紅外攝像機應用原理與常見技術問題分析

自面世以來，紅外攝像機便以其夜視距離遠、隱蔽性強、性能穩定等突出優勢，在夜視監控中佔據了大部分市場。 

    紅外攝像機應用原理 

    一般紅外攝像機主通常由：感光芯片(CCD或CMOS)、DSP處理芯片、紅外LED補光燈板、鏡頭、攝像機外殼、線纜等主要部件組成。下面對每個部件進行深一步的剖析： 

    1、感光芯片 

    感光芯片是一個攝像機的“眼睛”它的好壞直接決定着攝像機成像質量，特別是紅外攝像機在夜晚光線不足的情況下，顯得尤爲重要。 

    感光芯片分爲CCD和CMOS兩種，兩者基本上都是採用矽感光二極體進行光電轉換。但由於兩者構造不同：CMOS每個像素有獨立的放大器;CCD則採用電荷傳遞方式輸出信號，所有像素採用同一放大器進行信號放大。這樣相同面積下像素點相同時，CMOS感光面積相對低於CCD，造成CMOS低照度效果相對CCD較差，再者CMOS每個放大器放大倍數都不同，造成夜晚圖像噪點過大，影響夜晚圖像效果;故相同像素下采用CCD作爲感光元件的紅外攝像機較用CMOS做爲採集圖像清晰度、低照度都會好些。再者同樣是CCD，採用超低照度的，會比普通的CCD更好些，但價格就會高很多。值得欣慰的是，隨着工藝的不斷更新，普通CCD低照度性能越來越好，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由於工藝較CCD簡單，成本較低，隨着新技術新工藝不斷改善，CMOS的高像素、信號處理迅速等優勢逐漸明顯，在監控領域份額越來越大，必將給傳統的CCD安防天下帶來新的挑戰。 

    2、DSP處理芯片 

    如果說感光芯片是攝像機的眼睛，那DSP就是攝像機的“大腦”，它不僅控制CCD信號的採集，而且對信號進行頻譜分析、數字濾波、智能分析等。所以DSP功能的強弱直接影響着圖像質量。但之前使用在攝像機上DSP片，一般Sony、Sharp進行捆綁CCD方式銷售，造成即使其它公司有好的DSP圖像處理技術，也難在安防攝像機領域以示拳腳。但隨着Sharp，Sony對CCD單片銷售的放開，給各個DSP廠商提供了一個良好的競爭發展平臺，目前韓國的Nextchip，RJ，臺灣晶彩生產的DSP性能大大優於原廠Sony推出的DSP，在實現基本功能的同時，增加了OSD，2D/3D降噪，寬動態，禎累積等功能，極大豐富了攝像機功能。 

    3、紅外LED補光燈板 

    目前紅外攝像機常用三種光線波長的紅外補光燈，紅外波段爲810nm，850nm，940nm。810nm一般用於激光紅外燈板，由於激光出光角度小，光線集中，故激光紅外燈一般使用在夜晚中遠距離監控。850nm，940nm波段紅外燈板，一般由可發出相應波長的LED通過不同的串並電路組合而成，850nm由於近紅光波段，會出現紅曝現在，而940nm波長較長，無紅曝現象。由於CCD的感光特性，550nm以上波長隨着波長增加，CCD的感光度下降，所以大家一般都採用850nm的LED作爲主要光源，940nm的紅外燈板只有客戶要求無紅曝的情況下才會使用。 

    爲了解決這個問題，各個廠商使用的方法也是不同的。大體上有以下幾種： 

    1、降低電流。使用功耗小的紅外燈代替大功耗的紅外燈，雖然降低了散熱量，但是在照射長距離的時候，效果肯定不如後者。 

    2、在機器內部加散熱風扇，這樣做效果肯定是有的，不過那樣對風扇的考驗是要很嚴格的，而且加了風扇對於外殼的設計上也是個考驗，要保證美觀還要實用。 

    3、使用恆定電流電源供電。保持電流恆定，控制LED的散熱。 

    4、LED燈的分組排列。例如，以24顆的紅外來說，可以把它排列成3組來減低熱量。 

    5、結構材質的選擇。例如，LED燈板和外殼選用鋁合金等散熱比較好的材料。 

    6、使用具有強制散熱散冷作用的自動冷暖空調，自動調節機體內部溫度，良好的解決了這一問題。 

    紅暴問題 

    什麼是紅暴呢?先讓我們來了解一下這個概念，紅暴是由於所發射的紅外線中包含可見光的成分。波長超過700nm的光線叫做紅外線，900nm以上的紅外線基本無紅暴，波長越短，紅暴越強，紅外線感應度也越高。 

    有些紅外攝像機廠家把能不能製造出無紅暴紅外燈當做一個技術問題來宣傳，好像有紅暴就是低技術，無紅暴就是高技術。事實上，紅外燈可以做到完全無紅暴(採用940～950nm波長紅外管)或僅有微弱紅暴。目前市面上有兩種主流紅外燈，一種是有輕微紅暴的，波長在850nm左右;一種是無紅暴的，波長在940nm左右。同一款攝像機,在850nm波長的感應度比在940nm波長的感應度好到10倍。所以，850nm這種有輕微紅暴的紅外燈擁有更高的效率，應當成爲紅外攝像機的首選項。 

    近年來，隨着紅外攝像機的應用範圍擴大，問題也迎面而來!各紅外攝像機廠家一直致力於以上幾方面的改進，確實，這些“短板”問題也得到了較大的改善，紅外攝像機的壽命和夜視效果都得到了大幅優化。不過，上述問題仍然是困擾紅外攝像機進一步發展的瓶頸行問題，仍然有待改進! 

    儘管紅外攝像機是夜間監控市場的“一方霸主”，但在白天，紅外攝像機並不那麼如魚得水，白天監控圖像的偏色成爲紅外攝像機PK普通攝像機的阻礙之一。除此之外，紅外攝像機的壽命、發光能力、晚上圖像有無干擾等也成爲用戶關注的焦點問題。 

    紅外燈壽命問題 

    從外紅燈的角度來看，提高壽命和加大距離往往是相互矛盾的。因爲如果廠家需要加大紅外燈的照射距離，勢必就需要增加紅外燈的功率，而增加功率勢必會縮短紅外燈的壽命，一些廠家爲了一味追求紅外燈的距離，刻意的增加紅外燈的功率，使得紅外燈壽命大大減小。而且隨着功率的增加，使得攝像機內部溫度提高，使得攝像機很容易損壞，造成惡性循環。 

    在這種情況下，我們就不能用提高供應電流來提高紅外燈亮度，使之超負荷工作，雖然表面上優化了紅外性能，實質上嚴重影響紅外燈的壽命衰減。要提高紅外燈的壽命首先要保證紅外燈不負載，在不負載的同時通過增加紅外燈的數量來保證有效距離;有的廠家則通過採用鋁基板等高傳導率材料、加大風冷器件的使用、增加外殼面積等方式來增加機身的散熱能力，從而提升壽命。 

    在電路控制部分，也有部分廠家採用脈寬調製定律來保持紅外燈電流的恆定，從而減少紅外燈的發熱，以達到延長壽命的目的。採用脈寬調製定律後，無論外界輸入的電流如何波動，通過電路進入到紅外燈的電流都非常穩定，從而保證紅外燈發揮自身最大的效率、延長壽命。 

    圖像偏色問題 

    所有的黑白攝像機都是感應紅外光的。在可見光條件下，紅外光線對於彩色攝像機來講是一種雜光，會降低彩色攝像機的清晰度和色彩還原。而攝像機使用CCD是感應所有光線(可見光、紅外線和紫外線等)的，這就造成在白天所拍攝的影像和我們肉眼只觀察到可見光所產生的影像很不同，由於CCD感應到了紅外線，它會干擾到DSP的運算，導致偏色。 

    針對紅外攝像機監控圖像的偏色問題，業界進行了大量的技術研發，目前來說，主要有三種方式解決這一問題。其一是通過調試CCD上的RGB色調來作DSP處理，這種做法治標不治本，而且並不是每個生產廠家都具備這種芯片處理能力;其二是通過濾光片切換，白天用全部濾除紅外線的濾光片，晚上則用一個普通石英片修整光線;其三是通過機型的改變，用雙CCD的紅外攝像機取代IRCUT攝像機，在保證白天不偏色的情況下，還可以增長紅外攝像機使用壽命。 

    散熱問題 

    由於配置了發熱量較大的紅外燈，紅外燈在啓動後，整個工作時間段內(以12小時計)在紅外攝像機前部會有熱量集中，即腔體內前端溫度偏高，如不能散熱均勻定會影響攝像機等其它部件的正常工作。例如50顆￠5的紅外燈板，長時間運行的話，LED板上的溫度幾乎可以達到90度左右。 

    由於紅外發光LED的輻射功率是和電流成正比的，很多不規範的廠家就用加大電流的方式來提高照射效果，然而電流越大溫度越高。照射效果雖然提高了，但是機器本身由於LED過熱會受到很大的傷害。其中，LED板後面的CCD就是最直接的受害者。CCD一般只能支撐到60-70度長。 

    4、鏡頭 

    紅外攝像機選擇鏡頭，首先，必須選用帶IR功能的紅外鏡頭，如果採用普通不感紅外鏡頭，會由於白天可見光和夜晚補的紅外光波段不同，造成鏡頭成像焦點偏移，圖像白天清晰夜晚模糊的現象;再者在焦距一定的情況下，儘量選用光圈F小的鏡頭，光圈越小，進光量越大。例如同一個CCD系統在相同的補光情況下，F2.0光圈鏡頭會比F1.0光圈鏡頭進光量減少4倍。最後，能用定焦鏡頭的不要用變焦鏡頭，定焦鏡頭的光圈F值一般也是固定的，儘量選用F值小的鏡頭即可，但變焦鏡頭即使在小焦距段光圈爲F1.0此時夜晚補光效果很好，到如果調節到大焦距段時，鏡頭的光圈F值會隨着焦距變大而變大，造成進光量減少，紅外效果下降，攝像機抓取圖片偏暗。 

    5、攝像機外殼 

    紅外攝像機外殼主要起三個作用：一、固定相關PCB;二、對PCB進行防水保護;三、對LED進行散熱。 

    固定PCB功能毋庸置疑，對PCB的防水性能則大有講究，現在有兩種設計思路，要麼外殼全部堵牢，水汽一點都不能進入;要麼留出通氣孔，保證攝像機內部和大氣能很好對流通過蒸發使攝像機內部水汽儘快散去。目前有不少廠家室外產品基本都選擇第一種防水方式，對外殼縫隙進行全部封堵，避免水汽進入，從08年到目前看此方案效果不錯，由於漏水返修的紅外產品比較少。留有通氣孔的外殼設計，一般開有大面積窗口，實現內部和外部空氣對流，萬一有水分可儘快排出，但這種方式導致水分容易進入，電路板受潮加速老化，再者連續陰雨天存在一定的積水風險。 

    對LED補光燈進行散熱是外殼結構設計設計時需重點考慮的因素，LED半導體材料，對熱量非常敏感，溫度過高會造成LED波長偏移，內部發光點永久失效，封裝膠體變形影響出光效率等問題。目前做的比較好的散熱都是把燈板直接和外殼連在一起，通過攝像機外殼對LED燈板進行散熱。 

    最好能在設計外殼前，利用熱設計對其整機熱量進行分析評估，減少後期溫度過高，調整結構的被動局面。 

    再者好的外殼設計，在滿足防水，散熱的需求外，也要對紅外漏光，反光問題進行處理。之前紅外攝像機經常出現白天圖像正常，晚上圖片白茫茫一片，看不到任何東西。除了攝像機安裝環境方面造成的紅外光直接反射回來進入CCD外，外殼內部CCD周圍存在縫隙，玻璃未採用雙環玻璃設計，遮陽罩未進行塗黑處理等原因都會造成紅外漏光，反光直接進入CCD造成圖像偏白問題。所以紅外攝像機夜視效果不僅僅受制於CCD,DSP芯片方面限制，受機構影響還是很大的，需引起足夠的重視。 

    6、線纜 

    談到線纜可能會感覺對紅外攝像機沒什麼影響，但恰恰示這段線對紅外攝像機防水，圖像品質，壽命方面有着很大的影響。防水方面，如果攝像機輸入輸出線纜沒有使用防水線纜，就像給攝像機插入一根吸管，水分會隨着這根管子進去攝像機內部，造成攝像機漏水起霧;圖像品質方面，如果此段線纜未採用屏蔽線纜，很容易造成電源和視頻之間干擾，出現水波紋，噪點等問題。