激光夜视摄像机关键技术分析

2010-09-26费冬姚健

铁路技术创新 2010年2期

■ 费冬姚健

激光夜视摄像机关键技术分析

■ 费冬姚健

在需要远距离夜间监控的场所，激光夜视摄像机的应用越来越广泛，除了常见的车站咽喉区，也涉及站房、机房、桥隧等重要部位的安防监控，监控范围一般在250m以内。区间线路有监控需求时，监控范围会达到500m乃至1 000m。需注意的是，应用场所不同、使用方式的差别会对产品的配置与选型带来很大影响，价格差别也很大。因此，如何选择适合的夜视摄像机成为广受关注的问题。根据激光摄像机基本原理，重点分析激光器套件、摄像机、摄像机镜头选用的关键因素，并结合实际需求来讨论产品选型中需注意的问题。

1 基本原理

激光夜视技术以激光为光源，经过整形、扩束等处理，针对具体目标范围进行照明，可理解为“看不见光的探照灯”。激光光源输出功率一般为几瓦到十几瓦，具有能量集中、能耗低、照射距离远等优点，在铁路应用中，覆盖范围最远可达1000m。激光光源可灵活方便地调整发散角（视场角），距离近时扩大角度覆盖较大范围，距离远时缩小角度集中聚焦目标，可保证监控视场范围内保持最大功率的光源照射，使拍摄的图像层次分明，清晰明亮。一体化激光夜视摄像机构成见图1。

2 激光夜视产品选用的关键因素

2.1 激光器套件

2.1.1 激光器输出功率

激光器是系统照明的光源，其成本在整个系统中占很大比重，选择合适的输出功率非常重要。红外激光的波长分为808nm，940nm等，一般情况下，200～300m监控范围内，808nm波长激光器输出功率选择2～4W比较合适，940nm波长激光器选择6～10W比较合适。需说明的是，808nm波长激光器有红曝现象，有可能被机车司机误认为是信号灯，选择宜慎重；940nm波长激光器无红曝现象，但其利用效率较低，仅为808nm波长激光器的30%左右，成本较高。

2.1.2 激光器变焦调整

激光器发出的光是一条很窄的光束，需要通过激光镜头扩束成光锥。根据摄像机变焦镜头的拉近、推远，激光器的变焦镜头也要能同步变化，以保证光斑大小与摄像机目标视场范围重合。这种同步调整应能自动控制，保证用户使用方便。

2.1.3 光斑整形匀化

激光器发出的光斑要均匀、明亮，没有横纹，以免影响图像效果。通过整形匀化处理可取得较好效果（见图2）。

2.1.4 红外增透膜技术

为增加红外光源的透过率，可选择红外增透膜技术对光学镜片镀膜，处理过的系统光效率提高10%～15%。

2.1.5 激光器使用寿命

激光器使用寿命很长，进口激光器可提供10000h的平均无故障时间（强度降到原来的80%），经过抽真空充氮等技术处理后寿命还能更长。一般情况下，光源使用3年后仍可保证理想效果。

2.2 摄像机

在激光夜视系统中，摄像机的选择首先要考虑夜视效果，无论是彩转黑摄像机，还是单独的黑白摄像机，都要重点考虑它与激光光源及变焦镜头的配合问题，常见指标见表1。

需强调的是，铁路应用中常会出现机车探照大灯干扰的情况，强光抑制的功能和效果是非常重要的参考因素。

2.3 摄像机镜头

2.3.1 焦距选择

严格来讲，类似“夜视距离300m”的提法并不十分准确，应更进一步明确监控目标、监控程度。如“在300m的距离看清人的动作”或者“在300m的距离看清人的面部特征”；也可更直接地说，“在300m的距离看到人，目标占屏幕的1/4高”。其计算公式为f=v×D/V。

表1 摄像机性能常见指标

式中：f——焦距；

v——CCD成像尺寸；

D——目标距离；

V——目标高度。

计算可知，同样的要求，V越小，配套的镜头焦距也越小，成本也会低一些，但是成像质量会有所下降。

2.3.2 变焦范围

在较简单的使用场所，建议使用定焦镜头，价格便宜，可靠性也较高。不过，铁路大多数场合还是会选择变焦镜头，其优点在于一台摄像机可覆盖多个目标。常见的变焦镜头包括80mm，128mm，210mm，375mm，530mm，780mm，1000mm等。

2.3.3 变焦镜头的品质

评价变焦镜头的品质是一个非常专业的任务，涉及很多方面，保险起见，推荐大家选用知名品牌。

3 结合应用需求的功能设计

激光夜视系统并不是各种零部件简单地堆砌，而是为满足使用需求的集成化设计和功能体现。设计原则是：图像清晰、操作简便、使用可靠、应变迅速。

3.1 彩转黑切换控制

白天工作为彩色模式，夜间自动切换到黑白模式，同时开启激光光源照明；清晨关闭激光，切换到彩色。一方面可使系统工作在最佳状态，另一方面可有效延长激光光源的寿命。

3.2 云台变速配合镜头智能变焦

根据镜头焦距变化调整云台扫描速度，长焦时转得慢一些，广角时转得快一些，保证视场目标清晰可辨，此功能对巡航扫描比较有用。

3.3 激光联动变焦

激光夜视摄像机的焦距在调整过程中，视场角度会发生变化，视场大小也随之改变。如果激光照明镜头的角度也能相应自动调整，即摄像机系统具有“激光联动”变焦功能，则可将光源能量充分利用。一般情况下，激光联动变焦功能通过摄像机镜头和激光变焦镜头的一一对应设置来完成。针对具体目标，激光光源联动的位置并不是最理想，有些目标需要更大一些的光斑，有些目标适合于偏小一点的光斑，这时，操作者需对光斑做一些微调，找到满意的位置。

3.4 摄像机预置位及激光同步预置位功能

用户控制摄像机对重要目标监控时，可把当前目标设置为预置位。在需要的时候，通过控制设备的调用命令来调出相应目标。在夜间设定的预置位，激光光源也要同步调整，在拥有激光联动技术的情况下，这一点很容易实现。但是，如果联动后的光源并没有停在最理想的位置，每次都需要操作人员微调，使用起来就会很不方便。为解决这个问题，可考虑在具体的预置位设定时，先调整出最理想的摄像机及光斑位置，再同时存储“摄像机预置位”和“激光光源预置位”，这样，预置位再次调用的效果将是最佳的。实现这一设想，需要激光夜视摄像机厂家进行针对性的设备功能研发。

3.5 可靠性设计

根据铁道部有关文件，铁路综合视频监控系统设备归口电务部门管理。作为行车设备管理，应该按照电信运营商级设备标准建设、维护和管理，必须选取高品质的产品；但一般的安防监控产品使用寿命短，故障率较高，在铁路系统，这些故障带来巨大影响。

由于激光夜视产品工作在野外，环境比较恶劣，维修也很困难，必须选择高品质、高可靠性的产品。为配合铁路应用，设备供应商应对设备核心部分（特别是光源）进行针对性处理，提高使用寿命；采用高可靠云台，提高云台系统的控制精度；设备整机应按照IP66防护、3年品质保障的质量标准来要求，为建设和使用单位解除后顾之忧。