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从铁路专用激光夜视仪看激光照明的发展方向

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-02-27  浏览次数:1156
核心提示:本文着重以激光夜视仪在铁路监控中的应用为切入点,以激光照明的光斑均匀性的对比为重点,来探讨激光照明的发展方向。<br>

  激光技术对国民经济及社会发展有着重要作用,近年来,以激光器为基础的激光技术在我国迅速发展,现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、科学研究等各个领域,取得了很好的经济效益和社会效益。

  在安防监控领域,激光照明器正越来越广泛应用于激光夜视仪等新型设备。激光照明器采用光斑均匀强化技术、光斑自动聚焦技术,具有光度强、画面更加均匀、照射距离远、耗电低、使用寿命更长等优点。本文着重以激光夜视仪在铁路监控中的应用为切入点,以激光照明的光斑均匀性的对比为重点,来探讨激光照明的发展方向。

  一、铁路安全对激光夜视技术的需求

  随着中国高速铁路的快速发展,轨道交通安全已经成为人们关注的焦点。列车夜间行驶频繁,由于夜间能见度低、视线较差,这对铁轨沿线、交通枢纽监控画面的清晰度提出了更高的要求。

  当前,铁路安防已开始批量安装实时监控摄像头,但绝大多数只能昼间摄像,难以实现夜间安全防范目的。为更有效地防范列车运行中治安、意外事故以及恐怖事件的发生,必须采用先进的夜视技术手段,建立轨道列车运行安全监控系统。

  常规的红外LED夜视摄像头有效观察范围不足100米,要想实现铁路沿线无缝覆盖,整个系统安装数量非常庞大,布线非常复杂,工程量也是巨大的,而且对于后期维护也增加了难度。铁路通常要求监控范围300米—1500米,只有运用合适的夜间监控技术,才能保证夜间监控视频的效果,同时降低工程施工量和长期投入。

  二、激光夜视仪在铁路监控中的应用

  2016年,中国铁路总公司发布了《中国铁路总公司关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》(铁总建设[2016]18号),要求在区间隧道口、公跨铁立交桥、桥梁救援疏散通道、沿线设备机房内外、调度局界口和车站咽喉区等重点区域采用高清摄像机进行昼夜监视。同时对摄像机、夜间的监视距离、与周界入侵的联动等都提出了具体要求。通知对视频监控的建设提出了夜间全线覆盖的高要求,促使线路视频监控上了一个新的台阶。

  在铁总2016第18号文件前,北京和普威视科技股份有限公司激光摄像机已应用于火车车载激光摄像机、太原机车车务段、青荣城际铁路、长株潭城际铁路、大张铁路、大秦二期、太原局北同蒲线、太原铁路货场监控、迁曹铁路监控、宜万线二期等项目。在铁总颁布2016第18号文件后,和普的激光摄像机又在渝万线全线、沪昆贵州西段、昆玉高铁、九景衢等国家重要战略高速铁路沿线得到应用。

  三、激光超匀化技术研究

  为什么和普的设备在铁路监控领域能取得如此成就?又是什么让和普铁路专用激光夜视仪有如此优异的效果?这就要从和普的激光超匀化技术说起。

  目前我们用的激光器都是半导体激光器,讲到半导体激光器就不得不提高斯光束,什么是高斯光束?如图1所示。

图1

  通常情形,激光谐振腔发出的基模辐射场,其横截面的振幅分布遵守高斯函数,故称高斯光束。高斯光束的传输特性是在远处沿传播方向成特定角度扩散,该角度即是光束的远场发散角,也就是一对渐近线的夹角,它与波长成正比,与其束腰半径成反比,束腰半径越小,光斑发散越快;束腰半径越大,光斑发散越慢(如图2所示)。

  图2

  从高斯函数,我们可以看出用高斯光束来照明时会有很大的缺陷那就是光斑照明不均匀,中间能量高两边能量低,实际应用效果如图3、图4所示。

  图3

图4

  上图是现行的大多数激光照明厂家的实际效果,也就是平时经常看到的激光照明效果。但如果看一看它与具有超级激光匀化技术的光斑对比图,也许你会有新的感悟(如图5所示)。

图5 两家不同激光照明器的光斑比较

  图5为激光光束照在一面均匀的墙面的对比图,由图可以发现,两款设备的激光效果完全不同,左侧的激光照明器发射的是高斯光束,它的能量集中在中心,越到边缘能量越弱,因此呈现出光斑由中心向外越来越弱的效果。而右侧光斑出自和普威视公司的高清激光摄像机,采用超匀化红外激光作照明源,GHT-II超匀化高清照明技术,使百万高清摄像机发挥其最佳的效果,对比传统的激光照明器具有无可比拟的优势。由此可见,解决激光高斯分布才是激光照明未来的发展方向。

  话题回到图4,同样的场景,把光斑放大,效果或许会较之前好一些(如图6所示)。

  图6

  或许有人认为,激光功率小,才能做成全屏,而全屏才是使激光照明效果变好的方法。实则不然,光斑放大并不是解决光斑不均的根本办法,图7为北京和普在与图6的相似场景下的激光效果。

  

图7

  设备实际运行中光斑为何不能全屏?首先,高清摄像机靶面是16:9,以和普的激光照明为例,假设照明光斑非常均匀,那么光斑上下内切激光利用率为100%,光斑左右内切激光利用率67.6%(如图8所示),如果激光光斑充满全屏激光利用率仅为54.42%(如图9所示)。

  图8

  假设矩形的长是16宽则为9,那么圆的半径为8,所以Ɵ=arccos(4.5/8)=55.77º。

  下图中的单个黑影面积=扇形面积-两个三角形面积,扇形面积=半径的平方*弧度/2,所以:

  S1=8*8*2*Ɵ*pi/360-4.5*8*sinƟ=32.53。

  激光利用率=(左右内切园的面积-2*S1)/左右内切园的面积

  =(64*pi-2*32.53)/ 64*pi=67.63%。

  光斑全屏激光利用率为:矩形面积/圆的面积=9*16/(pi*9.18*9.18)=54.42%(如图9 所示)。

图9

  四、激光照明技术解析

  夜间足够清晰的图像离不开均匀的激光照明,GHT-II高清镜片组超匀化专利技术,光斑亮度均衡度≥90%,采用多发光源、多光束光纤模式混合技术,通过优化微形柱面镜的面形、焦距及光纤数值孔径、通光口径、折射率等参数,使得其整形后的光斑像散最小,非均匀性大大降低,达到了夜视成像照明要求。

  真正意义的激光要符合三个主要特性:一是单色性高,即窄光谱;二是相干性高;三是亮度高,即准直性高。真正的激光来说,由于准直性高,是非常危险的,因为几乎是平行光,发射角度只有几个毫弧度。而我们所用到的激光本身就是发散角比较大的半导体激光,而且都经过了匀光、扩散处理,发散角度和发光点是非常大的,一般都在几十度,从准直性来讲已完全不是传统意义上的激光。从安全角度出发,为了不影响行车安全,和普威视从激光本身的安全性出发,重点将激光光束完全匀化扩散,其通常装在野外或制高点。

  说到安全性,首先要知道没有绝对安全的光,无论是激光还是其它的光。2001年的GB7247激光安全标准(与国际标准IEC60825等同)中已明确规定:本标准所用的词汇“激光”无论何时都包括LED。这是标准中的原话,也就是说,不仅是激光,LED也必须作为激光一员,同样要考虑安全的问题,如果只考虑激光而忽略LED的安全,这其实不公平,对行业发展也不好。激光并不是人们想象的那样危险,LED也不是人们想象的那样安全,关键还是发光后处理和安全操作指导。

  五、结语

  灯诞生的初衷就是为人们驱散黑暗,照明技术一直向着更稳定、更光亮、更易控制的方向发展着。近年来,崭新的激光照明被业内各大企业寄予厚望,更有要替代LED照明的气势。由于激光光源与普通光源发亮的原理不同,激光发亮只是单色光源,光只有一种波长而不是普通光源那样制造涵盖所有波长的彩色光波。这样的特性使激光照明照度更强,光型也能够精确、迅速并且安全地控制。

  北京和普威视科技股份有限公司自主研发的超级激光匀化技术,匀化效果良好且透光率高,使百万高清摄像机发挥其最佳的效果,在激光夜视监控领域发挥了及其重要的作用。

 
 
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