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        安防領(lǐng)域激光主動照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望

        2017-11-28 19:11:08趙炎武
        科技創(chuàng)新導報 2017年27期

        趙炎武

        摘 要:在科技飛速發(fā)展的今天,安防行業(yè)也在不斷發(fā)展,對于照明技術(shù)的要求更是不斷提升。而激光照明技術(shù)由于其自身獨特特點,未來的應用前景十分廣闊。本文就安防領(lǐng)域激光主動照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望做簡要闡述。

        關(guān)鍵詞:安防領(lǐng)域 激光主動照明技術(shù) 現(xiàn)狀與展望

        中圖分類號:TN249 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)09(c)-0079-02

        1 安防監(jiān)控領(lǐng)域現(xiàn)有的照明技術(shù)

        夜間安防系統(tǒng)使用的照明光源包括紅外LED與紅外LD,前者使用成本比較低,應用時間也比較早。而隨著LD價格的持續(xù)降低,激光照明應用范圍在持續(xù)擴大。安防領(lǐng)域照明使用的激光其波長保持在800~1000nm范圍內(nèi)。利用激光光源進行照明屬于主動照明成像技術(shù),區(qū)別于紅外熱成像與微光夜視技術(shù)。再者屬于被動成像范疇,無需主動照明光源。依據(jù)不同的照明距離要求,照明功率滿足相應的雷達方程。

        在雷達方程中涉及一些關(guān)鍵參數(shù),如攝像機的靈敏度閾值,在零照度情況下,需要的照明發(fā)射功率值、照明距離、目標反射系數(shù)、照射角、照明系統(tǒng)透過率、大氣衰減系數(shù)、成像系統(tǒng)透過率、成像通光孔徑、成像系統(tǒng)焦距等。激光照明角度配置需要結(jié)合到監(jiān)控距離,攝像機選擇方面,照度值不需要很高,鏡頭孔徑值很關(guān)鍵,盡量選擇大孔徑,以此來確保夜視儀的實用性價比。在實際應用中,夜間照明距離在100m之外的,激光功率通常不小于2W。但是由于相關(guān)因素如大氣損耗、夜間監(jiān)控環(huán)境、攝像機種類、鏡頭不同,照明距離遠近、激光功率與照明角度選取也會隨之改變。

        2 激光主動照明技術(shù)

        2.1 激光光斑整形勻化

        傳統(tǒng)激光器,激光出射角度在垂直與水平方向上不相等。后者發(fā)射角度大,將其角度方向稱之為快軸方向。而前者的發(fā)射角度小,將其角度方向稱之為慢軸方向。激光遠場光斑呈現(xiàn)橢圓形,由于激光的干涉作用,光斑的均勻性差,呈明暗間隔分布。無法直接作為照明用光源。對于光斑勻化可以從以下方面來考慮。

        一是利用光纖耦合的方式,對光斑作勻化處理。該方法在照明光斑勻化方面應用范圍比較廣泛。并且耦合光纖在合束數(shù)量增加的同時,光斑的均勻性也在提升,亮度也會增加,照明效果也有顯著變化,但是實現(xiàn)真正意義上消除光斑的不均勻性幾乎是不可能的。如果要利用耦合勻化的方式來解決光斑問題,激光源需要提供理想均勻的光斑,也必須有與軸向垂直且理想的合束光纖端面,端面的光潔度經(jīng)筆者驗證在納米級的光潔度為佳。這樣的要求對于產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)帶來困難。

        二是利用光學積分方式進行勻化,通過對激光器進行勻化,從而實現(xiàn)均勻照明目的。但是采用該方法的不足之處在于,裝置在光化學勻化后,激光耗損不可避免。耗損率大概在10%之上,這樣的損耗無論對于光源器件本身還是散熱件、結(jié)構(gòu)件都是致命的。該技術(shù)應用的難點就在于減少損耗,增強勻化效果。

        2.2 大角度寬范圍激光連續(xù)變焦照明

        在安防監(jiān)控有效距離之內(nèi),近距離監(jiān)控時要求視場盡可能的大,而距離較遠時,保證足夠的角度,以滿足清晰成像要求。而在實際工作中,攝像機焦距在變化的同時,視場角也會相應的發(fā)生變化。鑒于此,要求照明角度覆蓋全部監(jiān)控視角,即在監(jiān)控視角變化的同時,照明角度也必須要發(fā)生相應變化,以滿足工作需要。而要達到該目的,就要求激光發(fā)射角度是可變并且連續(xù)的。將鏡頭變焦控制技術(shù)應用于激光照明器,從而實現(xiàn)照明角度在大范圍內(nèi)可調(diào)節(jié),并且在一定的角度范圍內(nèi)可變。

        2.3 激光智能照明同步變焦技術(shù)

        該項技術(shù)采用的是自動化處理模塊,并與預置位鏡頭相配合,激光照明角度可以與鏡頭的成像視角自動保持一致。

        2.4 激光光軸微調(diào)對準技術(shù)

        激光主動照明技術(shù)照明角度與攝像機角度要時刻保持重合一致。攝像機光軸與激光光軸二者之間的軸向偏差要控制在視場角的1/10范圍內(nèi)。對于夜視成像系統(tǒng)而言,長焦距端視場角的最小角度控制在0.5°以內(nèi)。成像鏡頭與激光光軸二者光軸之間要保持平行穩(wěn)態(tài),光斑位置要在視場中心。應用該技術(shù)時,攝像機光軸與激光光軸二者之間的軸向精度差要小于0.05°。在兩套設(shè)備對準調(diào)節(jié)完成后利用機械自鎖結(jié)構(gòu)鎖緊,用照明角度與攝像機角度二者的完美匹配實現(xiàn)監(jiān)控范圍和激光功率的線性關(guān)系。

        3 激光照明安全

        激光照明安全性方面考慮的內(nèi)容有是否會對人體造成傷害,是否會導致火災發(fā)生。國家相關(guān)標準規(guī)定則指出,LED、LE的區(qū)別體現(xiàn)在發(fā)光效率、發(fā)光角度、工作壽命方面。在波長與光功率等方面沒有明顯的區(qū)別,符合安全標準。通過計算可以看出,在最小發(fā)射角情況下,當距離控制在5m范圍時,照明的范圍只有0.08m左右,其有效照明面積在0.006m2左右。在不考慮大氣衰減因素下,當激光照明器的功率保持在4W時,目標處在光功率密度要低于正午太陽光的光功率密度。前者約為666W/m2,后者約為1000W/m2。當使用功率為4W的紅外激光時,取照明角度最小,可以實現(xiàn)800m距離照明。利用激光監(jiān)控時,應該將其安裝于高處,與地面之間距離控制在5m之上。

        當人處于激光危險區(qū)域時,激光雖然是對人眼不可見的,但是能夠感覺到紅曝。人體本能的眨眼,則會使目光迅速脫離照射區(qū)域,以此避免傷害到眼睛。

        4 激光照明技術(shù)應用于安防領(lǐng)域的展望

        4.1 新型激光照明光源

        VCSEL與LED、LD光源有明顯區(qū)別,前者兼具了后者的優(yōu)點,發(fā)光閾值低、較好的穩(wěn)定性、壽命長、集成高、小體積、小散角、光斑模式好、價格便宜、小長寬帶窄、耦合效率高等。

        由于腔體積減少,自發(fā)輻射因子要高于普通端面激光器,多方面的物理性能會得到改變。在成本控制方面,可以在線測試。由于垂直發(fā)光方向的沉底散熱使二維陣列集成可以較容易實現(xiàn),從而達到更高輸出功率的目標。在制造工藝方面,前者與后者兼容,規(guī)?;a(chǎn)成本低廉,與傳統(tǒng)的LD相比,更具有價格方面的優(yōu)勢,推廣與應用工作也更容易開展。

        4.2 激光距離選通照明

        受到大氣的散射作用,激光照明光速的散射光進入到系統(tǒng)后會對成像造成影響,系統(tǒng)圖像信噪比會由此而降低。解決該問題,可以利用距離選通技術(shù)。以時間先后作為依據(jù),將不同距離的目標反射光與非目標散射光二者區(qū)分開,并使目標反射激光脈沖成像。遠距離激光照明選通成像系統(tǒng)的照明光源是高能量的脈沖激光,通過對目標區(qū)域進行照射,利用選通相機作為接收設(shè)備,利用延遲聲控技術(shù)對激光脈沖發(fā)射與相機快門成像時間進行嚴格控制,確保觀察目標反射脈沖激光在相機的工作時間內(nèi)到達并成像,從而將不同距離的散、反射光分開,以獲取清晰圖像。

        5 結(jié)語

        安防領(lǐng)域監(jiān)控市場發(fā)展速度非???,并且激光紅外市場也已經(jīng)進入了快速發(fā)展階段,市場競爭激烈。隨著技術(shù)發(fā)展成熟,產(chǎn)品的性價比將會進一步提升,在未來一段時間內(nèi),其市場前景將會非常的廣闊。

        參考文獻

        [1] 李明,徐現(xiàn)剛.安防領(lǐng)域激光主動照明技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].激光雜志,2017,38(3):1-4.endprint

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