超远距离红外激光夜视系统的研究

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    红外线是介于可见光红端与微波之间的电磁辐射，其波长范围从0.78μm至1000μm，为人眼不可见光线部分。自从1800年英国天文学家威?赫谢耳(W.Herschel)在研究太阳光谱的热效应时被发现以来，它在信息技术与通讯、保健与生命科学、国防与太空、科研与教育等领域中发挥出越来越重要的作用。

    根据红外辐射在地球大气层中传输特性的不同，一般可将红外光分为：近红外，波长范围0.78-3μm；中红外，波长范围3-6μm；远红外，波长范围6-15μm；极远红外，波长范围15-1000μm。每一个波段的应用都非常广泛，而这里介绍的夜视监控系统，主要是近红外光谱波段。

    大家知道，夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术。实际上夜视技术包括微光夜视和红外夜视两类：微光夜视技术是通过带像增强管的夜视镜，对夜里光线微弱的目标进行增强，以提供用于观察的光电成像技术，而微光夜视仪，是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材，它又可分为直接观察（如夜视观察仪、武器瞄准具、夜间驾驶仪、夜视眼镜）和间接观察（如微光电视）两种。红外夜视技术则分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术：主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，其对应装备为主动红外夜视仪；被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标，其对应装备为热像仪。这种热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点，如可在雾、雨、雪的天气下工作，能识别伪装和抗干扰，作用距离远等。并且，热像仪已成为国外夜视装备的发展重点，它将在一定程度上取代微光夜视仪。

    主动红外夜视技术的主动红外照射光源，目前主要用半导体发光器件——发光二极管LED和激光二极管LD。常用的LED的成本低、可靠性高，光束一般比较宽(10度到20度)，但照射距离短，多用于短距离的夜视系统；而LD的亮度高、方向性强、光束窄(宽约为0.1度到0.2度)，照射距离远，但价格较贵，适用于长距离的夜视系统。这类远距离的夜视系统目前在国内只有少数几个单位在研发，且大多采用的都是国外的半导体激光二极管，而本文中，我们谈的是国产器件的红外激光夜视系统。本文谈的主要是这种国产器件的红外激光夜视系统的组成及其工作原理、超远距离红外光传输应注意的几个技术问题及其解决措施、几个主要部件的选择、超远距离红外激光夜视系统的应用等。

超远距离红外激光夜视系统的组成及其工作原理
    最基本的超远距离红外激光夜视系统，由大功率半导体激光器LD、驱动控制器、光学扩束准直镜头、摄像机及其长焦距镜头、传输系统及监视器等组成。大功率半导体激光器LD，通过大电流驱动与控制，发射出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的目标物体。但由于激光的光束细、亮度高，因此必须要根据所监视的远距离目标的距离和范围，通过光学扩束准直镜头将红外光束扩束照亮到所监视范围的目标场景。红外线经物体反射后进入摄像机的长焦距镜头到光敏面上成像。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时由超低照度摄像机可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。这种影像，再通过传输系统送到监控中心去记录与显示。

红外光传输应注意的几个技术问题及解决措施
    由于是1km以上的超远距离红外光波传输，就有几个应注意的技术问题。

在空气中传输的质量受天气的影响较大
    在任何大气传输链路中，都有几个需要考虑的因素（即引起传输信号衰减的原因）。

大气中分子的吸收
    LED和LD发光的大气传输系统的信号损失，主要是由其传输介质——大气的吸收引起的。因为光束从气体中穿过时，总会发生一定程度的分子吸收。而且，空气对某些波长的光吸收得特别厉害，这些波长根本无法用于信号传输。由大气吸收引起的衰减尚可接受的波段称为大气透射窗（atmospheric windows）。这种大气透射窗波段的数据在各类文献中都可以查到，因此所有的LED和LD的系统都必须在这个大气透射窗内的波长上工作。

空气中的微粒吸收
    空气中的微粒，如灰尘和烟雾，是另外一个引起光信号吸收的因素。显然大气中总是或多或少地含有一些这样的微粒，尤其在水体附近，这类颗粒的含量有时非常高。在这些地方，一般总是尽量将光设备安装得离地面高一些，以改善光传输的效果。

雾气的吸收与散射
    雾气也是引起严重红外吸收的因素，并且雾气还会使光发生前、后向散射。因此，在多雾的区域，必须根据当地的气候来选择光收发设备的工作时段，因为起雾的时候系统将无法正常工作。

大气紊乱性的影响
    大气具有一定程度的紊乱性，它除了会造成信号损耗外，还会给信号掺入噪声。如风会引起大气乱流，而大气乱流又会导致信号路径上空气的折射率发生变化。这种现象与阳光曝晒下的地区产生热浪、引起海市蜃楼的现象类似。这种影响最终是将红外光束折射到无法确定的其它方向，从而使摄像机拍不到所需监控的目标。

    由此可知，由于红外光波传输技术是在空气介质中传输，因此其传输质量受天气的影响较大。一般，晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾天对传输质量的影响较大。经测试，红外光波传输受天气影响的衰减经验值为：晴天5~15dB/Km；雨天20~50dB/Km；雪天50~150dB/Km；雾天50~300dB/Km。目前解决这个问题，一般采用更高功率的LD管、更先进的光学器件和多光束。

    实际上，对超远距离红外激光夜视系统来说，主要受上述空气中的微粒、雾气等吸收和散射的影响，同步脉冲距离选通技术能较好地解决这一问题。

同步脉冲距离选通技术
    距离选通(Range-Gate)技术，实际上主要有二个关键：一是要有脉冲激光束照射技术，即所发射的激光是可控制的脉冲式的；二是要有能高速开通和关闭的强化CCD，且其开关速度达几百ns，而且还要与激光束脉冲保持严格同步。这样，就可使观察人员选定特定的观察距离，从而可轻易地消除其他距离内水珠、雾、雪、沙尘等产生的强散射光与反射光的干扰。因为CCD大部分时间是关闭的，不接收这些干扰光，所以就不会在CCD上显像。
(中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮)