激光夜視攝像機關鍵技術分析

■ 費冬 姚健

激光夜視攝像機關鍵技術分析

■ 費冬 姚健

在需要遠距離夜間監控的場所，激光夜視攝像機的應用越來越廣泛，除了常見的車站咽喉區，也涉及站房、機房、橋隧等重要部位的安防監控，監控范圍一般在250m以內。區間線路有監控需求時，監控范圍會達到500m乃至1 000m。需注意的是，應用場所不同、使用方式的差別會對產品的配置與選型帶來很大影響，價格差別也很大。因此，如何選擇適合的夜視攝像機成為廣受關注的問題。根據激光攝像機基本原理，重點分析激光器套件、攝像機、攝像機鏡頭選用的關鍵因素，并結合實際需求來討論產品選型中需注意的問題。

1 基本原理

激光夜視技術以激光為光源，經過整形、擴束等處理，針對具體目標范圍進行照明，可理解為“看不見光的探照燈”。激光光源輸出功率一般為幾瓦到十幾瓦，具有能量集中、能耗低、照射距離遠等優點，在鐵路應用中，覆蓋范圍最遠可達1000m。激光光源可靈活方便地調整發散角（視場角），距離近時擴大角度覆蓋較大范圍，距離遠時縮小角度集中聚焦目標，可保證監控視場范圍內保持最大功率的光源照射，使拍攝的圖像層次分明，清晰明亮。一體化激光夜視攝像機構成見圖1。

2 激光夜視產品選用的關鍵因素

2.1 激光器套件

2.1.1 激光器輸出功率

激光器是系統照明的光源，其成本在整個系統中占很大比重，選擇合適的輸出功率非常重要。紅外激光的波長分為808nm，940nm等，一般情況下，200～300m監控范圍內，808nm波長激光器輸出功率選擇2～4W比較合適，940nm波長激光器選擇6～10W比較合適。需說明的是，808nm波長激光器有紅曝現象，有可能被機車司機誤認為是信號燈，選擇宜慎重；940nm波長激光器無紅曝現象，但其利用效率較低，僅為808nm波長激光器的30%左右，成本較高。

2.1.2 激光器變焦調整

激光器發出的光是一條很窄的光束，需要通過激光鏡頭擴束成光錐。根據攝像機變焦鏡頭的拉近、推遠，激光器的變焦鏡頭也要能同步變化，以保證光斑大小與攝像機目標視場范圍重合。這種同步調整應能自動控制，保證用戶使用方便。

2.1.3 光斑整形勻化

激光器發出的光斑要均勻、明亮，沒有橫紋，以免影響圖像效果。通過整形勻化處理可取得較好效果（見圖2）。

2.1.4 紅外增透膜技術

為增加紅外光源的透過率，可選擇紅外增透膜技術對光學鏡片鍍膜，處理過的系統光效率提高10%～15%。

2.1.5 激光器使用壽命

激光器使用壽命很長，進口激光器可提供10000h的平均無故障時間（強度降到原來的80%），經過抽真空充氮等技術處理后壽命還能更長。一般情況下，光源使用3年后仍可保證理想效果。

2.2 攝像機

在激光夜視系統中，攝像機的選擇首先要考慮夜視效果，無論是彩轉黑攝像機，還是單獨的黑白攝像機，都要重點考慮它與激光光源及變焦鏡頭的配合問題，常見指標見表1。

需強調的是，鐵路應用中常會出現機車探照大燈干擾的情況，強光抑制的功能和效果是非常重要的參考因素。

2.3 攝像機鏡頭

2.3.1 焦距選擇

嚴格來講，類似“夜視距離300m”的提法并不十分準確，應更進一步明確監控目標、監控程度。如“在300m的距離看清人的動作”或者“在300m的距離看清人的面部特征”；也可更直接地說，“在300m的距離看到人，目標占屏幕的1/4高”。其計算公式為f=v×D/V。

表1 攝像機性能常見指標

式中：f——焦距；

v——CCD成像尺寸；

D——目標距離；

V——目標高度。

計算可知，同樣的要求，V越小，配套的鏡頭焦距也越小，成本也會低一些，但是成像質量會有所下降。

2.3.2 變焦范圍

在較簡單的使用場所，建議使用定焦鏡頭，價格便宜，可靠性也較高。不過，鐵路大多數場合還是會選擇變焦鏡頭，其優點在于一臺攝像機可覆蓋多個目標。常見的變焦鏡頭包括80mm，128mm，210mm，375mm，530mm，780mm，1000mm等。

2.3.3 變焦鏡頭的品質

評價變焦鏡頭的品質是一個非常專業的任務，涉及很多方面，保險起見，推薦大家選用知名品牌。

3 結合應用需求的功能設計

激光夜視系統并不是各種零部件簡單地堆砌，而是為滿足使用需求的集成化設計和功能體現。設計原則是：圖像清晰、操作簡便、使用可靠、應變迅速。

3.1 彩轉黑切換控制

白天工作為彩色模式，夜間自動切換到黑白模式，同時開啟激光光源照明；清晨關閉激光，切換到彩色。一方面可使系統工作在最佳狀態，另一方面可有效延長激光光源的壽命。

3.2 云臺變速配合鏡頭智能變焦

根據鏡頭焦距變化調整云臺掃描速度，長焦時轉得慢一些，廣角時轉得快一些，保證視場目標清晰可辨，此功能對巡航掃描比較有用。

3.3 激光聯動變焦

激光夜視攝像機的焦距在調整過程中，視場角度會發生變化，視場大小也隨之改變。如果激光照明鏡頭的角度也能相應自動調整，即攝像機系統具有“激光聯動”變焦功能，則可將光源能量充分利用。一般情況下，激光聯動變焦功能通過攝像機鏡頭和激光變焦鏡頭的一一對應設置來完成。針對具體目標，激光光源聯動的位置并不是最理想，有些目標需要更大一些的光斑，有些目標適合于偏小一點的光斑，這時，操作者需對光斑做一些微調，找到滿意的位置。

3.4 攝像機預置位及激光同步預置位功能

用戶控制攝像機對重要目標監控時，可把當前目標設置為預置位。在需要的時候，通過控制設備的調用命令來調出相應目標。在夜間設定的預置位，激光光源也要同步調整，在擁有激光聯動技術的情況下，這一點很容易實現。但是，如果聯動后的光源并沒有停在最理想的位置，每次都需要操作人員微調，使用起來就會很不方便。為解決這個問題，可考慮在具體的預置位設定時，先調整出最理想的攝像機及光斑位置，再同時存儲“攝像機預置位”和“激光光源預置位”，這樣，預置位再次調用的效果將是最佳的。實現這一設想，需要激光夜視攝像機廠家進行針對性的設備功能研發。

3.5 可靠性設計

根據鐵道部有關文件，鐵路綜合視頻監控系統設備歸口電務部門管理。作為行車設備管理，應該按照電信運營商級設備標準建設、維護和管理，必須選取高品質的產品；但一般的安防監控產品使用壽命短，故障率較高，在鐵路系統，這些故障帶來巨大影響。

由于激光夜視產品工作在野外，環境比較惡劣，維修也很困難，必須選擇高品質、高可靠性的產品。為配合鐵路應用，設備供應商應對設備核心部分（特別是光源）進行針對性處理，提高使用壽命；采用高可靠云臺，提高云臺系統的控制精度；設備整機應按照IP66防護、3年品質保障的質量標準來要求，為建設和使用單位解除后顧之憂。

4 工程應用分析

4.1 擴大近距離目標視場監視范圍的解決方案

在工程應用中，擬采用激光攝像機監視站臺及周邊情況，監控距離不超過300m。攝像機安裝在車站的GSM-R鐵塔上，安裝高度約20m（見圖3）。監控目標除車站兩端300m以內范圍外，還包括距離很近的站房，站房長度約為30m，近距離目標如何獲得較大的視場范圍成為問題的關鍵。

一般情況下，激光視場角在1°～22°范圍連續可調，選擇較大的視場角形成光斑的大小為20m×tan（22°/2）×2=7.8m。

為防止站房的視場覆蓋面偏小，在實際設備設計中，宜將鏡頭視場角進一步放大。在保證光斑均勻性的前提下，采用0.5°～43°的激光變焦鏡頭，在最近處的光斑大小為20m×tan（43°/2）× 2=15.8m，可保證達到預期效果。

在實際應用中，應根據具體條件，提供針對性的設計和開發，以滿足不同場所、不同環境對產品的功能需求。

4.2 “后焦偏移”現象及解決方案

采用激光夜視攝像機監控區間線路，在實際應用中發現，白天圖像調試清楚后，晚上會變模糊；同樣，晚上調試清楚，白天又變模糊。造成這種情況的原因就是“后焦偏移”。

發生“后焦偏移”的原因是不同波長光折射率不同，經過鏡頭折射后聚焦在不同位置，焦點發生偏移（見圖4）。波長不同時，后焦偏移程度也不同。可見光的波長在760nm內，選擇808nm的紅外光源情況會好些，選擇940nm的光源時偏移會更明顯。

對于中短距離的“后焦偏移”，可用紅外IR鏡頭來解決；長距離的“后焦偏移”，推薦采用雙攝像機配置。白天，選擇色彩還原性好的彩色攝像機；晚上，切換到專業級的黑白攝像機，可獲得更好的品質。由于兩臺攝像機分別工作、獨立對焦，自然回避了“后焦偏移”的發生。

責任編輯王肖文

費冬：北京國鐵華晨通信信息技術有限公司，副總工程師，北京，100070

姚健：北京高普樂光電科技有限公司，市場總監，北京，100097