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红外摄像机应用原理与常见技术问题分析

2019-07-13 21:06发布

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自面世以来，红外摄像机便以其夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势，在夜视监控中占据了大部分市场。 

    红外摄像机应用原理 

    一般红外摄像机主通常由：感光芯片(CCD或CMOS)、DSP处理芯片、红外LED补光灯板、镜头、摄像机外壳、线缆等主要部件组成。下面对每个部件进行深一步的剖析： 

    1、感光芯片 

    感光芯片是一个摄像机的“眼睛”它的好坏直接决定着摄像机成像质量，特别是红外摄像机在夜晚光线不足的情况下，显得尤为重要。 

    感光芯片分为CCD和CMOS两种，两者基本上都是采用矽感光二极体进行光电转换。但由于两者构造不同：CMOS每个像素有独立的放大器;CCD则采用电荷传递方式输出信号，所有像素采用同一放大器进行信号放大。这样相同面积下像素点相同时，CMOS感光面积相对低于CCD，造成CMOS低照度效果相对CCD较差，再者CMOS每个放大器放大倍数都不同，造成夜晚图像噪点过大，影响夜晚图像效果;故相同像素下采用CCD作为感光元件的红外摄像机较用CMOS做为采集图像清晰度、低照度都会好些。再者同样是CCD，采用超低照度的，会比普通的CCD更好些，但价格就会高很多。值得欣慰的是，随着工艺的不断更新，普通CCD低照度性能越来越好，目前Sony主推的ICX639比07,08年主推的ICX409低照度性能提升了3倍。 

    但CMOS由于工艺较CCD简单，成本较低，随着新技术新工艺不断改善，CMOS的高像素、信号处理迅速等优势逐渐明显，在监控领域份额越来越大，必将给传统的CCD安防天下带来新的挑战。 

    2、DSP处理芯片 

    如果说感光芯片是摄像机的眼睛，那DSP就是摄像机的“大脑”，它不仅控制CCD信号的采集，而且对信号进行频谱分析、数字滤波、智能分析等。所以DSP功能的强弱直接影响着图像质量。但之前使用在摄像机上DSP片，一般Sony、Sharp进行捆绑CCD方式销售，造成即使其它公司有好的DSP图像处理技术，也难在安防摄像机领域以示拳脚。但随着Sharp，Sony对CCD单片销售的放开，给各个DSP厂商提供了一个良好的竞争发展平台，目前韩国的Nextchip，RJ，台湾晶彩生产的DSP性能大大优于原厂Sony推出的DSP，在实现基本功能的同时，增加了OSD，2D/3D降噪，宽动态，祯累积等功能，极大丰富了摄像机功能。 

    3、红外LED补光灯板 

    目前红外摄像机常用三种光线波长的红外补光灯，红外波段为810nm，850nm，940nm。810nm一般用于激光红外灯板，由于激光出光角度小，光线集中，故激光红外灯一般使用在夜晚中远距离监控。850nm，940nm波段红外灯板，一般由可发出相应波长的LED通过不同的串并电路组合而成，850nm由于近红光波段，会出现红曝现在，而940nm波长较长，无红曝现象。由于CCD的感光特性，550nm以上波长随着波长增加，CCD的感光度下降，所以大家一般都采用850nm的LED作为主要光源，940nm的红外灯板只有客户要求无红曝的情况下才会使用。 

    为了解决这个问题，各个厂商使用的方法也是不同的。大体上有以下几种： 

    1、降低电流。使用功耗小的红外灯代替大功耗的红外灯，虽然降低了散热量，但是在照射长距离的时候，效果肯定不如后者。 

    2、在机器内部加散热风扇，这样做效果肯定是有的，不过那样对风扇的考验是要很严格的，而且加了风扇对于外壳的设计上也是个考验，要保证美观还要实用。 

    3、使用恒定电流电源供电。保持电流恒定，控制LED的散热。 

    4、LED灯的分组排列。例如，以24颗的红外来说，可以把它排列成3组来减低热量。 

    5、结构材质的选择。例如，LED灯板和外壳选用铝合金等散热比较好的材料。 

    6、使用具有强制散热散冷作用的自动冷暖空调，自动调节机体内部温度，良好的解决了这一问题。 

    红暴问题 

    什么是红暴呢?先让我们来了解一下这个概念，红暴是由于所发射的红外线中包含可见光的成分。波长超过700nm的光线叫做红外线，900nm以上的红外线基本无红暴，波长越短，红暴越强，红外线感应度也越高。 

    有些红外摄像机厂家把能不能制造出无红暴红外灯当做一个技术问题来宣传，好像有红暴就是低技术，无红暴就是高技术。事实上，红外灯可以做到完全无红暴(采用940～950nm波长红外管)或仅有微弱红暴。目前市面上有两种主流红外灯，一种是有轻微红暴的，波长在850nm左右;一种是无红暴的，波长在940nm左右。同一款摄像机,在850nm波长的感应度比在940nm波长的感应度好到10倍。所以，850nm这种有轻微红暴的红外灯拥有更高的效率，应当成为红外摄像机的首选项。 

    近年来，随着红外摄像机的应用范围扩大，问题也迎面而来!各红外摄像机厂家一直致力于以上几方面的改进，确实，这些“短板”问题也得到了较大的改善，红外摄像机的寿命和夜视效果都得到了大幅优化。不过，上述问题仍然是困扰红外摄像机进一步发展的瓶颈行问题，仍然有待改进! 

    尽管红外摄像机是夜间监控市场的“一方霸主”，但在白天，红外摄像机并不那么如鱼得水，白天监控图像的偏 {MOD}成为红外摄像机PK普通摄像机的阻碍之一。除此之外，红外摄像机的寿命、发光能力、晚上图像有无干扰等也成为用户关注的焦点问题。 

    红外灯寿命问题 

    从外红灯的角度来看，提高寿命和加大距离往往是相互矛盾的。因为如果厂家需要加大红外灯的照射距离，势必就需要增加红外灯的功率，而增加功率势必会缩短红外灯的寿命，一些厂家为了一味追求红外灯的距离，刻意的增加红外灯的功率，使得红外灯寿命大大减小。而且随着功率的增加，使得摄像机内部温度提高，使得摄像机很容易损坏，造成恶性循环。 

    在这种情况下，我们就不能用提高供应电流来提高红外灯亮度，使之超负荷工作，虽然表面上优化了红外性能，实质上严重影响红外灯的寿命衰减。要提高红外灯的寿命首先要保证红外灯不负载，在不负载的同时通过增加红外灯的数量来保证有效距离;有的厂家则通过采用铝基板等高传导率材料、加大风冷器件的使用、增加外壳面积等方式来增加机身的散热能力，从而提升寿命。 

    在电路控制部分，也有部分厂家采用脉宽调制定律来保持红外灯电流的恒定，从而减少红外灯的发热，以达到延长寿命的目的。采用脉宽调制定律后，无论外界输入的电流如何波动，通过电路进入到红外灯的电流都非常稳定，从而保证红外灯发挥自身最大的效率、延长寿命。 

    图像偏 {MOD}问题 

    所有的黑白摄像机都是感应红外光的。在可见光条件下，红外光线对于彩 {MOD}摄像机来讲是一种杂光，会降低彩 {MOD}摄像机的清晰度和 {MOD}彩还原。而摄像机使用CCD是感应所有光线(可见光、红外线和紫外线等)的，这就造成在白天所拍摄的影像和我们肉眼只观察到可见光所产生的影像很不同，由于CCD感应到了红外线，它会干扰到DSP的运算，导致偏 {MOD}。 

    针对红外摄像机监控图像的偏 {MOD}问题，业界进行了大量的技术研发，目前来说，主要有三种方式解决这一问题。其一是通过调试CCD上的RGB {MOD}调来作DSP处理，这种做法治标不治本，而且并不是每个生产厂家都具备这种芯片处理能力;其二是通过滤光片切换，白天用全部滤除红外线的滤光片，晚上则用一个普通石英片修整光线;其三是通过机型的改变，用双CCD的红外摄像机取代IRCUT摄像机，在保证白天不偏 {MOD}的情况下，还可以增长红外摄像机使用寿命。 

    散热问题 

    由于配置了发热量较大的红外灯，红外灯在启动后，整个工作时间段内(以12小时计)在红外摄像机前部会有热量集中，即腔体内前端温度偏高，如不能散热均匀定会影响摄像机等其它部件的正常工作。例如50颗￠5的红外灯板，长时间运行的话，LED板上的温度几乎可以达到90度左右。 

    由于红外发光LED的辐射功率是和电流成正比的，很多不规范的厂家就用加大电流的方式来提高照射效果，然而电流越大温度越高。照射效果虽然提高了，但是机器本身由于LED过热会受到很大的伤害。其中，LED板后面的CCD就是最直接的受害者。CCD一般只能支撑到60-70度长。 

    4、镜头 

    红外摄像机选择镜头，首先，必须选用带IR功能的红外镜头，如果采用普通不感红外镜头，会由于白天可见光和夜晚补的红外光波段不同，造成镜头成像焦点偏移，图像白天清晰夜晚模糊的现象;再者在焦距一定的情况下，尽量选用光圈F小的镜头，光圈越小，进光量越大。例如同一个CCD系统在相同的补光情况下，F2.0光圈镜头会比F1.0光圈镜头进光量减少4倍。最后，能用定焦镜头的不要用变焦镜头，定焦镜头的光圈F值一般也是固定的，尽量选用F值小的镜头即可，但变焦镜头即使在小焦距段光圈为F1.0此时夜晚补光效果很好，到如果调节到大焦距段时，镜头的光圈F值会随着焦距变大而变大，造成进光量减少，红外效果下降，摄像机抓取图片偏暗。 

    5、摄像机外壳 

    红外摄像机外壳主要起三个作用：一、固定相关PCB;二、对PCB进行防水保护;三、对LED进行散热。 

    固定PCB功能毋庸置疑，对PCB的防水性能则大有讲究，现在有两种设计思路，要么外壳全部堵牢，水汽一点都不能进入;要么留出通气孔，保证摄像机内部和大气能很好对流通过蒸发使摄像机内部水汽尽快散去。目前有不少厂家室外产品基本都选择第一种防水方式，对外壳缝隙进行全部封堵，避免水汽进入，从08年到目前看此方案效果不错，由于漏水返修的红外产品比较少。留有通气孔的外壳设计，一般开有大面积窗口，实现内部和外部空气对流，万一有水分可尽快排出，但这种方式导致水分容易进入，电路板受潮加速老化，再者连续阴雨天存在一定的积水风险。 

    对LED补光灯进行散热是外壳结构设计设计时需重点考虑的因素，LED半导体材料，对热量非常敏感，温度过高会造成LED波长偏移，内部发光点永久失效，封装胶体变形影响出光效率等问题。目前做的比较好的散热都是把灯板直接和外壳连在一起，通过摄像机外壳对LED灯板进行散热。 

    最好能在设计外壳前，利用热设计对其整机热量进行分析评估，减少后期温度过高，调整结构的被动局面。 

    再者好的外壳设计，在满足防水，散热的需求外，也要对红外漏光，反光问题进行处理。之前红外摄像机经常出现白天图像正常，晚上图片白茫茫一片，看不到任何东西。除了摄像机安装环境方面造成的红外光直接反射回来进入CCD外，外壳内部CCD周围存在缝隙，玻璃未采用双环玻璃设计，遮阳罩未进行涂黑处理等原因都会造成红外漏光，反光直接进入CCD造成图像偏白问题。所以红外摄像机夜视效果不仅仅受制于CCD,DSP芯片方面限制，受机构影响还是很大的，需引起足够的重视。 

    6、线缆 

    谈到线缆可能会感觉对红外摄像机没什么影响，但恰恰示这段线对红外摄像机防水，图像品质，寿命方面有着很大的影响。防水方面，如果摄像机输入输出线缆没有使用防水线缆，就像给摄像机插入一根吸管，水分会随着这根管子进去摄像机内部，造成摄像机漏水起雾;图像品质方面，如果此段线缆未采用屏蔽线缆，很容易造成电源和视频之间干扰，出现水波纹，噪点等问题。 

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