主頁（http://www.130131.com）：超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)的研究

    紅外線是介于可見光紅端與微波之間的電磁輻射，其波長范圍從0.78μm至1000μm，為人眼不可見光線部分。自從1800年英國天文學(xué)家威?赫謝耳(W.Herschel)在研究太陽光譜的熱效應(yīng)時被發(fā)現(xiàn)以來，它在信息技術(shù)與通訊、保健與生命科學(xué)、國防與太空、科研與教育等領(lǐng)域中發(fā)揮出越來越重要的作用。

    根據(jù)紅外輻射在地球大氣層中傳輸特性的不同，一般可將紅外光分為：近紅外，波長范圍0.78-3μm；中紅外，波長范圍3-6μm；遠(yuǎn)紅外，波長范圍6-15μm；極遠(yuǎn)紅外，波長范圍15-1000μm。每一個波段的應(yīng)用都非常廣泛，而這里介紹的夜視監(jiān)控系統(tǒng)，主要是近紅外光譜波段。

    大家知道，夜視技術(shù)是借助于光電成像器件實(shí)現(xiàn)夜間觀察的一種光電技術(shù)。實(shí)際上夜視技術(shù)包括微光夜視和紅外夜視兩類：微光夜視技術(shù)是通過帶像增強(qiáng)管的夜視鏡，對夜里光線微弱的目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)，以提供用于觀察的光電成像技術(shù)，而微光夜視儀，是目前國外生產(chǎn)量和裝備量最大和用途最廣的夜視器材，它又可分為直接觀察（如夜視觀察儀、武器瞄準(zhǔn)具、夜間駕駛儀、夜視眼鏡）和間接觀察（如微光電視）兩種。紅外夜視技術(shù)則分為主動紅外夜視技術(shù)和被動紅外夜視技術(shù)：主動紅外夜視技術(shù)是通過主動照射并利用目標(biāo)反射紅外源的紅外光來實(shí)施觀察的夜視技術(shù)，其對應(yīng)裝備為主動紅外夜視儀；被動紅外夜視技術(shù)是借助于目標(biāo)自身發(fā)射的紅外輻射來實(shí)現(xiàn)觀察的紅外技術(shù)，它根據(jù)目標(biāo)與背景或目標(biāo)各部分之間的溫差或熱輻射差來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其對應(yīng)裝備為熱像儀。這種熱成像儀具有不同于其它夜視儀的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如可在霧、雨、雪的天氣下工作，能識別偽裝和抗干擾，作用距離遠(yuǎn)等。并且，熱像儀已成為國外夜視裝備的發(fā)展重點(diǎn)，它將在一定程度上取代微光夜視儀。

    主動紅外夜視技術(shù)的主動紅外照射光源，目前主要用半導(dǎo)體發(fā)光器件——發(fā)光二極管LED和激光二極管LD。常用的LED的成本低、可靠性高，光束一般比較寬(10度到20度)，但照射距離短，多用于短距離的夜視系統(tǒng)；而LD的亮度高、方向性強(qiáng)、光束窄(寬約為0.1度到0.2度)，照射距離遠(yuǎn)，但價格較貴，適用于長距離的夜視系統(tǒng)。這類遠(yuǎn)距離的夜視系統(tǒng)目前在國內(nèi)只有少數(shù)幾個單位在研發(fā)，且大多采用的都是國外的半導(dǎo)體激光二極管，而本文中，我們談的是國產(chǎn)器件的紅外激光夜視系統(tǒng)。本文談的主要是這種國產(chǎn)器件的紅外激光夜視系統(tǒng)的組成及其工作原理、超遠(yuǎn)距離紅外光傳輸應(yīng)注意的幾個技術(shù)問題及其解決措施、幾個主要部件的選擇、超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)的應(yīng)用等。

超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)的組成及其工作原理
    最基本的超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)，由大功率半導(dǎo)體激光器LD、驅(qū)動控制器、光學(xué)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭、攝像機(jī)及其長焦距鏡頭、傳輸系統(tǒng)及監(jiān)視器等組成。大功率半導(dǎo)體激光器LD，通過大電流驅(qū)動與控制，發(fā)射出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的目標(biāo)物體。但由于激光的光束細(xì)、亮度高，因此必須要根據(jù)所監(jiān)視的遠(yuǎn)距離目標(biāo)的距離和范圍，通過光學(xué)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭將紅外光束擴(kuò)束照亮到所監(jiān)視范圍的目標(biāo)場景。紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入攝像機(jī)的長焦距鏡頭到光敏面上成像。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，即此時由超低照度攝像機(jī)可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像。這種影像，再通過傳輸系統(tǒng)送到監(jiān)控中心去記錄與顯示。

紅外光傳輸應(yīng)注意的幾個技術(shù)問題及解決措施
    由于是1km以上的超遠(yuǎn)距離紅外光波傳輸，就有幾個應(yīng)注意的技術(shù)問題。

在空氣中傳輸?shù)馁|(zhì)量受天氣的影響較大
    在任何大氣傳輸鏈路中，都有幾個需要考慮的因素（即引起傳輸信號衰減的原因）。

大氣中分子的吸收
    LED和LD發(fā)光的大氣傳輸系統(tǒng)的信號損失，主要是由其傳輸介質(zhì)——大氣的吸收引起的。因?yàn)楣馐鴱臍怏w中穿過時，總會發(fā)生一定程度的分子吸收。而且，空氣對某些波長的光吸收得特別厲害，這些波長根本無法用于信號傳輸。由大氣吸收引起的衰減尚可接受的波段稱為大氣透射窗（atmospheric windows）。這種大氣透射窗波段的數(shù)據(jù)在各類文獻(xiàn)中都可以查到，因此所有的LED和LD的系統(tǒng)都必須在這個大氣透射窗內(nèi)的波長上工作。

空氣中的微粒吸收
    空氣中的微粒，如灰塵和煙霧，是另外一個引起光信號吸收的因素。顯然大氣中總是或多或少地含有一些這樣的微粒，尤其在水體附近，這類顆粒的含量有時非常高。在這些地方，一般總是盡量將光設(shè)備安裝得離地面高一些，以改善光傳輸?shù)男Ч��?/P>

霧氣的吸收與散射
    霧氣也是引起嚴(yán)重紅外吸收的因素，并且霧氣還會使光發(fā)生前、后向散射。因此，在多霧的區(qū)域，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂騺磉x擇光收發(fā)設(shè)備的工作時段，因?yàn)槠痨F的時候系統(tǒng)將無法正常工作。

大氣紊亂性的影響
    大氣具有一定程度的紊亂性，它除了會造成信號損耗外，還會給信號摻入噪聲。如風(fēng)會引起大氣亂流，而大氣亂流又會導(dǎo)致信號路徑上空氣的折射率發(fā)生變化。這種現(xiàn)象與陽光曝曬下的地區(qū)產(chǎn)生熱浪、引起海市蜃樓的現(xiàn)象類似。這種影響最終是將紅外光束折射到無法確定的其它方向，從而使攝像機(jī)拍不到所需監(jiān)控的目標(biāo)。

    由此可知，由于紅外光波傳輸技術(shù)是在空氣介質(zhì)中傳輸，因此其傳輸質(zhì)量受天氣的影響較大。一般，晴天對傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧天對傳輸質(zhì)量的影響較大。經(jīng)測試，紅外光波傳輸受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值為：晴天5~15dB/Km；雨天20~50dB/Km；雪天50~150dB/Km；霧天50~300dB/Km。目前解決這個問題，一般采用更高功率的LD管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束。

    實(shí)際上，對超遠(yuǎn)距離紅外激光夜視系統(tǒng)來說，主要受上述空氣中的微粒、霧氣等吸收和散射的影響，同步脈沖距離選通技術(shù)能較好地解決這一問題。

同步脈沖距離選通技術(shù)
    距離選通(Range-Gate)技術(shù)，實(shí)際上主要有二個關(guān)鍵：一是要有脈沖激光束照射技術(shù)，即所發(fā)射的激光是可控制的脈沖式的；二是要有能高速開通和關(guān)閉的強(qiáng)化CCD，且其開關(guān)速度達(dá)幾百ns，而且還要與激光束脈沖保持嚴(yán)格同步。這樣，就可使觀察人員選定特定的觀察距離，從而可輕易地消除其他距離內(nèi)水珠、霧、雪、沙塵等產(chǎn)生的強(qiáng)散射光與反射光的干擾。因?yàn)镃CD大部分時間是關(guān)閉的，不接收這些干擾光，所以就不會在CCD上顯像。
(中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)