夜視技術及其在中遠距離的應用

趙躍進，王夏天，馮韻

（北京理工大學光電學院 精密光電測試儀器及技術北京市重點實驗室，北京 100081）

夜視技術及其在中遠距離的應用

趙躍進，王夏天，馮韻

（北京理工大學光電學院 精密光電測試儀器及技術北京市重點實驗室，北京 100081）

在全天候無縫監(jiān)控的新形勢下，分析鐵路視頻監(jiān)控需要解決的技術問題和技術需求；介紹微光夜視、激光夜視、紅外夜視3種夜視技術及其產品，并進行對比分析；闡述夜視技術產品的環(huán)境適應性參數(shù)，以及夜視技術在中遠距離的實際應用。

視頻監(jiān)控；中遠距離；夜視技術；微光夜視；激光夜視；紅外夜視

伴隨監(jiān)控技術的發(fā)展，具備全方位、全天候的監(jiān)控網(wǎng)絡已率先在城市安防中得到實現(xiàn)。自此之后，連接城市的交通及資源輸送要道，如鐵路、高速公路、河道、輸油管道等區(qū)域成為監(jiān)控領域關注的焦點。其中，對于高速公路區(qū)域已經提出了全天候無縫監(jiān)控的概念，并且已有大量的實施案例。2016年，中國鐵路總公司發(fā)布了鐵總建設［2016］18號文件[1]，這表明對鐵路沿線晝夜視頻監(jiān)控解決方案的論證及研究工作已被提上議程。

1 新形勢下鐵路視頻監(jiān)控產品的技術需求

目前，在鐵路應用全方位監(jiān)控設備需要解決的技術問題有：

（1）常規(guī)監(jiān)控產品在晝間的監(jiān)控能力較佳，在夜間看不清、看不遠；

（2）監(jiān)控設備會由于列車的高功率前燈照射導致探測器飽和發(fā)生過曝光現(xiàn)象；

（3）與常規(guī)監(jiān)控應用環(huán)境不同，由于列車自質量較大，在行駛經過監(jiān)控設備時會導致周圍的地基發(fā)生振動從而引起圖像振動，因此難以聚焦得到清晰的圖像；

（4）列車速度較快，在經過監(jiān)控設備時，鏡頭的自動聚焦過程需要快速、精準；

（5）如果監(jiān)控設備使用無紅曝激光進行補光，必須要精準實現(xiàn)齊焦，由于設備數(shù)目多，因此不可能完全依靠手動調整完成，需要實現(xiàn)自動化處理；

（6）實現(xiàn)鐵路沿線全方位、全天候覆蓋的監(jiān)控，需要操作的監(jiān)控設備數(shù)目龐大，不能再完全依靠人工進行，監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)智能化、集成化；

（7）鐵路沿線的維護時間范圍是每日凌晨2：00—4：00，由于沿線監(jiān)控設備數(shù)目較多，因此每臺設備平均維護時間極其有限，因此設備需要具備較高的工作可靠性指標。

為此，鐵路視頻監(jiān)控產品需要具備以下特性：

（1）保證全天候工作需要實現(xiàn)如下功能：具備自動補光設計功能，白天錄制彩色視頻，夜間錄制黑白視頻，且夜間切換至黑白視頻狀態(tài)時能夠同步開啟照明補光。

（2）實現(xiàn)看得遠、看得清需要具備如下特點：攝像機像素不低于200萬，并配合高分辨率的監(jiān)控鏡頭。分辨率需滿足如下要求：白天可清晰分辨1 km外車牌，夜間可清晰識別1 km外的人或車型，并且設備需具備齊焦功能。

（3）實現(xiàn)便捷操作需要自動實現(xiàn)強光抑制、電子防抖、齊焦調整等功能，從而時刻保證圖像質量。

（4）實現(xiàn)系統(tǒng)智能化需要具備如下功能：系統(tǒng)內置多種智能分析和智能識別功能，應對不同的適用場合，使得監(jiān)控人員能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)異常情況并根據(jù)智能分析系統(tǒng)提供的解決方案進行及時處理。

（5）實現(xiàn)較高的設備工作可靠性指標需要在產品設計階段考慮如下因素：監(jiān)控設備需要具備透霧、除霜等功能以應對惡劣天氣條件；監(jiān)控設備的供電系統(tǒng)需按更高標準進行設計以應對高電磁輻射、列車經過瞬間電壓不穩(wěn)等不利因素。

2 夜視技術

夜視技術是研究在夜間低照度條件下，用光電子成像的方法以實現(xiàn)夜間隱蔽觀察的一種技術。夜視技術最早源于軍事上的需求，二次世界大戰(zhàn)期間，德國率先研制并使用紅外熱像儀，開啟了夜視技術的應用和發(fā)展。夜視技術主要應用領域有：軍事、重要場所監(jiān)控、公安業(yè)務以及日常生活等。

按照觀測原理進行分類，夜視技術可分為微光夜視技術、激光輔助照明夜視技術和紅外夜視技術。

2.1 微光夜視技術

微光夜視技術是一種利用光電轉換器件配合電子光學增強器件對夜晚微弱光照環(huán)境下的目標進行亮度提升以供觀察的光電成像技術，也稱為像增強技術。微光夜視儀是目前國內外生產和裝備量最大且用途最廣的器材，其特點是能夠在微光環(huán)境進行被動成像，因此隱蔽性強，典型應用為軍事、刑偵、緝私等領域。不足之處在于曝光量稍大的環(huán)境下探測器靶面極易受損，因此無法在晝間及強光照射條件下工作。雖然現(xiàn)有部分產品單獨使用微光級圖像傳感器作為成像器件，但是由于缺少像增強器件，在觀察中、遠距離的目標時仍會受到照度不足的影響無法成像。因此微光夜視產品不適合應用在鐵路視頻監(jiān)控領域。微光觀察鏡和微光圖像見圖1，其典型產品的性能指標見表1。

圖1 微光觀察鏡和微光圖像

表1 微光觀察鏡典型產品的性能指標

2.2 激光輔助照明夜視技術

激光輔助照明夜視（簡稱激光夜視）技術是一種主動夜視技術，它的成像原理是采用紅外輻射波段的激光器作為光源，經激光光斑整形勻化后照明被監(jiān)控目標，反射光通過長焦距變焦系統(tǒng)成像在高靈敏度CCD上。這種技術具有照射距離遠、使用壽命長、目標光強分布均勻等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已成為中遠距離主流監(jiān)控設備。不足之處在于這種設備相對普通監(jiān)控視頻系統(tǒng)而言價格高，但隨著激光技術的發(fā)展和普及，激光夜視產品制造成本正在不斷下降，因此在民用領域的應用越來越廣泛。另外，近年來高清成像設備迅速發(fā)展，并已逐步應用于激光夜視儀產品之中，在成像器件選用高清CCD或CMOS圖像傳感器后，已實現(xiàn)200萬像素的標準。因此激光夜視技術可作為鐵路全方位監(jiān)控的解決方案，目前已有部分符合條件的產品投入應用。激光夜視儀和激光夜視圖像見圖2，其典型產品的性能指標見表2。

圖2 激光夜視儀和激光夜視圖像

表2 激光夜視儀典型產品的性能指標

激光夜視技術適用于道路監(jiān)控，主要有以下技術特點：齊焦、強光擬制、后焦和透霧。

（1）齊焦的作用主要是使成像光學系統(tǒng)的物面和激光輔助照明投射面一致，即保證激光照明的目標正好成像在圖像探測器上。通過對調焦和激光輔助照明系統(tǒng)的控制和調整，可以使兩者重合，達到激光照到哪里就對哪里的目標進行成像，在調焦過程中始終得到清晰圖像（見圖3）。

（2）強光擬制的作用是當成像光學鏡頭迎面有強光照射時，會使圖像傳感器瞬時達到飽和，所得圖像過曝光并不清晰。通過光學系統(tǒng)和處理電路的設計可以控制進入光學系統(tǒng)的光通量，使得圖像曝光正常和清晰（見圖4）。

圖3 齊焦效果

圖4 強光擬制效果

（3）后焦的作用是保證成像光學系統(tǒng)在晝間和夜間的成像均清晰。一般的監(jiān)控光學成像系統(tǒng)主要針對可見光波長范圍（晝間）進行消像差光學設計，因此在晝間監(jiān)控系統(tǒng)得到的圖像是清晰的，但到夜間，激光輔助照明的波長一般都用近紅外波長（長于可見光波長），這時由于成像光束的波長變化會使得到的圖像清晰度下降，影響成像質量。解決方法之一是將光學系統(tǒng)適應波長范圍加大到近紅外波段，這將增加成像系統(tǒng)的復雜度和成本；另一方法是對光學系統(tǒng)在夜間進行微調以保證成像清晰，這種方法保持原有成像系統(tǒng)不變，只是控制中增加了微調功能，比較經濟和易行。后焦效果見圖5。

（4）透霧的作用是成像系統(tǒng)能適應復雜天氣條件下清晰成像，即在有霧的天氣條件下仍能得到清晰圖像。目前主要是通過光學系統(tǒng)設計和圖像處理來提升成像系統(tǒng)在有霧情況下進行清晰成像的能力。透霧效果見圖6。

圖5 后焦效果

圖6 透霧效果

2.3 紅外夜視技術

紅外夜視技術包含主動紅外夜視技術與被動紅外夜視技術兩大類。

2.3.1 主動紅外夜視技術

主動紅外夜視技術是指儀器通過非激光器類的普通紅外光源（紅外二極管等）主動向外發(fā)射紅外光束照射目標，并將目標反射的紅外輻射圖像轉化成為可見光圖像，從而進行夜間觀察，早期在軍事上用于夜間瞄準、駕駛車輛、偵察照相等。這種技術有3方面優(yōu)點：（1）成像系統(tǒng)工作不受照度的限制；（2）在全黑情況下成像效果較好；（3）價格低廉。結合激光夜視技術的特點可以得知，主動紅外夜視技術存在非常明顯的缺陷：成像系統(tǒng)受到常規(guī)形式光源的準直性及功率的限制，觀察距離短（不足100 m），因此該技術目前主要應用在民用近距離監(jiān)控領域，不符合在鐵路視頻監(jiān)控領域應用的技術要求。主動紅外夜視成像效果見圖7。

2.3.2 被動紅外夜視技術

被動紅外夜視技術又稱紅外熱成像技術。該技術是通過一切溫度高于絕對零度（-273 ℃）的物體都會產生紅外輻射這一特性，利用目標和背景溫度差異所產生的紅外輻射差異性進行目標探測，紅外熱成像儀是目前人類掌握的最先進的夜視觀測器材。其優(yōu)點在于：（1）不受照度的限制；（2）在全黑或距離較遠的情況下具有較好的成像效果；（3）具有一定的穿透作用，煙霧等惡劣天氣對成像效果影響小。缺點在于成像探測器的價格非常昂貴。

圖7 主動紅外夜視成像效果

對于以大氣為傳輸介質的紅外熱成像設備而言，由于大氣對紅外輻射的傳播具有一定的吸收作用，僅在1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm 3個范圍內的紅外電磁波的衰減系數(shù)較小，可以實現(xiàn)自由傳輸，這些光譜段也被稱為大氣窗口，分別為短波、中波及長波紅外波段，因此應用在地球大氣層內的紅外熱成像設備的工作波長至少包含上述3個波段之一。紅外大氣窗口見圖8。

圖8 紅外大氣窗口

紅外熱成像探測器主要分為光子探測器和熱探測器兩類。光子探測器是一種基于光電效應實現(xiàn)紅外輻射探測功能的器件，特點是成本高、壽命短，典型產品為光電導探測器、光伏探測器、肖特基（Schottky）勢壘探測器、量子阱探測器。熱探測器由特殊材料制成，該材料能夠將目標的熱輻射轉換為其他易于探測的物理量從而間接實現(xiàn)熱探測功能，根據(jù)受熱引起變化的物理量不同，可分為引起電學參數(shù)變化和引發(fā)機械形變2種形式的材料。典型產品為熱電偶和熱電堆、測輻射熱計（氧化釩等）、熱釋電探測器、熱機械探測器（雙材料微懸臂梁）等。紅外熱像儀和熱圖像見圖9，典型熱成像產品的性能指標見表3。

圖9 紅外熱像儀和熱圖像

表3 典型熱成像產品的性能指標

從表3數(shù)據(jù)可以看出，雖然紅外熱成像探測器的探測距離較遠，但是最大圖像尺寸僅為100萬像素，尚未達到200萬像素的標準，因此不適合應用于鐵路監(jiān)控系統(tǒng)。

3 3種夜視技術及國內外夜視產品對比

3.1 3種夜視技術對比

綜合分析上述3種夜視技術，將其主要特點進行歸納對比（見表4）。從表4可以看出，激光夜視技術可作為新形勢下鐵路監(jiān)控領域的解決方案。

表4 3種夜視技術橫向對比

3.2 國內外激光夜視產品技術參數(shù)對比

國內外激光夜視產品技術參數(shù)的橫向對比見表5。從表5可以看出，雖然激光夜視儀的概念最早由國外提出，但是在產品化和實用方面我國處于世界前沿。

表5 國內外激光夜視產品技術參數(shù)對比

3.3 國內外紅外熱像夜視產品技術參數(shù)對比

國內外紅外熱像夜視產品技術參數(shù)的橫向對比見表6。目前，美國、法國的非制冷紅外探測器研制生產水平居世界領先地位。由于國產紅外探測器研制水平有限，大部分采用法國ULIS公司生產的多晶硅探測器，或者是性能指標更好的美國FLIR公司的氧化釩探測器。國內公司的研究工作主要集中于鏡頭設計、讀出系統(tǒng)、控制電路、圖像增強等方面。

表6 國內外紅外熱像夜視產品技術參數(shù)對比

4 夜視技術產品的環(huán)境適應性

夜視產品的設備參數(shù)以及各自的環(huán)境適應能力主要包括防護等級、工作溫度、抗振、抗鹽霧能力以及惡劣成像條件下的圖像增強功能等方面。對遠、中、近3種不同成像距離的夜視成像產品進行市場調研，歸納總結其環(huán)境適應性參數(shù)見表7。

表7 夜視技術產品的環(huán)境適應性參數(shù)

5 夜視技術在中遠距離的實際應用

夜視技術的應用領域十分廣泛，除鐵路沿線監(jiān)控外，還包括道路制高點監(jiān)控、災害預警、邊境安全、城市安防等領域，上述應用領域均要求實現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)控。各領域夜視成像產品技術參數(shù)及應用現(xiàn)狀歸納見表8。

其中，邊境安全出于隱蔽性等軍事安全方面考慮，選擇紅外熱像技術。出于成本及應用環(huán)境等綜合因素考慮，城市安防單獨使用微光級別圖像傳感器進行微光夜視成像即可滿足要求。

6 結束語

鐵路運營安全始終是人們關注的焦點。由于夜間能見度低、視線差，如何保證鐵路沿線、交通樞紐視頻監(jiān)控畫面的清晰度成為新的挑戰(zhàn)[2]。根據(jù)中國鐵路總公司要求，時速200 km及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設備采用監(jiān)視距離不小于1.5 km的激光攝像機，覆蓋路基、路基和橋梁結合部以及長度6 km以上橋梁等區(qū)段，且滿足24 h監(jiān)控要求。應結合鐵路應用特殊環(huán)境以及各類技術的自身特點，進一步探索有效實現(xiàn)晝夜視頻監(jiān)視的先進夜視技術。

表8 各領域夜視成像產品技術參數(shù)及應用現(xiàn)狀

[1] 鐵總建設［2016］18號 關于發(fā)布設計時速200公里及以上鐵路區(qū)間線路視頻監(jiān)控設置有關補充標準的通知[S].

[2] 李春杰，吳云鵬. 高鐵線路視頻監(jiān)控高清長焦激光攝像機測試[J]. 中國鐵路，2016(10)：81-85.

責任編輯 盧敏

Night Vision Technologies and Their Application for Medium and Long Distance

ZHAO Yuejin，WANG Xiatian，F(xiàn)ENG Yun
（School of Optoelectronics，Beijing Institute of Technology，Beijing Key Laboratory for Precise Photoelectricity Test Instruments and Technologies，Beijing 100081，China）

The technical issues and requirements of railway video surveillance that are imminent to be addressed are analyzed to assure all-round and all-weather monitoring of the railways. Three night vision technologies and products are introduced and compared, including the low-light level, laser and infrared night vision solutions. Their environment adaptability parameters as well as the actual application for medium and long distance are elaborated.

video surveillance；medium and long distance；night vision technology；low-light level night vision；laser night vision；infrared night vision

U298

A

1001-683X（2017）02-0071-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.071

2017-01-13

趙躍進（1958—），男，教授，博士。E-mail：yjzhao@bit.edu.cn