Печать

ИК - подсветка при теленаблюдении

Николай Иосифович Чура (СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА №1 2000 г. )

Теленаблюдение в интересах обеспечения безопасности и охраны предполагает необходимость получения удовлетворительного изображения объекта при любых условиях освещенности. Это относится как к закрытым помещениям с выключенным, либо дежурным освещением, так и объектам на открытом воздухе вне зависимости от расположения зоны наблюдения, времени суток и погодных условий. При использовании стандартной телевизионной техники неизбежным в этом случае является использование искусственного освещения. Но даже для специальных и относительно дорогих высокочувствительных систем ночного видения, позволяющих осуществлять наблюдение при освещенности порядка 0,001 лк, уже незначительная подсветка может существенно увеличить контраст и разрешение изображения.

Практически все современные телекамеры выполнены на основе светочувствительных ПЗС матриц. Характеристика спектральной чувствительности матрицы оптимизирована по кривой видности глаза, представленной на рис.1,

что позволяет достаточно корректно воспроизводить относительную яркость цветных фрагментов изображения в черно-белом варианте.

На рис.2 показано семейство типовых характеристик спектральной чувствительности некоторых ПЗС-матриц фирмы SONY .

Во многих случаях оптимально использование обычного искусственного освещения видимого диапазона. Это предпочтительно хотя бы потому, что позволяет телекамере работать в максимуме ее чувствительности (555 нм). Но имеется ряд задач скрытого видеонаблюдения и естественно в этом случае использование освещения невидимого для глаза. Причем зачастую это не связано с проведением каких либо специальных операций. Просто скрытая подсветка не привлекает внимание к скрытой же телекамере, что позволит и тому, и другому успешнее противостоять или скорее не попасться на глаза современным “интеллектуальным вандалам”.

Необходимо выделить два случая применения инфракрасной (ИК) подсветки.

В одном из них требуется, как максимум, невидимость рассеянного или диффузно отраженного светового потока, но допустимо демаскирующее свечение самих источников излучения. При этом возможно применения излучателей с длинной волны 920, 880 и даже 850 нм.

В другом случае требуется безусловная невидимость самого излучателя, даже при прямом визуальном наблюдении его с близкого расстояния. Для этого применяются излучатели с длинной волны 940-950 нм

Практически все светодиоды излучающие в области 870-880 нм имеют достаточно интенсивную видимую составляющую светло-красного цвета, особенно при максимальных токах. Для светодиодов с рабочей областью 930-950 нм это тоже характерно, но в существенно меньшей степени и со сдвигом ( судя по цвету свечения) в область 700 нм. Стандартные спектральные характеристики используемых светодиодов не дают объяснения этого феномена. Специальные измерения излучателей на 870-880 нм проведенные на более чувствительной аппаратуре однозначно зафиксировали дополнительный максимум в области 600 нм, составляющий порядка 0,0074 от максимума интенсивности основного излучения. По всей видимости механизм для излучателей на 930-950 нм аналогичен, а существенно меньшая видимость этого излучения объясняется близостью границы чувствительности глаза.

Все инфракрасные источники света для видеонаблюдения можно разделить на две группы, различающиеся назначением, а следовательно характеристиками и конструктивным исполнением. К давно известным и широко распространенным источникам можно отнести различные ИК- прожекторы, фары и фонари, предназначенные для освещения объектов наблюдения, как на улице, так и внутри помещения. Скрытность подсветки обеспечивается только в условиях темноты, да и то, для ряда излучателей только на достаточно большой дальности, вследствие существенного свечения в красной области спектра. Кроме того их внешний вид однозначно ассоциируется с осветительным прибором. Как вариант полностью скрытой подсветки с использованием осветителей с существенным свечением излучателей можно предложить создания рассеянного светового потока от потолка или специальных экранов с диффузным отражением. Для этих случаев максимально эффективны широкоугольные осветители с углами излучения до 80-900. Осветители располагаются за карнизами, балками и другими элементами, скрывающими их от глаз наблюдателя.

Наиболее известными из подобных приборов являются осветители с лампами накаливания. Эффективность их достаточно высока вследствие спектрального максимума в области 1,0 мкм для излучателя из вольфрама с температурой 2800-30000С.

На рис.3 приведен типовой график спектральной плотности вольфрамовой лампы накаливания. В основном в них используются лампы с галогенным циклом, имеющие отдельный или встроенный отражатель. Прожекторы имеют, как правило, влагозащищенный корпус с ребрами охлаждения и простейшими кронштейнами для крепления и наведения по углу места. Они выпускаются с напряжением питания 220, 110, 24 или 12 В. Для выделения ИК- области и подавления видимой части спектра излучения используются дисперсионные фильтры на основе ИК стекол.

На рис. 4 приведены спектральные характеристики стекол ряда ИКС. В редких случаях для решения спецзадач возможно применение интерференционных фильтров, но высокая стоимость, ограниченная стойкость и малая эффективность в расходящихся пучках тепловых некогерентных источников существенно ограничивает их применение. ИК- фильтр, формирующая оптика и защитное стекло, часто представляющие единое целое. В качестве примера в таблице 1 представлены технические характеристики прожекторов серии IR “VIDEOSYS INTERNATIONAL“ и HS-1000 “Hi-Harp”

Таблица 1

Модель

IR-VE-75

IR-TK-300

HS-1000A

HS-1000B

HS-1000C

Длина волны, нм

830

840-1200

Угол излучения, угл.град

6-12; 18-25; 30-40

65±15

25±5

65±15

Дальность, м

до 100

30

50

100

Мощность, Вт

75

300

50

50

120

Ресурс, час

-

-

2000

 

С появлением мощных и эффективных светодиодов все большее применение находят полупроводниковые ИК осветители. К основным их преимуществам в сравнении с лампами накаливания можно отнести большую спектральную яркость на рабочей длине волны, существенно больший ресурс, достигающий 100 тыс. часов и меньшую стоимость (с учетом эксплуатационных расходов). По нашему мнению, большая в сравнении с полупроводниковыми осветителями, дальность действия осветителей на лампах накаливания является их единственным достоинством. Тем более, что целесообразность использования направленного осветителя с большой дальностью (более 30-40 м) представляется весьма сомнительной. Ухудшение прозрачности приземного слоя атмосферы в случае дождя, снегопада, тумана, смога или просто повышенной запыленности может привести к полной невозможности видеонаблюдения в результате обратного рассеяния светового потока. В этой связи на стационарных объектах всегда более эффективно использование распределенной системы достаточно широкоугольных осветителей. Использование направленных осветителей с большой дальностью неизбежно лишь для мобильных систем видеонаблюдения, над водной поверхностью и для наблюдения за воздушными объектами.

Основной технической проблемой для полупроводниковых ИК осветителей является обеспечение эффективного отвода тепла от площадки светодиода. От этого зависит допустимый ток до наступления тепловой деградации, а следовательно и световой поток единичного излучателя и в конечном итоге необходимое суммарное количество светодиодов, размеры и себестоимость всего прожектора.. Анализируя по этому критерию токовый и температурный режимы, а также конструкции светодиодных прожекторов зарубежного производства можно однозначно сделать вывод, что по световому потоку они существенно уступают отечественным разработкам.

Для примера в таблицах 2,3 и 4 представлены характеристики некоторых ИК- прожекторов зарубежного и отечественного производства. Для российских изделий углы излучения определены по уровню 0,5 от максимальной плотности мощности. Дальность подсветки оценивается как порог распознавания белого поля на черном для телекамеры с чувствительностью 0,1лк на объекте.

Таблица 2

Модель

HS-1000LED

ИКП-90

ИКП-48-18/30

ИКП-98-25/30

Длина волны, нм

840

880±20

940

940

Угол излучения, угл.град

70

40

30

30

Дальность, м

15

15

18

25

Напряжение питания, В

~110/220

=12±0,5

=12±10%

=12±10%

Мощность, Вт

12

10

6

12

Диапазон температур, С0

-20/60

-30/40

-30/40

-30/40

Габариты, мм

103х130х159

112х86х42

110х75х35

110х100х50

 

Таблица 3

Модель

Луна -8

Луна-10

Луна-50

Длина волны, нм

870±20

Угол излучения, угл.град

20

40

80

20

40

80

20

40

80

Дальность, м

8-11

6-8

4-6

10-15

7-10

5-8

30

15

7

Напряжение питания, В

=11-14

=22-27

Мощность, Вт

8

10

50

Диапазон температур, С0

-30/40

Габариты, мм

90х80х13

100х70х40

210х140х40

Прожекторы серии “Луна” представляют интерес наличием встроенного стабилизатора тока, который обеспечивает малую зависимость светового потока от напряжения питания, длины линии (сопротивления приводов) и количества действующих излучателей, в случае их частичного выхода из строя.

Таблица 4

Модель

ИКП-20

ИКП-40

ИКП-100

Длина волны, нм

850-960

Угол излучения, угл.град

40

90

40

60

10

20

25

35

Дальность, м

7-9

5-8

15-20

120

50-60

35-40

15-20

Напряжение питания, В

11,7-16

Мощность, Вт

10

20

20

Диапазон температур, С0

-

-

-

Габариты, мм

50х80х25

115х75х55

122х100х55

Модели ИКП-40 и ИКП-100 снабжены стабилизатором тока а следовательно имеют фиксированный световой поток в диапазоне рабочих напряжений и температур. Диапазон длин волн 850-960 нм для изделий указанных в таблице 4 означает, что производитель использует в конкретных образцах светодиоды на одну из длин волн этого диапазона.

При использовании полупроводниковых ИК- осветителей необходимо учитывать действительное значение длины волны, т.е. влияние изменения чувствительности телекамеры и результирующую дальность подсветки.

На рис. 5 представлены спектральные характеристики типовой ПЗС- матрицы и ИК- диодов.

Отечественный производитель, как правило, дает диапазон предельных дальностей. С одной стороны, это обусловлено неопределенностью методики нормирования, с другой стороны, существенной зависимостью полученной освещенности от отражательных характеристик объекта наблюдения и окружающего ландшафта на рабочей длине волны. В любом случае подсветка ИК излучением имеет некоторые особенности. Это заметная размытость изображения за счет изменения фокусного расстояния в ИК диапазоне, при использовании типовых объективов и снижение контрастности в результате нивелирования коэффициентов отражения и поглощения различных материалов при монохромным узкополосном освещении. В простейших случаях, для устранения эффекта расфокусировки при ИК- подсветке можно ограничить спектральный диапазон телекамеры ИК областью установив перед объективом ИК- фильтр. Однако для сохранения требуемых характеристик в дневное время у камеры должен быть практически десятикратный запас по чувствительности. Естественно, более эффективно использовать специальную широкополосную оптику.

Кроме прожекторов, собранных на дискретных элементах, получили распространение малогабаритные излучатели, на основе 6-ти элементных светодиодных матриц, с питающим напряжением 12 В. Светодиоды матрицы разварены на едином металлическом основании, включены последовательно и снабжены встроенным балластным резистором. Выпускается целый ряд излучателей в различном конструктивном исполнении и с углами излучения 1600,1200,400 и 200. Снабженные радиатором, излучатели используются в качестве миниатюрных прожекторов, либо встраиваются в конструктивные элементы зданий или оборудования для скрытой подсветки. Технические характеристики излучателей сведены в таблицу 5, внешний вид изделий представлен на фото 1.

Таблица 5

Модель

ИК6/20

ИК6/40

ИК6/120

ИК6/160

Длина волны, нм

880 или 920

Угол излучения, угл.град

20

40

120

160

Дальность, м

6-8

4-6

2-3

1-2

Напряжение питания, В

12±0,6

Мощность, Вт

2,5

Габариты, мм

15х25х12 для ИК6R; М10х20 для ИК6аR

 

В последние годы в нашей стране все более широкое применение находят специализированные устройства ИК-подсветки с камуфлированным внешним видом ( патент РФ №2134906). Основной причиной этого является, на наш взгляд, борьба с отечественным вандализмом и уже в последующую очередь требования самой скрытности наблюдения. В практике развитых стран подобные устройства не нашли широкого распространения. По всей видимости, сказывается общая законопослушность граждан, а возможно и недостатки технического образования. Иначе, чем иным можно объяснить наименование “скрытая ИК- подсветка”, для отчетливо светящихся ИК- светодиодов за прозрачным пластиковым окном видеодомофона. Одним из вариантов “вандалозащищенного” осветительного устройства скрытой подсветки для телевизионной камеры является плоская панель в которой излучатели скрыты за непрозрачным в видимой области инфракрасным светофильтром. На этой панели наносится надпись, пиктограмма или номер квартиры или офиса. Элементы надписи, пиктограммы, номера или знака. располагаются таким образом, чтобы не перекрывать излучение. Панель с ИК- фильтром имеет черный цвет, что несколько ограничивает ее применение. На светлых и белых поверхностях может использоваться пластина с молочным светофильтром, но в этом случае потери излучения могут достигать 30-50%. Другим вариантом камуфлированного осветительного устройства является исполнение в виде болта и резьбовой шпильки в торцах которых установлены излучатели.

 

На фото 2 представлены ИК осветители в виде номера квартиры, болта и шпильки.

На фото 3 их телевизионное изображение во включенном состоянии.

Технические характеристики камуфлированных излучателей сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Модель

ИК-Болт

ИК-Шпил.

ИКПл.880

ИКПл.940

ИКПл.950

Длина волны, нм

920/950

880

940

950

Угол излучения, угл.град

160

160

160

170

160

Дальность, м

1-2

2-4

1,5 -3

Напряжение питания, В

12±0,6

Мощность, Вт

2,5

5

Габариты, мм

М10х20

95х80х6

106х72х6

95х80х6

 

В заключение можно констатировать, что ИК- подсветка является важным фактором повышения эффективности скрытого видеонаблюдения при малой освещенности, а также как средство борьбы с задней засветкой. В качестве источников излучения все более широкое применение находят полупроводниковые светодиодные осветители. Особенно для скрытой подсветки в ближней зоне, доступной для обследования объекту наблюдения. В этом случае применимы только специализированные источники в камуфлированном исполнении работающие на длине волны не более 940-950 нм.