激光夜視攝像機關(guān)鍵技術(shù)分析

■ 費冬 姚健

激光夜視攝像機關(guān)鍵技術(shù)分析

■ 費冬 姚健

在需要遠距離夜間監(jiān)控的場所，激光夜視攝像機的應用越來越廣泛，除了常見的車站咽喉區(qū)，也涉及站房、機房、橋隧等重要部位的安防監(jiān)控，監(jiān)控范圍一般在250m以內(nèi)。區(qū)間線路有監(jiān)控需求時，監(jiān)控范圍會達到500m乃至1 000m。需注意的是，應用場所不同、使用方式的差別會對產(chǎn)品的配置與選型帶來很大影響，價格差別也很大。因此，如何選擇適合的夜視攝像機成為廣受關(guān)注的問題。根據(jù)激光攝像機基本原理，重點分析激光器套件、攝像機、攝像機鏡頭選用的關(guān)鍵因素，并結(jié)合實際需求來討論產(chǎn)品選型中需注意的問題。

1 基本原理

激光夜視技術(shù)以激光為光源，經(jīng)過整形、擴束等處理，針對具體目標范圍進行照明，可理解為“看不見光的探照燈”。激光光源輸出功率一般為幾瓦到十幾瓦，具有能量集中、能耗低、照射距離遠等優(yōu)點，在鐵路應用中，覆蓋范圍最遠可達1000m。激光光源可靈活方便地調(diào)整發(fā)散角（視場角），距離近時擴大角度覆蓋較大范圍，距離遠時縮小角度集中聚焦目標，可保證監(jiān)控視場范圍內(nèi)保持最大功率的光源照射，使拍攝的圖像層次分明，清晰明亮。一體化激光夜視攝像機構(gòu)成見圖1。

2 激光夜視產(chǎn)品選用的關(guān)鍵因素

2.1 激光器套件

2.1.1 激光器輸出功率

激光器是系統(tǒng)照明的光源，其成本在整個系統(tǒng)中占很大比重，選擇合適的輸出功率非常重要。紅外激光的波長分為808nm，940nm等，一般情況下，200～300m監(jiān)控范圍內(nèi)，808nm波長激光器輸出功率選擇2～4W比較合適，940nm波長激光器選擇6～10W比較合適。需說明的是，808nm波長激光器有紅曝現(xiàn)象，有可能被機車司機誤認為是信號燈，選擇宜慎重；940nm波長激光器無紅曝現(xiàn)象，但其利用效率較低，僅為808nm波長激光器的30%左右，成本較高。

2.1.2 激光器變焦調(diào)整

激光器發(fā)出的光是一條很窄的光束，需要通過激光鏡頭擴束成光錐。根據(jù)攝像機變焦鏡頭的拉近、推遠，激光器的變焦鏡頭也要能同步變化，以保證光斑大小與攝像機目標視場范圍重合。這種同步調(diào)整應能自動控制，保證用戶使用方便。

2.1.3 光斑整形勻化

激光器發(fā)出的光斑要均勻、明亮，沒有橫紋，以免影響圖像效果。通過整形勻化處理可取得較好效果（見圖2）。

2.1.4 紅外增透膜技術(shù)

為增加紅外光源的透過率，可選擇紅外增透膜技術(shù)對光學鏡片鍍膜，處理過的系統(tǒng)光效率提高10%～15%。

2.1.5 激光器使用壽命

激光器使用壽命很長，進口激光器可提供10000h的平均無故障時間（強度降到原來的80%），經(jīng)過抽真空充氮等技術(shù)處理后壽命還能更長。一般情況下，光源使用3年后仍可保證理想效果。

2.2 攝像機

在激光夜視系統(tǒng)中，攝像機的選擇首先要考慮夜視效果，無論是彩轉(zhuǎn)黑攝像機，還是單獨的黑白攝像機，都要重點考慮它與激光光源及變焦鏡頭的配合問題，常見指標見表1。

需強調(diào)的是，鐵路應用中常會出現(xiàn)機車探照大燈干擾的情況，強光抑制的功能和效果是非常重要的參考因素。

2.3 攝像機鏡頭

2.3.1 焦距選擇

嚴格來講，類似“夜視距離300m”的提法并不十分準確，應更進一步明確監(jiān)控目標、監(jiān)控程度。如“在300m的距離看清人的動作”或者“在300m的距離看清人的面部特征”；也可更直接地說，“在300m的距離看到人，目標占屏幕的1/4高”。其計算公式為f=v×D/V。

表1 攝像機性能常見指標

式中：f——焦距；

v——CCD成像尺寸；

D——目標距離；

V——目標高度。

計算可知，同樣的要求，V越小，配套的鏡頭焦距也越小，成本也會低一些，但是成像質(zhì)量會有所下降。

2.3.2 變焦范圍

在較簡單的使用場所，建議使用定焦鏡頭，價格便宜，可靠性也較高。不過，鐵路大多數(shù)場合還是會選擇變焦鏡頭，其優(yōu)點在于一臺攝像機可覆蓋多個目標。常見的變焦鏡頭包括80mm，128mm，210mm，375mm，530mm，780mm，1000mm等。

2.3.3 變焦鏡頭的品質(zhì)

評價變焦鏡頭的品質(zhì)是一個非常專業(yè)的任務，涉及很多方面，保險起見，推薦大家選用知名品牌。

3 結(jié)合應用需求的功能設計

激光夜視系統(tǒng)并不是各種零部件簡單地堆砌，而是為滿足使用需求的集成化設計和功能體現(xiàn)。設計原則是：圖像清晰、操作簡便、使用可靠、應變迅速。

3.1 彩轉(zhuǎn)黑切換控制

白天工作為彩色模式，夜間自動切換到黑白模式，同時開啟激光光源照明；清晨關(guān)閉激光，切換到彩色。一方面可使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，另一方面可有效延長激光光源的壽命。

3.2 云臺變速配合鏡頭智能變焦

根據(jù)鏡頭焦距變化調(diào)整云臺掃描速度，長焦時轉(zhuǎn)得慢一些，廣角時轉(zhuǎn)得快一些，保證視場目標清晰可辨，此功能對巡航掃描比較有用。

3.3 激光聯(lián)動變焦

激光夜視攝像機的焦距在調(diào)整過程中，視場角度會發(fā)生變化，視場大小也隨之改變。如果激光照明鏡頭的角度也能相應自動調(diào)整，即攝像機系統(tǒng)具有“激光聯(lián)動”變焦功能，則可將光源能量充分利用。一般情況下，激光聯(lián)動變焦功能通過攝像機鏡頭和激光變焦鏡頭的一一對應設置來完成。針對具體目標，激光光源聯(lián)動的位置并不是最理想，有些目標需要更大一些的光斑，有些目標適合于偏小一點的光斑，這時，操作者需對光斑做一些微調(diào)，找到滿意的位置。

3.4 攝像機預置位及激光同步預置位功能

用戶控制攝像機對重要目標監(jiān)控時，可把當前目標設置為預置位。在需要的時候，通過控制設備的調(diào)用命令來調(diào)出相應目標。在夜間設定的預置位，激光光源也要同步調(diào)整，在擁有激光聯(lián)動技術(shù)的情況下，這一點很容易實現(xiàn)。但是，如果聯(lián)動后的光源并沒有停在最理想的位置，每次都需要操作人員微調(diào)，使用起來就會很不方便。為解決這個問題，可考慮在具體的預置位設定時，先調(diào)整出最理想的攝像機及光斑位置，再同時存儲“攝像機預置位”和“激光光源預置位”，這樣，預置位再次調(diào)用的效果將是最佳的。實現(xiàn)這一設想，需要激光夜視攝像機廠家進行針對性的設備功能研發(fā)。

3.5 可靠性設計

根據(jù)鐵道部有關(guān)文件，鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)設備歸口電務部門管理。作為行車設備管理，應該按照電信運營商級設備標準建設、維護和管理，必須選取高品質(zhì)的產(chǎn)品；但一般的安防監(jiān)控產(chǎn)品使用壽命短，故障率較高，在鐵路系統(tǒng)，這些故障帶來巨大影響。

由于激光夜視產(chǎn)品工作在野外，環(huán)境比較惡劣，維修也很困難，必須選擇高品質(zhì)、高可靠性的產(chǎn)品。為配合鐵路應用，設備供應商應對設備核心部分（特別是光源）進行針對性處理，提高使用壽命；采用高可靠云臺，提高云臺系統(tǒng)的控制精度；設備整機應按照IP66防護、3年品質(zhì)保障的質(zhì)量標準來要求，為建設和使用單位解除后顧之憂。

4 工程應用分析

4.1 擴大近距離目標視場監(jiān)視范圍的解決方案

在工程應用中，擬采用激光攝像機監(jiān)視站臺及周邊情況，監(jiān)控距離不超過300m。攝像機安裝在車站的GSM-R鐵塔上，安裝高度約20m（見圖3）。監(jiān)控目標除車站兩端300m以內(nèi)范圍外，還包括距離很近的站房，站房長度約為30m，近距離目標如何獲得較大的視場范圍成為問題的關(guān)鍵。

一般情況下，激光視場角在1°～22°范圍連續(xù)可調(diào)，選擇較大的視場角形成光斑的大小為20m×tan（22°/2）×2=7.8m。

為防止站房的視場覆蓋面偏小，在實際設備設計中，宜將鏡頭視場角進一步放大。在保證光斑均勻性的前提下，采用0.5°～43°的激光變焦鏡頭，在最近處的光斑大小為20m×tan（43°/2）× 2=15.8m，可保證達到預期效果。

在實際應用中，應根據(jù)具體條件，提供針對性的設計和開發(fā)，以滿足不同場所、不同環(huán)境對產(chǎn)品的功能需求。

4.2 “后焦偏移”現(xiàn)象及解決方案

采用激光夜視攝像機監(jiān)控區(qū)間線路，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，白天圖像調(diào)試清楚后，晚上會變模糊；同樣，晚上調(diào)試清楚，白天又變模糊。造成這種情況的原因就是“后焦偏移”。

發(fā)生“后焦偏移”的原因是不同波長光折射率不同，經(jīng)過鏡頭折射后聚焦在不同位置，焦點發(fā)生偏移（見圖4）。波長不同時，后焦偏移程度也不同?？梢姽獾牟ㄩL在760nm內(nèi)，選擇808nm的紅外光源情況會好些，選擇940nm的光源時偏移會更明顯。

對于中短距離的“后焦偏移”，可用紅外IR鏡頭來解決；長距離的“后焦偏移”，推薦采用雙攝像機配置。白天，選擇色彩還原性好的彩色攝像機；晚上，切換到專業(yè)級的黑白攝像機，可獲得更好的品質(zhì)。由于兩臺攝像機分別工作、獨立對焦，自然回避了“后焦偏移”的發(fā)生。

責任編輯王肖文

費冬：北京國鐵華晨通信信息技術(shù)有限公司，副總工程師，北京，100070

姚?。罕本└咂諛饭怆娍萍加邢薰?，市場總監(jiān)，北京，100097