一、概述

　　在電視監控系統工程中，過(guò)去很少應用紅外燈，近年來(lái),不但金庫、油庫、軍械庫、圖書(shū)文獻庫、文物部門(mén)、監獄等重要部門(mén)采用，而且也在一般監控系統中都被采用。甚至居民小區電視監控工程也應用了紅外燈。這說(shuō)明人們對電視監控系統工程的要求愈來(lái)愈規范、愈來(lái)愈高。不但要求白天和夜間可見(jiàn)光照明監控，而且要求夜間隱蔽性監控。

　　隨著(zhù)電視監控系統工程技術(shù)的發(fā)展，購買(mǎi)紅外燈用戶(hù)的迅猛增加，也出現不少問(wèn)題，例如：某用戶(hù)購買(mǎi)了十幾個(gè)紅外燈，說(shuō)一個(gè)都不亮，經(jīng)過(guò)詢(xún)問(wèn)了解才知道，他采用的是普通彩色攝像機，而普通彩色攝像機是不感受紅外光的;有的用戶(hù)說(shuō)你們的紅外燈達不到標稱(chēng)的照射距離，經(jīng)過(guò)了解，他們缺乏紅外燈對攝像機、鏡頭、防護罩和供電系統配套性要求的認識，在電視監控工程設計中沒(méi)有作為一個(gè)紅外低照度低照度假夜視系統工程來(lái)總體考慮;有的用戶(hù)對紅外燈自以為了解，自行增加DC12V紅外燈供電電壓，以此增加紅外燈的輻照功率，或采用不穩壓直流電源給DC12V紅外燈供電造成紅外燈燒毀;有的用戶(hù)反映它們按紅外燈要求的照度選配了攝像機，在紅外燈標稱(chēng)的照射距離內卻不能獲得清晰圖象，而不知有的攝像機生產(chǎn)廠(chǎng)家給出的最低照度有水分，或有意無(wú)意地使用了含糊的最低照度概念，以所謂的靶面照度代替景物照度;此外，有的用戶(hù)對攝像機照度之外影響獲得清晰圖像的因素，如攝像機和鏡頭的標稱(chēng)尺寸、鏡頭光圈F、焦距f、對攝像機功能要求等不十分了解。我們認為現在向電視監控器材經(jīng)銷(xiāo)商、工程商和用戶(hù)介紹一些紅外燈的原理、選擇和應用方法是有益的。

　　實(shí)現夜視的方法，可以采用常規的可見(jiàn)光照明，但此法不僅不能隱蔽，反而更加暴露監控目標(在居民小區還有擾民問(wèn)題)。隱蔽的夜視監控，目前都是采用紅外攝像技術(shù)。紅外攝像技術(shù)分為被動(dòng)紅外攝像技術(shù)和主動(dòng)紅外攝像技術(shù)。被動(dòng)紅外攝像技術(shù)是利用任何物質(zhì)在絕對零度以上都有紅外光發(fā)射，人體和熱機發(fā)出的紅外光較強，其它物體發(fā)出的紅外光很微弱，利用特殊的紅外攝像機可以實(shí)現夜間監控。但是，這種特殊的紅外攝像機造價(jià)昂貴，而且不能反映周?chē)h(huán)境狀況，因此在夜視系統中不被采用。在夜視系統中經(jīng)常采用主動(dòng)紅外攝像技術(shù)，即采用紅外輻射“照明”，產(chǎn)生人眼看不見(jiàn)而普通攝像機能捕捉到的紅外光，輻射“照明”景物和環(huán)境，應用普通低照度黑白攝像機、白天彩色夜間自動(dòng)變黑白攝像機或紅外低照度彩色攝像機，感受周?chē)h(huán)境反射回來(lái)的紅外光實(shí)現夜視。

　　二、紅外燈的原理及其特性

　　光是一種電磁波，它的波長(cháng)區間從幾個(gè)納米(1nm=10-9m)到1毫米(mm)左右。人眼可見(jiàn)的只是其中一部分，我們稱(chēng)其為可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(cháng)范圍為 380nm～780nm，可見(jiàn)光波長(cháng)由長(cháng)到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫光，波長(cháng)比紫光短的稱(chēng)為紫外光，波長(cháng)比紅外光長(cháng)的稱(chēng)為紅外光。

　　普通CCD黑白攝像機可以感受光的光譜特性，它不僅能感受可見(jiàn)光，而且可以感受紅外光。這就是利用普通CCD黑白攝像機，配合紅外燈可以比較經(jīng)濟地實(shí)現夜視的基本原理。而普通彩色攝像機的光譜特性不能感受紅外光，因此不能用于夜視。

　　紅外燈按其紅外光輻射機理分為半導體固體發(fā)光(紅外發(fā)射二級管)紅外燈和熱輻射紅外燈兩種。其原理及特性我們介紹如下：

　　1. 紅外發(fā)射二極管(LED)紅外燈的原理及特性

　　由紅外發(fā)光二級管矩陣組成發(fā)光體。紅外發(fā)射二級管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵GaAs)制成PN結，外加正向偏壓向PN結注入電流激發(fā)紅外光。光譜功率分布為中心波長(cháng)830～950nm，半峰帶寬約40nm左右，它是窄帶分布，為普通CCD黑白攝像機可感受的范圍。其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全無(wú)紅暴，(采用940～950nm波長(cháng)紅外管)或僅有微弱紅暴(紅暴為有可見(jiàn)紅光)和壽命長(cháng)。

　　紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率用輻照度μW/m2表示。一般來(lái)說(shuō)，其紅外輻射功率與正向工作電流成正比，但在接近正向電流的最大額定值時(shí)，器件的溫度因電流的熱耗而上升，使光發(fā)射功率下降。紅外二極管電流過(guò)小，將影響其輻射功率的發(fā)揮，但工作電流過(guò)大將影響其壽命，甚至使紅外二極管燒毀。

　　當電壓越過(guò)正向閾值電壓(約0.8V左右)電流開(kāi)始流動(dòng)，而且是一很陡直的曲線(xiàn)，表明其工作電流對工作電壓十分敏感。因此要求工作電壓準確、穩定，否則影響輻射功率的發(fā)揮及其可靠性。輻射功率隨環(huán)境溫度的升高(包括其本身的發(fā)熱所產(chǎn)生的環(huán)境溫度升高)會(huì )使其輻射功率下降。紅外燈特別是遠距離紅外燈，熱耗是設計和選擇時(shí)應注意的問(wèn)題。

　　紅外二極管的最大輻射強度一般在光軸的正前方，并隨輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為最大值的50%的角度稱(chēng)為半強度輻射角。不同封裝工藝型號的紅外發(fā)光二極管的輻射角度有所不同。

　　2. 熱輻射紅外燈的基本原理及其特性

　　熱輻射現象是極為普通的,物體在溫度較低時(shí)產(chǎn)生的熱輻射全部是紅外光，所以人眼不能直接觀(guān)察到。當加熱500度左右時(shí)，才會(huì )產(chǎn)生暗紅色的可見(jiàn)光，隨著(zhù)溫度的上升，光變得更亮更白。在熱輻射光源中通過(guò)加熱燈絲來(lái)維持它的溫度，供輻射繼續不斷的進(jìn)行。維持一定的溫度而從外部提供的能量與因輻射而減少的能量達到平衡。

　　輻射體在不同加熱溫度時(shí)，輻射的峰值波長(cháng)是不同的，其光譜能量分布也是不同的。

　　根據以上原理，經(jīng)特殊設計和工藝制成的紅外燈泡，其紅外光成分最高可達92～95%。國外生產(chǎn)的這種紅外燈泡的技術(shù)性能為:

　　功率100～375W;電源電壓 230～250V;使用壽命5000小時(shí)、輻射角度60～80度。

　　普通黑白攝像機感受的光譜頻率范圍也是很寬的，且紅外燈泡一般可制成比較大的功率和大的輻照角度，因此可用于遠距離紅外燈，這是它最大的優(yōu)點(diǎn)。其最大不足之處是包含可見(jiàn)光成份，即有紅暴，且使用壽命短，如果每天工作10小時(shí)，5000小時(shí)只能使用一年多，考慮散熱不夠，壽命還要短。而對于客戶(hù)來(lái)講，更換燈泡是麻煩和不愉快的事情。

　　在克服熱輻射紅外燈缺點(diǎn)方面進(jìn)行了許多努力，首先是研制和應用了高通紅外濾波鋼化玻璃。波長(cháng)愈長(cháng)，紅暴愈小，甚至可達到全無(wú)紅暴，但是，紅外光的效率愈低，紅外燈發(fā)熱就愈高。紅外玻璃的波長(cháng)可根據用戶(hù)對紅暴要求高低加以選擇，一般而言，相同有效輻照距離時(shí)，對紅暴要求愈高，造價(jià)愈高。紅外玻璃經(jīng)過(guò)鋼化，可以耐受急冷急熱的變化，在內部紅外燈泡由于可見(jiàn)光濾除的部分，轉化產(chǎn)生熱量，溫度會(huì )很高，外部冷風(fēng)及雨雪的突襲下，急冷而不致?lián)p壞。為提高熱輻射紅外燈的壽命，采用了光控開(kāi)關(guān)電路，以減小其工作時(shí)間;采用了變壓穩壓整流電路，使其發(fā)光功率得以充分發(fā)揮而且提高了紅外燈的壽命;而更重要的是考慮燈絲冷阻是非常小的，如100W紅外燈泡，燈絲熱阻為529Ω，這時(shí)的工作電流只有0.4348A，而冷阻只有 36Ω，紅外燈接通電源瞬間為6.39A瞬時(shí)功達到1470W，這一瞬間燈絲負荷過(guò)載達幾十倍，這對燈絲壽命有非常大的影響。人們研制的燈絲保護電路，相信紅外燈燈泡的工作壽命會(huì )成倍增長(cháng)。此外，還增加了延時(shí)開(kāi)關(guān)電路以防環(huán)境的光干擾。

　　三.紅外燈的選擇和使用

　　紅外燈的選擇最重要的問(wèn)題是成套性，即紅外燈與攝像機、鏡頭、防護罩、供電電源等的成套性。在設計方案時(shí)對所有器材綜合考慮設計，把它作為一個(gè)紅外低照度夜視監控系統工程來(lái)考慮設計。有的人買(mǎi)完了攝像機、鏡頭、防護罩、電源之后甚至安裝之后才去考慮購買(mǎi)紅外燈，這是不正確的，在考慮成套性時(shí)，特別要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

　　1. 使用黑白攝像機或特殊彩色攝像機

　　CCD 圖象傳感器具有很寬的感光光譜范圍，其感光光譜不但包括可見(jiàn)光區域，還延長(cháng)到紅外區域，利用此特性，可以在夜間無(wú)可見(jiàn)光照明的情況下，用輔助紅外光源照明也可使CCD圖象傳感器清晰的成像。而普通彩色攝像機為了能傳輸彩色信號，從CCD器件的輸出信號中分離出綠藍紅三種基色視頻信號，然后合成彩色電視信號，其感光光譜只在可見(jiàn)光區域。

　　隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步出現白天彩色/晚上黑白攝像機，它采用兩個(gè)CCD進(jìn)行切換或采用一個(gè)CCD利用數位電路的切換來(lái)實(shí)現，但是存在黑白照度偏高、有的對彩色 色彩的不利影響等缺點(diǎn)。而紅外低照度彩色攝像機紅外感度比一般攝像機高4倍以上，隨著(zhù)成本的降低，會(huì )成為發(fā)展趨勢的。

　　2. 要求選用低照度攝像機

　　攝像機的最低照度是當被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機輸出的視頻信號電平低到某一規定值時(shí)的景物光亮度值。測定此參數時(shí)，還應特別注明鏡頭的光圈F的大小。例如使用F1.2的鏡頭，當被攝影景物的照度值低到0.02Lx時(shí),攝像機輸出的視頻信號幅值為標準幅值700mv的50%-33%，則稱(chēng)此攝像機的最低照度為0.02Lx/F1.2。有的攝像機生產(chǎn)廠(chǎng)家給出不同光圈F時(shí)的最低照度。當選擇攝像機最低照度高于紅外燈要求時(shí)，

　　紅外燈的有效距離將受到一定影響。應當提醒用戶(hù)的是市場(chǎng)上出售的攝像機技術(shù)性能標出的最低照度有兩種不正常情況，一種是攝像機制造商所標的最低照度是所謂的靶面照度，即CCD圖象傳感器上的光照度，它比景物照度低10倍左右;另一種是有個(gè)別攝像機制造商或銷(xiāo)售商虛報最低照度。目前市場(chǎng)上比較經(jīng)濟的黑白攝像機(售價(jià)在700元左右，有的最低照度標為0.01～0.02Lx)。

　　它們的實(shí)際最低照度僅為0.1～0.2Lx，如果，使用的紅外燈要求攝像機的最低照度為0.02Lx，必然影響紅外燈的有效照射距離，而購買(mǎi)最低照度0.02Lux的攝像機，價(jià)格可能比0.1～0.2Lx攝像機最少高一倍左右。這時(shí)有兩種選擇，在攝像機上多花錢(qián)，在紅外燈上就少花錢(qián);在攝像機上少花錢(qián),在紅外燈上就多花錢(qián)。經(jīng)驗表明室外特別是距離較遠時(shí)，選擇前者是比較經(jīng)濟的。

　　3. 要求攝像機的尺寸規格

　　攝像機標稱(chēng)尺寸日趨小型化，目前市場(chǎng)上的攝像機尺寸規格有1/2" 1/3" 1/4"，攝像機尺寸大,接受的光通量大,攝像機尺寸小,接受的光通量少,如紅外燈標稱(chēng)的有效距離是在1/2"攝像機條件下試驗的,如采用1/3"或者1/4"攝像機,有效距離也將受到一定影響。1/3"攝像機光通量只有1/2”攝像機光通量的44%。

　　4. 鏡頭的尺寸規格與攝像機的尺寸規格同理，不再贅述。

　　5. 攝像機和鏡頭的功能要求

　　攝像機有自動(dòng)電子快門(mén)功能，AGC自動(dòng)增益控制功能，鏡頭有自動(dòng)光圈，以適應晝夜照度很大的變化。

　　6. 電源供應

　　電視監控系統前端設備的電源供應要統一考慮設計。紅外燈的電源供應，考慮到紅外管的工作電流對供電電壓十分敏感，而電纜長(cháng)度不同對直流電壓衰減不同。在多個(gè)紅外燈距控制室的距離相差較大時(shí)，采用DC12V集中供電可能使距控制室近的紅外燈供電電壓高，距控制室遠的紅外燈供電電壓低。加之電源電壓調整上的偏差，可能造成電壓過(guò)高的紅外燈壽命縮短甚至燒壞，電壓低的紅外燈發(fā)射功率不足。因此建議盡可能采用AC220V供電或配一對一的直流穩壓電源，這種直流穩壓電源有的在電網(wǎng)電壓波動(dòng)在A(yíng)C100V-245V時(shí)輸出直流電壓都是穩定的，保證紅外燈紅外輻射功率都是穩定可靠的。

　　除配套性外，還要考慮到以下因素，選擇紅外燈時(shí)，在選擇紅外燈輻照距離時(shí)留有余地。

　　1.攝像機給出的最低照度。這里的最低照度概念是什么?攝像機產(chǎn)生的視頻信號標稱(chēng)值為1V，標準值為0.7V，而最低照度時(shí)的視頻信號值為1/3-1/2標準植。所以攝像機在最低照度時(shí)的圖像，決不會(huì )“如同白晝一樣”。

　　2.攝像機在最低照度時(shí)產(chǎn)生的圖像清晰度，是用電視信號測試卡進(jìn)行測式的，其黑白相間的條紋，要求黑色反射率近于0%，白色反射率大于89.9%。而我們在現場(chǎng)觀(guān)察時(shí)有時(shí)不具備這樣的條件，比如：樹(shù)葉和草地的反射率很低，反差很小，就不易獲得清晰圖像。

　　3.給出攝像機最低照度的同時(shí)，還要給出光圈F的要求值，而變焦鏡頭一般只給出1：F的最大值，即光圈F的最小值(光圈實(shí)際尺寸最大值)，F=f/D,那么D為定值，在f焦距拉大10倍時(shí)，F變得很大(即光圈實(shí)際尺寸變得很小)。光通量將受到很大影響。

　　4.在使用自動(dòng)光圈鏡頭、自動(dòng)增益控制或自動(dòng)電子快門(mén)攝像機時(shí)，鏡頭光圈F值也會(huì )發(fā)生變化。例如，在攝像機近處有景物，反射回強光給攝像機，或附近有燈光照射攝像機，這時(shí)攝像機的靈敏度將減小、自動(dòng)光圈的尺寸將被關(guān)小，光通量也將受到很大影響。

　　5.防護罩對紅外燈的效果也有影響，紅外光在傳輸過(guò)程中，通過(guò)不同介質(zhì)，透射率和反射率也不同。不同的視窗玻璃，，特別是自動(dòng)除霜鍍膜玻璃，對紅外光的衰減也不同。

　　6. 有的器材生產(chǎn)或銷(xiāo)售商，不給出紅外燈的輻照距離，只給出功率數，這樣對生產(chǎn)、銷(xiāo)售商來(lái)說(shuō)麻煩可能少一些，但是這是非常含糊的概念，因為功率消耗除轉化為紅外光能外，還有電源熱損耗、電路熱損耗、光源熱損耗、濾光玻璃片紅外光效率等等。相同功率的紅外燈，其輻照距離可能相差很遠。

　　隨著(zhù)紅外夜視系統的迅速發(fā)展，紅外燈生產(chǎn)供應廠(chǎng)家也會(huì )增加，但紅燈產(chǎn)品并非象有的人想象的那樣容易，在技術(shù)、檢測儀器設備等方面條件也不同，希望用戶(hù)多多加比較，慎重選擇。

　　用戶(hù)使用紅外燈首先要仔細閱讀使用說(shuō)明書(shū)，特別是為保證人身設備安全的注意事項。檢查前面所講述的配套性方面是否達到要求，應考慮到的影響因素是否考慮到，如未達到要求，可及時(shí)調整所用器材。

　　用戶(hù)不應擅自提高供電電壓，因為紅外燈在設計時(shí)，既考慮到其輻照度的充分發(fā)揮，又考慮到其安全可靠性。提高供電電壓，可能使紅外燈燒毀，更不應擅自拆改紅外燈。如果這樣做，生產(chǎn)廠(chǎng)家可能不再負責維修。如果紅外燈出現問(wèn)題，應與生產(chǎn)廠(chǎng)家或供貨商聯(lián)系.