主頁（http://www.by236.com）：超遠距離紅外激光夜視系統的研究

    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年英國天文學家威?赫謝耳(W.Herschel)在研究太陽光譜的熱效應時被發現以來，它在信息技術與通訊、保健與生命科學、國防與太空、科研與教育等領域中發揮出越來越重要的作用。

    根據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；遠紅外，波長范圍6-15μm；極遠紅外，波長范圍15-1000μm。每一個波段的應用都非常廣泛，而這里介紹的夜視監控系統，主要是近紅外光譜波段。

    大家知道，夜視技術是借助于光電成像器件實現夜間觀察的一種光電技術。實際上夜視技術包括微光夜視和紅外夜視兩類：微光夜視技術是通過帶像增強管的夜視鏡，對夜里光線微弱的目標進行增強，以提供用于觀察的光電成像技術，而微光夜視儀，是目前國外生產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。紅外夜視技術則分為主動紅外夜視技術和被動紅外夜視技術：主動紅外夜視技術是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術，其對應裝備為主動紅外夜視儀；被動紅外夜視技術是借助于目標自身發射的紅外輻射來實現觀察的紅外技術，它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發現目標，其對應裝備為熱像儀。這種熱成像儀具有不同于其它夜視儀的獨特優點，如可在霧、雨、雪的天氣下工作，能識別偽裝和抗干擾，作用距離遠等。并且，熱像儀已成為國外夜視裝備的發展重點，它將在一定程度上取代微光夜視儀。

    主動紅外夜視技術的主動紅外照射光源，目前主要用半導體發光器件——發光二極管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；而LD的亮度高、方向性強、光束窄(寬約為0.1度到0.2度)，照射距離遠，但價格較貴，適用于長距離的夜視系統。這類遠距離的夜視系統目前在國內只有少數幾個單位在研發，且大多采用的都是國外的半導體激光二極管，而本文中，我們談的是國產器件的紅外激光夜視系統。本文談的主要是這種國產器件的紅外激光夜視系統的組成及其工作原理、超遠距離紅外光傳輸應注意的幾個技術問題及其解決措施、幾個主要部件的選擇、超遠距離紅外激光夜視系統的應用等。

超遠距離紅外激光夜視系統的組成及其工作原理
    最基本的超遠距離紅外激光夜視系統，由大功率半導體激光器LD、驅動控制器、光學擴束準直鏡頭、攝像機及其長焦距鏡頭、傳輸系統及監視器等組成。大功率半導體激光器LD，通過大電流驅動與控制，發射出人們肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的目標物體。但由于激光的光束細、亮度高，因此必須要根據所監視的遠距離目標的距離和范圍，通過光學擴束準直鏡頭將紅外光束擴束照亮到所監視范圍的目標場景。紅外線經物體反射后進入攝像機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可拍攝到黑暗環境下肉眼看不到的影像。這種影像，再通過傳輸系統送到監控中心去記錄與顯示。

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

在空氣中傳輸的質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發光的大氣傳輸系統的信號損失，主要是由其傳輸介質——大氣的吸收引起的。因為光束從氣體中穿過時，總會發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據在各類文獻中都可以查到，因此所有的LED和LD的系統都必須在這個大氣透射窗內的波長上工作。

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備安裝得離地面高一些，以改善光傳輸的效果。

霧氣的吸收與散射
    霧氣也是引起嚴重紅外吸收的因素，并且霧氣還會使光發生前、后向散射。因此，在多霧的區域，必須根據當地的氣候來選擇光收發設備的工作時段，因為起霧的時候系統將無法正常工作。

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。如風會引起大氣亂流，而大氣亂流又會導致信號路徑上空氣的折射率發生變化。這種現象與陽光曝曬下的地區產生熱浪、引起海市蜃樓的現象類似。這種影響最終是將紅外光束折射到無法確定的其它方向，從而使攝像機拍不到所需監控的目標。

    由此可知，由于紅外光波傳輸技術是在空氣介質中傳輸，因此其傳輸質量受天氣的影響較大。一般，晴天對傳輸質量的影響最小，而雨、雪和霧天對傳輸質量的影響較大。經測試，紅外光波傳輸受天氣影響的衰減經驗值為：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、更先進的光學器件和多光束。

    實際上，對超遠距離紅外激光夜視系統來說，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能較好地解決這一問題。

同步脈沖距離選通技術
    距離選通(Range-Gate)技術，實際上主要有二個關鍵：一是要有脈沖激光束照射技術，即所發射的激光是可控制的脈沖式的；二是要有能高速開通和關閉的強化CCD，且其開關速度達幾百ns，而且還要與激光束脈沖保持嚴格同步。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水珠、霧、雪、沙塵等產生的強散射光與反射光的干擾。因為CCD大部分時間是關閉的，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 | 責任編輯：陳曉亮)