红外灯的原理选择与应用

一、概述  
    在电视监控系统工程中，过去很少应用红外灯，近年来 , 不但金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门采用，而且也在一般监控系统中都被采用。甚至居民小区电视监控工程也应用了红外灯。这说明人们对电视监控系统工程的要求愈来愈规范、愈来愈高。不但要求白天和夜间可见光照明监控，而且要求夜间隐蔽性监控。  
     随着电视监控系统工程技术的发展，购买红外灯用户的迅猛增加，也出现不少问题，例如：某用户购买了十几个红外灯，说一个都不亮，经过询问了解才知道，他采用的是普通彩色摄像机，而普通彩色摄像机是不感受红外光的；有的用户说你们的红外灯达不到标称的照射距离，经过了解，他们缺乏红外灯对摄像机、镜头、防护罩和供电系统配套性要求的认识，在电视监控工程设计中没有作为一个红外低照度低照度假夜视系统工程来总体考虑；有的用户对红外灯自以为了解，自行增加 DC12V 红外灯供电电压，以此增加红外灯的辐照功率，或采用不稳压直流电源给 DC12V 红外灯供电造成红外灯烧毁；有的用户反映它们按红外灯要求的照度选配了摄像机，在红外灯标称的照射距离内却不能获得清晰图象，而不知有的摄像机生产厂家给出的**低照度有水分，或有意无意地使用了含糊的**低照度概念，以所谓的靶面照度代替景物照度；此外，有的用户对摄像机照度之外影响获得清晰图像的因素，如摄像机和镜头的标称尺寸、镜头光圈 F 、焦距 f 、对摄像机功能要求等不十分了解。我们认为现在向电视监控器材经销商、工程商和用户介绍一些红外灯的原理、选择和应用方法是有益的。   
    实现夜视的方法，可以采用常规的可见光照明，但此法不仅不能隐蔽，反而更加暴露监控目标（在居民小区还有扰民问题）。隐蔽的夜视监控，目前都是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。被动红外摄像技术是利用任何物质在**零度以上都有红外光发射，人体和热机发出的红外光较强，其它物体发出的红外光很微弱，利用特殊的红外摄像机可以实现夜间监控。但是，这种特殊的红外摄像机造价昂贵，而且不能反映周围环境状况，因此在夜视系统中不被采用。在夜视系统中经常采用主动红外摄像技术，即采用红外辐射 “ 照明 ” ，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光，辐射 “ 照明 ” 景物和环境，应用普通低照度黑白摄像机、白天彩色夜间自动变黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机，感受周围环境反射回来的红外光实现夜视。       
二、红外灯的原理及其特性  
      光是一种电磁波，它的波长区间从几个纳米（ 1nm=10 -9m ）到 1 毫米 （ mm ）左右。人眼可见的只是其中一部分，我们称其为可见光，可见光的波长范围为 380nm ～ 780nm ，可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光，波长比紫光短的称为紫外光，波长比红外光长的称为红外光。  
     普通 CCD 黑白摄像机可以感受光的光谱特性，它不仅能感受可见光，而且可以感受红外光。这就是利用普通 CCD 黑白摄像机，配合红外灯可以比较经济地实现夜视的基本原理。而普通彩色摄像机的光谱特性不能感受红外光，因此不能用于夜视。      
     红外灯按其红外光辐射机理分为半导体固体发光（红外发射二级管）红外灯和热辐射红外灯两种。其原理及特性我们介绍如下：  
    1.  红外发射二极管（ LED ）红外灯的原理及特性  
       由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓 GaAs ）制成 PN 结，外加正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长 830 ～ 950nm ，半峰带宽约 40nm 左右，它是窄带分布，为普通 CCD 黑白摄像机可感受的范围。其**大的优点是可以完全无红暴，（采用 940 ～ 950nm 波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。  
      红外发光二极管的发射功率用辐照度 μW/m2 表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的**大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。  
     当电压越过正向阈值电压（约 0.8V 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高 （ 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ） 会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。  
     红外二极管的**大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为**大值的 50％ 的角度称为半强度辐射角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。  
    2.  热辐射红外灯的基本原理及其特性  
     热辐射现象是极为普通的 , 物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光，所以人眼不能直接观察到。当加热 500 度左右时，才会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光变得更亮更白。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度，供辐射继续不断的进行。维持一定的温度而从外部提供的能量与因辐射而减少的能量达到平衡。  
     辐射体在不同加热温度时，辐射的峰值波长是不同的，其光谱能量分布也是不同的。  
     根据以上原理，经特殊设计和工艺制成的红外灯泡，其红外光成分**高可达 92 ～ 95％ 。国外生产的这种红外灯泡的技术性能为 : 
    功率 100 ～ 375W ；电源电压  230 ～ 250V ；使用寿命 5000 小时、辐射角度 60 ～ 80 度。
    普通黑白摄像机感受的光谱频率范围也是很宽的，且红外灯泡一般可制成比较大的功率和大的辐照角度，因此可用于远距离红外灯，这是它**大的优点。其**大不足之处是包含可见光成份，即有红暴，且使用寿命短，如果每天工作 10 小时， 5000 小时只能使用一年多，考虑散热不够，寿命还要短。而对于客户来讲，更换灯泡是麻烦和不愉快的事情。  
      在克服热辐射红外灯缺点方面进行了许多努力，**是研制和应用了高通红外滤波钢化玻璃。波长愈长，红暴愈小，甚至可达到全无红暴，但是，红外光的效率愈低，红外灯发热就愈高。红外玻璃的波长可根据用户对红暴要求高低加以选择，一般而言，相同有效辐照距离时，对红暴要求愈高，造价愈高。红外玻璃经过钢化，可以耐受急冷急热的变化，在内部红外灯泡由于可见光滤除的部分，转化产生热量，温度会很高，外部冷风及雨雪的突袭下，急冷而不致损坏。为提高热辐射红外灯的寿命，采用了光控开关电路，以减小其工作时间；采用了变压稳压整流电路，使其发光功率得以充分发挥而且提高了红外灯的寿命；而更重要的是考虑灯丝冷阻是非常小的，如 100W 红外灯泡，灯丝热阻为 529Ω ，这时的工作电流只有 0.4348A ，而冷阻只有 36Ω ，红外灯接通电源瞬间为 6.39A 瞬时功达到 1470W ，这一瞬间灯丝负荷过载达几十倍，这对灯丝寿命有非常大的影响。人们研制的灯丝保护电路，相信红外灯灯泡的工作寿命会成倍增长。此外，还增加了延时开关电路以防环境的光干扰。      
三．红外灯的选择和使用  
       红外灯的选择**重要的问题是成套性，即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源等的成套性。在设计方案时对所有器材综合考虑设计，把它作为一个红外低照度夜视监控系统工程来考虑设计。有的人买完了摄像机、镜头、防护罩、电源之后甚至安装之后才去考虑购买红外灯，这是不正确的，在考虑成套性时，特别要注意以下几个问题。  
    1.  使用黑白摄像机或特殊彩色摄像机  
    CCD 图象传感器具有很宽的感光光谱范围，其感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明也可使 CCD 图象传感器清晰的成像。而普通彩色摄像机为了能传输彩色信号，从 CCD 器件的输出信号中分离出绿蓝红三种基色视频信号，然后合成彩色电视信号，其感光光谱只在可见光区域。  
     随着技术的进步出现白天彩色／晚上黑白摄像机，它采用两个 CCD 进行切换或采用一个 CCD 利用数位电路的切换来实现，但是存在黑白照度偏高、有的对彩色色彩的不利影响等缺点。而红外低照度彩色摄像机红外感度比一般摄像机高 4 倍以上，随着成本的降低，会成为发展趋势的。  
    2.  要求选用低照度摄像机  
       摄像机的**低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别注明镜头的光圈 F 的大小。例如使用 F1.2 的镜头，  
    当被摄影景物的照度值低到 0.02Lx 时 , 摄像机输出的视频信号幅值为标准幅值 700mv 的 50％-33％ ，则称此摄像机的**低照度为 0.02Lx/F1.2 。有的摄像机生产厂家给出不同光圈 F 时的**低照度。当选择摄像机**低照度高于红外灯要求时，  
    红外灯的有效距离将受到一定影响。应当提醒用户的是市场上出售的摄像机技术性能标出的**低照度有两种不正常情况，一种是摄像机制造商所标的**低照度是所谓的靶面照度，即 CCD 图象传感器上的光照度，它比景物照度低 10 倍左右；另一种是有个别摄像机制造商或销售商虚报**低照度。目前市场上比较经济的黑白摄像机（售价在 700 元左右，有的**低照度标为 0.01 ～ 0.02Lx ）  
    它们的实际**低照度仅为 0.1 ～ 0.2Lx ，  
    如果，使用的红外灯要求摄像机的**低照度为 0.02Lx ，必然影响红外灯的有效照射距离，而购买**低照度 0.02Lux 的摄像机，价格可能比 0.1 ～ 0.2Lx 摄像机**少高一倍左右。这时有两种选择，在摄像机上多花钱，在红外灯上就少花钱；在摄像机上少花钱 , 在红外灯上就多花钱。经验表明室外特别是距离较远时，选择前者是比较经济的。  
    3.  要求摄像机的尺寸规格  
       摄像机标称尺寸日趋小型化，目前市场上的摄像机尺寸规格有 1/2"  1/3"  1/4" ，摄像机尺寸大 , 接受的光通量大 , 摄像机尺寸小 , 接受的光通量少 , 如红外灯标称的有效距离是在 1/2" 摄像机条件下试验的 , 如采用 1/3" 或者 1/4" 摄像机 , 有效距离也将受到一定影响。 1/3" 摄像机光通量只有 1/2” 摄像机光通量的 44％ 
    4.  镜头的尺寸规格      与摄像机的尺寸规格同理，不再赘述  
    5.  摄像机和镜头的功能要求  
     摄像机有自动电子快门功能， AGC 自动增益控制功能，镜头有自动光圈，以适应昼夜照度很大的变化。  
    6.  电源供应  
     电视监控系统前端设备的电源供应要统一考虑设计。红外灯的电源供应，考虑到红外管的工作电流对供电电压十分敏感，而电缆长度不同对直流电压衰减不同。在多个红外灯距控制室的距离相差较大时，采用 DC12V 集中供电可能使距控制室近的红外灯供电电压高，距控制室远的红外灯供电电压低。加之电源电压调整上的偏差，可能造成电压过高的红外灯寿命缩短甚至烧坏，电压低的红外灯发射功率不足。因此建议尽可能采用 AC220V 供电或配一对一的直流稳压电源，这种直流稳压电源有的在电网电压波动在 AC100V-245V 时输出直流电压都是稳定的，保证红外灯红外辐射功率都是稳定可靠的。 
     除配套性外，还要考虑到以下因素，选择红外灯时，在选择红外灯辐照距离时留有余地。     
    1. 摄像机给出的**低照度。这里的**低照度概念是什么？摄像机产生的视频信号标称值为 1V ，标准值为 0.7V ，而**低照度时的视频信号值为 1/3-1/2 标准植。所以摄像机在**低照度时的图像，决不会 “ 如同白昼一样 ” 。  
    2. 摄像机在**低照度时产生的图像清晰度，是用电视信号测试卡进行测式的，其黑白相间的条纹，要求黑色反射率近于 0％ ，白色反射率大于 89.9％ 。而我们在现场观察时有时不具备这样的条件，比如：树叶和草地的反射率很低，反差很小，就不易获得清晰图像。  
    3. 给出摄像机**低照度的同时，还要给出光圈 F 的要求值，而变焦镜头一般只给出 1 ： F 的**大值，即光圈 F 的**小值（光圈实际尺寸**大值）， F=f/D, 那么 D 为定值，在 f 焦距拉大 10 倍时， F 变得很大（即光圈实际尺寸变得很小）。光通量将受到很大影响。  
    4. 在使用自动光圈镜头、自动增益控制或自动电子快门摄像机时，镜头光圈 F 值也会发生变化。例如，在摄像机近处有景物，反射回强光给摄像机，或附近有灯光照射摄像机，这时摄像机的灵敏度将减小、自动光圈的尺寸将被关小，光通量也将受到很大影响。  
    5. 防护罩对红外灯的效果也有影响，红外光在传输过程中，通过不同介质，透射率和反射率也不同。不同的视窗玻璃，，特别是自动除霜镀膜玻璃，对红外光的衰减也不同。  
    6. 有的器材生产或销售商，不给出红外灯的辐照距离，只给出功率数，这样对生产、销售商来说麻烦可能少一些，但是这是非常含糊的概念，因为功率消耗除转化为红外光能外，还有电源热损耗、电路热损耗、光源热损耗、滤光玻璃片红外光效率等等。相同功率的红外灯，其辐照距离可能相差很远。  
     随着红外夜视系统的迅速发展，红外灯生产供应厂家也会增加，但红灯产品并非象有的人想象的那样容易，在技术、检测仪器设备等方面条件也不同，希望用户多多加比较，慎重选择。  
     用户使用红外灯**要仔细阅读使用说明书，特别是为保证人身设备安全的注意事项。检查前面所讲述的配套性方面是否达到要求，应考虑到的影响因素是否考虑到，如未达到要求，可及时调整所用器材。  
     用户不应擅自提高供电电压，因为红外灯在设计时，既考虑到其辐照度的充分发挥，又考虑到其安全可靠性。提高供电电压，可能使红外灯烧毁，更不应擅自拆改红外灯。如果这样做，生产厂家可能不再负责维修。如果红外灯出现问题，应与生产厂家或供货商联系。