夜视技术及其在中远距离的应用

赵跃进，王夏天，冯韵

（北京理工大学光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081）

夜视技术及其在中远距离的应用

赵跃进，王夏天，冯韵

（北京理工大学光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室，北京 100081）

在全天候无缝监控的新形势下，分析铁路视频监控需要解决的技术问题和技术需求；介绍微光夜视、激光夜视、红外夜视3种夜视技术及其产品，并进行对比分析；阐述夜视技术产品的环境适应性参数，以及夜视技术在中远距离的实际应用。

视频监控；中远距离；夜视技术；微光夜视；激光夜视；红外夜视

伴随监控技术的发展，具备全方位、全天候的监控网络已率先在城市安防中得到实现。自此之后，连接城市的交通及资源输送要道，如铁路、高速公路、河道、输油管道等区域成为监控领域关注的焦点。其中，对于高速公路区域已经提出了全天候无缝监控的概念，并且已有大量的实施案例。2016年，中国铁路总公司发布了铁总建设［2016］18号文件[1]，这表明对铁路沿线昼夜视频监控解决方案的论证及研究工作已被提上议程。

1 新形势下铁路视频监控产品的技术需求

目前，在铁路应用全方位监控设备需要解决的技术问题有：

（1）常规监控产品在昼间的监控能力较佳，在夜间看不清、看不远；

（2）监控设备会由于列车的高功率前灯照射导致探测器饱和发生过曝光现象；

（3）与常规监控应用环境不同，由于列车自质量较大，在行驶经过监控设备时会导致周围的地基发生振动从而引起图像振动，因此难以聚焦得到清晰的图像；

（4）列车速度较快，在经过监控设备时，镜头的自动聚焦过程需要快速、精准；

（5）如果监控设备使用无红曝激光进行补光，必须要精准实现齐焦，由于设备数目多，因此不可能完全依靠手动调整完成，需要实现自动化处理；

（6）实现铁路沿线全方位、全天候覆盖的监控，需要操作的监控设备数目庞大，不能再完全依靠人工进行，监控系统需要实现智能化、集成化；

（7）铁路沿线的维护时间范围是每日凌晨2：00—4：00，由于沿线监控设备数目较多，因此每台设备平均维护时间极其有限，因此设备需要具备较高的工作可靠性指标。

为此，铁路视频监控产品需要具备以下特性：

（1）保证全天候工作需要实现如下功能：具备自动补光设计功能，白天录制彩色视频，夜间录制黑白视频，且夜间切换至黑白视频状态时能够同步开启照明补光。

（2）实现看得远、看得清需要具备如下特点：摄像机像素不低于200万，并配合高分辨率的监控镜头。分辨率需满足如下要求：白天可清晰分辨1 km外车牌，夜间可清晰识别1 km外的人或车型，并且设备需具备齐焦功能。

（3）实现便捷操作需要自动实现强光抑制、电子防抖、齐焦调整等功能，从而时刻保证图像质量。

（4）实现系统智能化需要具备如下功能：系统内置多种智能分析和智能识别功能，应对不同的适用场合，使得监控人员能够在第一时间发现异常情况并根据智能分析系统提供的解决方案进行及时处理。

（5）实现较高的设备工作可靠性指标需要在产品设计阶段考虑如下因素：监控设备需要具备透雾、除霜等功能以应对恶劣天气条件；监控设备的供电系统需按更高标准进行设计以应对高电磁辐射、列车经过瞬间电压不稳等不利因素。

2 夜视技术

夜视技术是研究在夜间低照度条件下，用光电子成像的方法以实现夜间隐蔽观察的一种技术。夜视技术最早源于军事上的需求，二次世界大战期间，德国率先研制并使用红外热像仪，开启了夜视技术的应用和发展。夜视技术主要应用领域有：军事、重要场所监控、公安业务以及日常生活等。

按照观测原理进行分类，夜视技术可分为微光夜视技术、激光辅助照明夜视技术和红外夜视技术。

2.1 微光夜视技术

微光夜视技术是一种利用光电转换器件配合电子光学增强器件对夜晚微弱光照环境下的目标进行亮度提升以供观察的光电成像技术，也称为像增强技术。微光夜视仪是目前国内外生产和装备量最大且用途最广的器材，其特点是能够在微光环境进行被动成像，因此隐蔽性强，典型应用为军事、刑侦、缉私等领域。不足之处在于曝光量稍大的环境下探测器靶面极易受损，因此无法在昼间及强光照射条件下工作。虽然现有部分产品单独使用微光级图像传感器作为成像器件，但是由于缺少像增强器件，在观察中、远距离的目标时仍会受到照度不足的影响无法成像。因此微光夜视产品不适合应用在铁路视频监控领域。微光观察镜和微光图像见图1，其典型产品的性能指标见表1。

图1 微光观察镜和微光图像

表1 微光观察镜典型产品的性能指标

2.2 激光辅助照明夜视技术

激光辅助照明夜视（简称激光夜视）技术是一种主动夜视技术，它的成像原理是采用红外辐射波段的激光器作为光源，经激光光斑整形匀化后照明被监控目标，反射光通过长焦距变焦系统成像在高灵敏度CCD上。这种技术具有照射距离远、使用寿命长、目标光强分布均匀等诸多优点，现已成为中远距离主流监控设备。不足之处在于这种设备相对普通监控视频系统而言价格高，但随着激光技术的发展和普及，激光夜视产品制造成本正在不断下降，因此在民用领域的应用越来越广泛。另外，近年来高清成像设备迅速发展，并已逐步应用于激光夜视仪产品之中，在成像器件选用高清CCD或CMOS图像传感器后，已实现200万像素的标准。因此激光夜视技术可作为铁路全方位监控的解决方案，目前已有部分符合条件的产品投入应用。激光夜视仪和激光夜视图像见图2，其典型产品的性能指标见表2。

图2 激光夜视仪和激光夜视图像

表2 激光夜视仪典型产品的性能指标

激光夜视技术适用于道路监控，主要有以下技术特点：齐焦、强光拟制、后焦和透雾。

（1）齐焦的作用主要是使成像光学系统的物面和激光辅助照明投射面一致，即保证激光照明的目标正好成像在图像探测器上。通过对调焦和激光辅助照明系统的控制和调整，可以使两者重合，达到激光照到哪里就对哪里的目标进行成像，在调焦过程中始终得到清晰图像（见图3）。

（2）强光拟制的作用是当成像光学镜头迎面有强光照射时，会使图像传感器瞬时达到饱和，所得图像过曝光并不清晰。通过光学系统和处理电路的设计可以控制进入光学系统的光通量，使得图像曝光正常和清晰（见图4）。

图3 齐焦效果

图4 强光拟制效果

（3）后焦的作用是保证成像光学系统在昼间和夜间的成像均清晰。一般的监控光学成像系统主要针对可见光波长范围（昼间）进行消像差光学设计，因此在昼间监控系统得到的图像是清晰的，但到夜间，激光辅助照明的波长一般都用近红外波长（长于可见光波长），这时由于成像光束的波长变化会使得到的图像清晰度下降，影响成像质量。解决方法之一是将光学系统适应波长范围加大到近红外波段，这将增加成像系统的复杂度和成本；另一方法是对光学系统在夜间进行微调以保证成像清晰，这种方法保持原有成像系统不变，只是控制中增加了微调功能，比较经济和易行。后焦效果见图5。

（4）透雾的作用是成像系统能适应复杂天气条件下清晰成像，即在有雾的天气条件下仍能得到清晰图像。目前主要是通过光学系统设计和图像处理来提升成像系统在有雾情况下进行清晰成像的能力。透雾效果见图6。

图5 后焦效果

图6 透雾效果

2.3 红外夜视技术

红外夜视技术包含主动红外夜视技术与被动红外夜视技术两大类。

2.3.1 主动红外夜视技术

主动红外夜视技术是指仪器通过非激光器类的普通红外光源（红外二极管等）主动向外发射红外光束照射目标，并将目标反射的红外辐射图像转化成为可见光图像，从而进行夜间观察，早期在军事上用于夜间瞄准、驾驶车辆、侦察照相等。这种技术有3方面优点：（1）成像系统工作不受照度的限制；（2）在全黑情况下成像效果较好；（3）价格低廉。结合激光夜视技术的特点可以得知，主动红外夜视技术存在非常明显的缺陷：成像系统受到常规形式光源的准直性及功率的限制，观察距离短（不足100 m），因此该技术目前主要应用在民用近距离监控领域，不符合在铁路视频监控领域应用的技术要求。主动红外夜视成像效果见图7。

2.3.2 被动红外夜视技术

被动红外夜视技术又称红外热成像技术。该技术是通过一切温度高于绝对零度（-273 ℃）的物体都会产生红外辐射这一特性，利用目标和背景温度差异所产生的红外辐射差异性进行目标探测，红外热成像仪是目前人类掌握的最先进的夜视观测器材。其优点在于：（1）不受照度的限制；（2）在全黑或距离较远的情况下具有较好的成像效果；（3）具有一定的穿透作用，烟雾等恶劣天气对成像效果影响小。缺点在于成像探测器的价格非常昂贵。

图7 主动红外夜视成像效果

对于以大气为传输介质的红外热成像设备而言，由于大气对红外辐射的传播具有一定的吸收作用，仅在1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm 3个范围内的红外电磁波的衰减系数较小，可以实现自由传输，这些光谱段也被称为大气窗口，分别为短波、中波及长波红外波段，因此应用在地球大气层内的红外热成像设备的工作波长至少包含上述3个波段之一。红外大气窗口见图8。

图8 红外大气窗口

红外热成像探测器主要分为光子探测器和热探测器两类。光子探测器是一种基于光电效应实现红外辐射探测功能的器件，特点是成本高、寿命短，典型产品为光电导探测器、光伏探测器、肖特基（Schottky）势垒探测器、量子阱探测器。热探测器由特殊材料制成，该材料能够将目标的热辐射转换为其他易于探测的物理量从而间接实现热探测功能，根据受热引起变化的物理量不同，可分为引起电学参数变化和引发机械形变2种形式的材料。典型产品为热电偶和热电堆、测辐射热计（氧化钒等）、热释电探测器、热机械探测器（双材料微悬臂梁）等。红外热像仪和热图像见图9，典型热成像产品的性能指标见表3。

图9 红外热像仪和热图像

表3 典型热成像产品的性能指标

从表3数据可以看出，虽然红外热成像探测器的探测距离较远，但是最大图像尺寸仅为100万像素，尚未达到200万像素的标准，因此不适合应用于铁路监控系统。

3 3种夜视技术及国内外夜视产品对比

3.1 3种夜视技术对比

综合分析上述3种夜视技术，将其主要特点进行归纳对比（见表4）。从表4可以看出，激光夜视技术可作为新形势下铁路监控领域的解决方案。

表4 3种夜视技术横向对比

3.2 国内外激光夜视产品技术参数对比

国内外激光夜视产品技术参数的横向对比见表5。从表5可以看出，虽然激光夜视仪的概念最早由国外提出，但是在产品化和实用方面我国处于世界前沿。

表5 国内外激光夜视产品技术参数对比

3.3 国内外红外热像夜视产品技术参数对比

国内外红外热像夜视产品技术参数的横向对比见表6。目前，美国、法国的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先地位。由于国产红外探测器研制水平有限，大部分采用法国ULIS公司生产的多晶硅探测器，或者是性能指标更好的美国FLIR公司的氧化钒探测器。国内公司的研究工作主要集中于镜头设计、读出系统、控制电路、图像增强等方面。

表6 国内外红外热像夜视产品技术参数对比

4 夜视技术产品的环境适应性

夜视产品的设备参数以及各自的环境适应能力主要包括防护等级、工作温度、抗振、抗盐雾能力以及恶劣成像条件下的图像增强功能等方面。对远、中、近3种不同成像距离的夜视成像产品进行市场调研，归纳总结其环境适应性参数见表7。

表7 夜视技术产品的环境适应性参数

5 夜视技术在中远距离的实际应用

夜视技术的应用领域十分广泛，除铁路沿线监控外，还包括道路制高点监控、灾害预警、边境安全、城市安防等领域，上述应用领域均要求实现24 h连续监控。各领域夜视成像产品技术参数及应用现状归纳见表8。

其中，边境安全出于隐蔽性等军事安全方面考虑，选择红外热像技术。出于成本及应用环境等综合因素考虑，城市安防单独使用微光级别图像传感器进行微光夜视成像即可满足要求。

6 结束语

铁路运营安全始终是人们关注的焦点。由于夜间能见度低、视线差，如何保证铁路沿线、交通枢纽视频监控画面的清晰度成为新的挑战[2]。根据中国铁路总公司要求，时速200 km及以上铁路区间线路视频监控设备采用监视距离不小于1.5 km的激光摄像机，覆盖路基、路基和桥梁结合部以及长度6 km以上桥梁等区段，且满足24 h监控要求。应结合铁路应用特殊环境以及各类技术的自身特点，进一步探索有效实现昼夜视频监视的先进夜视技术。

表8 各领域夜视成像产品技术参数及应用现状

[1] 铁总建设［2016］18号 关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知[S].

[2] 李春杰，吴云鹏. 高铁线路视频监控高清长焦激光摄像机测试[J]. 中国铁路，2016(10)：81-85.

责任编辑 卢敏

Night Vision Technologies and Their Application for Medium and Long Distance

ZHAO Yuejin，WANG Xiatian，FENG 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

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