明。使攝像機(jī)系統(tǒng)在環(huán)境照度低于一定值時(shí)，仍可以提供清晰的監(jiān)控圖像畫(huà)面，從而獲得理想的監(jiān)視效果。

本文對(duì)安防監(jiān)控中的紅外攝像機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出紅外攝像機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方法，提出紅外攝像機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)紅外攝像機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，期望對(duì)安防行業(yè)從業(yè)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選擇方面有所幫助。

2紅外攝像機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方法

2.1低照度(需要紅外燈進(jìn)行輔助照明)環(huán)境下攝像效果不理想

目前常用的配合紅外攝像機(jī)使用的LED紅外燈波長(zhǎng)在850nm左右，紅外燈的照射角度可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，紅外燈照射角度越小，照射距離就越遠(yuǎn)，紅外燈照射角度越大，照射距離就越近。對(duì)于已經(jīng)選定的攝像機(jī)和鏡頭，如果紅外燈的照射角度不夠，就會(huì)出現(xiàn)所謂的手電筒現(xiàn)象，即得到的監(jiān)控畫(huà)面中央明亮而周?chē)^暗，得不到用戶滿意的監(jiān)控效果。如果紅外燈的照射角度過(guò)大，監(jiān)控畫(huà)面的周?chē)鷷?huì)顯得過(guò)于明亮，監(jiān)控畫(huà)面中央的圖像反而看不清楚。因此，要根據(jù)具體的環(huán)境情況進(jìn)行選擇，在走廊等狹長(zhǎng)區(qū)域。選擇照射角度小的紅外燈?？梢员ＷC一定的照射距離，同時(shí)配備焦距長(zhǎng)些的鏡頭；在相對(duì)寬敞的區(qū)域，選擇照射角度大些的紅外燈，同時(shí)配備短焦距的鏡頭，能夠得到較好的監(jiān)控效果。

2.2正常照度環(huán)境下色彩還原效果不理想

正常照度環(huán)境下，紅外攝像機(jī)在彩色模式下工作，紅外攝像機(jī)的CCD除了能感應(yīng)可見(jiàn)光，還能感應(yīng)紅外光，然而紅外光通過(guò)信號(hào)處理后影響圖像還原的亮度和色度，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控圖像偏色。使監(jiān)控畫(huà)面質(zhì)量下降。給紅外攝像機(jī)加裝一個(gè)紅外濾光片，紅外濾光片可以阻擋紅外光進(jìn)入紅外攝像機(jī)的CCD。使紅外攝像機(jī)在正常照度環(huán)境下只能感應(yīng)到可見(jiàn)光，從而解決了圖像偏色的問(wèn)題。當(dāng)環(huán)境照度低于一定值時(shí)，紅外攝像機(jī)在黑白模式下工作，此時(shí)需要LED紅外燈進(jìn)行輔助照明，紅外攝像機(jī)需要感應(yīng)紅外光，不需要加裝紅外濾光片了?？紤]到焦點(diǎn)偏移等問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中采用雙濾光片切換的工作方式。雙濾光片由紅外截止濾光片和全光譜光學(xué)玻璃組成，正常照度環(huán)境下，紅外截止濾光片工作，使圖像色彩不失真，環(huán)境照度低于一定值時(shí)。紅外截止濾光片自動(dòng)移開(kāi)，全光譜光學(xué)玻璃工作，使紅外攝像機(jī)具有良好的夜視功能。

2.3攝像圖像的白霧現(xiàn)象

產(chǎn)生的原因：(1)LED紅外燈發(fā)射出的紅外線通過(guò)紅外攝像機(jī)遮陽(yáng)罩或紅外攝像機(jī)防護(hù)罩前端的視窗玻璃反射回鏡頭。(2)LED紅外燈發(fā)射出的紅外線照射到紅外攝像機(jī)鏡頭里。(3)紅外攝像機(jī)散熱效果不好。導(dǎo)致紅外攝像機(jī)CCD過(guò)熱。產(chǎn)生白霧的現(xiàn)象。解決的方法：(1)讓鏡頭的隔離圈直接穿過(guò)紅外攝像機(jī)防護(hù)罩前端的視窗玻璃。(2)縮短紅外攝像機(jī)遮陽(yáng)罩尺寸。(3)使紅外攝像機(jī)具有良好的散熱功能。

2.4防水效果不理想

解決的方法：(1)采用先進(jìn)的加工工藝制作紅外攝像機(jī)防護(hù)罩。提高設(shè)備接口處的加工精度，使設(shè)備接口處能夠很好的密合。(2)在紅外攝像機(jī)防護(hù)罩接口處加防水膠圈。(3)在紅外攝像機(jī)防護(hù)罩螺絲口處及進(jìn)線孔打防水膠。

2.5設(shè)備使用壽命短

LED具有高可靠性和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，然而現(xiàn)在有的LED紅外燈壽命卻很短。正常工作中LED紅外燈的電能其中一部分直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓饽?，同時(shí)有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)用的熱能，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作。LED紅外燈會(huì)產(chǎn)生大量熱量。很多紅外攝像機(jī)生產(chǎn)廠家采用加大紅外燈工作電流的方法增加紅外燈輻射功率，其目的是為了增加紅外燈的照射距離，然而紅外燈工作電流越大溫度越高，當(dāng)產(chǎn)生的熱量太多而沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)纳岽胧r(shí)，就會(huì)造成設(shè)備內(nèi)溫度過(guò)高，導(dǎo)致LED紅外燈過(guò)快老化。對(duì)于紅外一體化攝像機(jī)，攝像機(jī)與LED紅外燈都安裝在攝像機(jī)防護(hù)罩內(nèi)。如果散熱不好，攝像機(jī)的CCD長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中工作，壽命也會(huì)大大縮短。解決的方法：(1)使LED紅外燈在額定電壓下工作，LED紅外燈采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)把LED紅外燈工作電流調(diào)整到正常使用范圍內(nèi)。(2)給LED紅外燈板加裝一層鋁質(zhì)的散熱片，在不影響LED紅外燈正常工作的情況下，使LED紅外燈工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量及時(shí)迅速地傳導(dǎo)到設(shè)備外殼上。(3)設(shè)備外殼采用易散熱的金屬材料制作。(4)設(shè)備內(nèi)置自動(dòng)溫控電路，采用風(fēng)扇進(jìn)行散熱。

2.6霧和霜影響畫(huà)面清晰度

由于周?chē)鷾囟鹊牟町惡吞鞖獾淖兓纫蛩兀t外攝像機(jī)在工作時(shí)。容易在防護(hù)罩視窗玻璃上產(chǎn)生薄霧或淺層白霜，致使紅外攝像機(jī)視物模糊，畫(huà)面清晰度降低。

解決的方法：(1)在紅外攝像機(jī)防護(hù)罩視窗玻璃前安裝可控制的雨刷，利用雨刷清潔防護(hù)罩玻璃。(2)紅外攝像機(jī)防護(hù)罩內(nèi)配加熱組件，通過(guò)加熱的方式達(dá)到除霧除霜的目的。

2.7臨界點(diǎn)的跳變

如果僅僅使用簡(jiǎn)單的元器件配合光敏電阻的方式控制雙濾光片的切換。有時(shí)會(huì)發(fā)生臨界點(diǎn)的反復(fù)跳變。解決方法是采用智能芯片配合光敏電阻進(jìn)行控制。其邏輯控制能力能有效控制雙濾光片的正常切換。

3紅外攝像機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1對(duì)于紅外一體化攝像機(jī)的情況

目前，生產(chǎn)廠家都推出在特定條件下使用的紅外一體化攝像機(jī)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇與應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)相符合的產(chǎn)品。在選擇紅外一體化攝像機(jī)時(shí)，技術(shù)人員需要了解用戶的使用要求和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況，了解紅外一體化攝像機(jī)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的確切含義。選擇產(chǎn)品時(shí)要根據(jù)生產(chǎn)廠家的規(guī)模，知名度，國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率，技術(shù)支持能力，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)肅性，是否具有完善的售后服務(wù)體系等因素來(lái)考慮，選擇大品牌的產(chǎn)品。比較而言，大品牌的產(chǎn)品工藝先進(jìn)，性能穩(wěn)定，配置合理，質(zhì)量合格。如果條件允許，可以在批量

選購(gòu)前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試用，更好地了解產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，做到心中有數(shù)。

3.2對(duì)于攝像機(jī)外配紅外燈的情況

設(shè)計(jì)時(shí)要明確可視距離的概念，可視距離是通過(guò)監(jiān)視器所能夠看到的有效的清晰圖像的最大距離，它是由攝像機(jī)的靈敏度。鏡頭光通量，紅外燈的性能，現(xiàn)場(chǎng)景物反射紅外光效果，供電電源的質(zhì)量及攝像機(jī)防護(hù)罩視窗玻璃的透光性能等的匹配情況綜合來(lái)決定的。

攝像機(jī)要選擇日夜兩用型超低照度攝像機(jī)。一般的攝像機(jī)難以滿足24小時(shí)監(jiān)控都獲得清晰圖像的需求，日夜兩用型超低照度攝像機(jī)對(duì)外界光線的敏感程度較一般的攝像機(jī)有明顯的提高，即使在環(huán)境照度非常低的情況下，這種攝像機(jī)也可以拍攝到人眼看不到的物體，它的出現(xiàn)受到了安防監(jiān)控市場(chǎng)的歡迎，它在各種照度環(huán)境下均可表現(xiàn)出很好的攝像效果。正常照度環(huán)境下，攝像機(jī)在彩色模式下工作，環(huán)境照度低于一定值時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成黑白模式，其水平分辨率和最低景物照度均比正常照度環(huán)境下有很大幅度的提升。日夜兩用型超低照度攝像機(jī)能很好地解決低照度情況下正常監(jiān)控的問(wèn)題，特別是配備LED紅外燈，可以得到高清晰度的黑白圖像，實(shí)現(xiàn)零照度下的監(jiān)控。

攝像機(jī)鏡頭是紅外安防監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響到整套系統(tǒng)的成像效果，因此，鏡頭選擇是否合適非常重要。選擇鏡頭時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)鏡頭的成像尺寸應(yīng)與攝像機(jī)CCD靶面尺寸一致。(2)鏡頭的分辨率。(3)鏡頭焦距與視野角度。(4)光通量。(5)是否為感紅外鏡頭。

為了提高攝像機(jī)對(duì)紅外光以及被攝景物的敏感度，應(yīng)盡可能選用光通量大的鏡頭。

紅外燈要選擇一致性好、發(fā)光效率高、發(fā)熱量小的LED紅外燈。產(chǎn)品應(yīng)是依據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測(cè)合格的產(chǎn)品。

紅外燈選配電源應(yīng)滿足其所需的電功率，否則會(huì)發(fā)生照射距離達(dá)不到要求的情況。應(yīng)該選擇交流220V集中供電，在LED紅外燈及攝像機(jī)等前端設(shè)備處設(shè)置直流開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的方式為前端設(shè)備供電。即使電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。開(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓也是穩(wěn)定的，保證了前端設(shè)備正常、穩(wěn)定工作。如果采用大功率穩(wěn)壓電源對(duì)前端設(shè)備集中供電，當(dāng)前端設(shè)備數(shù)量較多且與供電室的距離不同時(shí)，容易造成距供電室較遠(yuǎn)的設(shè)備供電電壓不足，設(shè)備不能正常工作。距供電室較近的設(shè)備供電電壓過(guò)高，損壞前端設(shè)備的現(xiàn)象。

防護(hù)罩的視窗玻璃對(duì)紅外燈的輻射效果也有影響。不同的視窗玻璃。對(duì)于紅外光輻射的反射率和透射率不同，設(shè)計(jì)選型時(shí)要充分考慮。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮被攝景物的反光程度。由于紅外光也具有反射、折射等特性。因此，被攝景物如果沒(méi)有良好的反光環(huán)境，設(shè)計(jì)選型時(shí)要考慮留一定的距離余量。

4紅外攝像機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

紅外攝像機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)主要表現(xiàn)為：數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化。

現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)并正在不斷發(fā)展完善的紅外高速球是綜合一體化攝像機(jī)、攝像機(jī)防護(hù)罩、云臺(tái)、紅外燈等各項(xiàng)功能的產(chǎn)品，它實(shí)現(xiàn)了在普通高速球上配置紅外燈的想法，設(shè)備的外觀設(shè)計(jì)充滿了現(xiàn)代80在紅外高速球的性能上，采用了變焦變光同步技術(shù)，紅外燈可以根據(jù)鏡頭的變倍切換，近距離開(kāi)小燈，遠(yuǎn)距離開(kāi)大燈，兩組紅外燈交替工作，解決了系統(tǒng)發(fā)熱量大的問(wèn)題，保證了紅外高速球的穩(wěn)定性。它既具有紅外攝像機(jī)清晰的夜視效果，又具有高速球的自動(dòng)巡航、帶預(yù)置位、多方位監(jiān)控、高速捕捉畫(huà)面、聯(lián)動(dòng)報(bào)警等功能。

紅外攝像機(jī)加裝網(wǎng)絡(luò)模塊，配備超寬動(dòng)態(tài)一體機(jī)等將成為紅外攝像機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

紅外攝像機(jī)將會(huì)更加方便地聯(lián)動(dòng)其它安全防范設(shè)備，如溫度、濕度、煙感、入侵等探測(cè)器，同時(shí)可以聯(lián)動(dòng)警號(hào)、鎖具等動(dòng)作設(shè)備。這使得它可以方便地組成一套功能強(qiáng)大的安全防范系統(tǒng)。