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淺析紅外熱成像儀在安防中的應用

視頻監控系統通常包括球機、槍機等攝像頭,電視墻、專業鍵盤等用戶端設備,以及各種矩陣、DVR、NVR等系統設備??梢姽庖曨l監控系統通常采用光纖、同軸電纜或微波在其閉合的環路內傳輸視頻信號,并從攝像到圖像顯示和記錄構成獨立完整的系統,能夠實時、形象、真實地反映被監控對象,同時對非法入侵等危險動作進行實時報警。

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公安部第三研究所 洪麗娟
上海巨哥電子科技有限公司 吳振華 萬宸

 

      視頻監控系統通常包括球機、槍機等攝像頭,電視墻、專業鍵盤等用戶端設備,以及各種矩陣、DVR、NVR等系統設備??梢姽庖曨l監控系統通常采用光纖、同軸電纜或微波在其閉合的環路內傳輸視頻信號,并從攝像到圖像顯示和記錄構成獨立完整的系統,能夠實時、形象、真實地反映被監控對象,同時對非法入侵等危險動作進行實時報警。
      隨著監控環境的變化和市場要求的提高,可見光視頻監控系統的一些缺陷也在逐漸顯露,比如:監控效果很大程度上取決于可見光的強度,在夜間難以取得良好效果;在國內經濟快速發展的今天,霧霾已逐漸成為常態化天氣,可見光監控受霧霾影響大,嚴重的霧霾甚至可以使目前的安防監控系統完全“失明”。因此,為克服上述系統的局限性,一種新型的安防監控技術正悄悄步入安防領域——紅外熱成像技術。
      一.紅外熱成像原理及特點
      紅外熱成像系統根據其工作原理,分為主動式和被動式兩類。
      現有的常見夜視攝像機采用主動發射近紅外進行成像。這些攝像機周圍有一圈發光二極管(LED)或激光探照燈,在夜間發出人眼看不見的近紅外線,波長小于1um,通過CMOS芯片探測被照明物體所反射的近紅外線,達到被照明區域內的夜視效果。但這種主動式紅外熱成像的近紅外光源及其供電裝置比較笨重,耗電大,觀察范圍、視距受到探照燈功率的限制,壽命受LED或激光器影響,隱蔽性差。
      紅外熱成像采用被動式紅外成像方式,不需要任何照明,通過探測目標自身發出的遠紅外輻射來進行成像。所有溫度高于絕對零度(攝氏零下273度)的物體都會發出紅外線,稱為黑體輻射(圖1)。常溫附近物體的發射能量大部分集中在8~14um的長波紅外區域,人眼和一般的可見光相機均無法探測,需采用特殊的紅外探測器(焦平面陣列)來進行成像。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀黑體輻射曲線

 

1 黑體輻射曲線

       紅外熱成像儀通過接收目標各個部位輻射的遠紅外能量,通過計算和標定將其轉化為溫度值,并以不同顏色來代表不同的溫度,通過后端的屏幕顯示出來。紅外熱成像圖與可見光圖的對比如圖2:

 

巨哥電子-紅外熱成像儀拍攝紅外圖與可見光圖對比

 

      相比主動式紅外成像等其他視覺輔助系統,紅外熱成像有諸多優勢。由于被動式紅外系統可晝夜工作、能識別偽裝、受天氣影響較小,比雷達系統的分辨率高,隱蔽性好,不易受電子干擾等優點,成為軍用夜視系統的首選。加之其不受可見光干擾、可穿透煙霧、不需接觸即能拍攝物體的整體溫度分布,在安防監控、工業檢測、醫療、車載夜視上應用前景廣泛。表1是紅外熱成像技術和其他夜視技術的對比。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀和其他夜視技術對比

 

1 紅外熱成像儀與其他夜視儀的比較

      二.紅外熱成像監控系統結構

      隨著市場和科技的不斷發展,采用紅外熱成像儀的監控系統價格逐漸下降,開始進入民用市場。典型的紅外熱像儀視頻監控系統如圖3所示。系統分為前端監控采集系統、傳輸系統、后端服務器平臺系統等幾部分。整個系統可采用全網絡數字視頻監控架構:前端監控采集系統使用紅外熱成像儀和可見光雙波段監控設備,傳輸系統采用千兆光纖網,后端通過網絡服務器集中管理平臺來完成整個視頻監控系統的集中預覽、控制、管理、存儲以及視頻分發等功能,實現整個紅外視頻監控系統集中管理。此外,在施工不便的區域,還可以采用3G視頻傳輸和太陽能供電等方式實現系統搭建。
      前端設備采用紅外可見光集成的雙波段監控設備,同時提供紅外熱成像儀和可見光攝像機兩路視頻信號,可有效解決惡劣天氣(如霧霾)對可見光攝像機的影響,并可配以中重載云臺,提供360度晝夜全天候視頻監控。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀視頻監控系統

 

3 紅外熱成像儀視頻監控系統

      三.紅外熱成像系統的應用

      平安城市是近年來人們關注的熱點話題。如何讓我們生活的場所更加安全,如何構建一個強大的安防網路來保證整個城市的安全,運用科學、先進的技防手段是最為行之有效的。在這種前提下,城市安防應急系統的建設將顯得愈發重要。

      平安城市利用綜合管理信息公共服務平臺,包括城市內視頻監控系統、數字化城市管理系統、道路交通等多個系統,利用市區級數據交換平臺實現資源共享。系統前端數據可通過紅外熱成像儀視頻監控系統采集并傳輸到市、區監督指揮調度中心,最大限度地利用紅外熱成像儀的優勢,同時配以可見光視頻監控,確保在多種氣候條件下的晝夜全方位工作,給城市安全提供有力的保障。紅外熱成像儀的應用舉例如下。
      1. 有效實現對偽裝及隱蔽目標的監控、預警

      普通的偽裝以防可見光觀測為主。一般犯罪分子作案通常在夜間,并選擇隱蔽在草叢或樹林中,不易發覺。紅外熱成像裝置被動接受目標自身的熱輻射,人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都大于草木的溫度及紅外輻射,因此不易偽裝,也不容易產生誤判。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀監測隱蔽目標

 

4 紅外熱成像儀監測到隱蔽目標

      2. 夜間及惡劣環境下道路監控
      
近來,我國各地頻發霧霾天氣,給交通出行帶來了極大的影響,由于嚴重霧霾導致高速公路封閉、航班延誤甚至取消。這種情況下,傳統的可見光安防系統基本無法使用。然而紅外熱成像監控系統則不受霧霾影響。圖5a是2013年12月上海PM2.5超過530時用可見光相機和紅外熱像儀對同一場景所進行的拍攝效果??梢姽庀鄼C的能見度僅200米左右,而由于長波紅外線的波長在8~14um,可輕易穿透2.5um顆粒的霧霾,能見度不受任何影響,可看到數公里之外的大樓。圖5b是霧霾天在上海佘山對800米外的人和車輛目標進行探測。對火車等大尺寸目標,探測距離可達10公里。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀與可見光霧霾天氣效果對比

 

5a 霧霾天氣下可見光(右上)和熱成像儀(右下)拍攝效果對比

 

巨哥電子-紅外熱成像儀霧霾天氣監測800m處人與車

 

5b 紅外熱成像儀在霧霾天氣下監測到800m處的人和車(右圖為拍攝現場)

      3. 前端圖像智能識別
      
紅外熱成像儀系統在目前可見光系統已有的智能識別技術和算法基礎上,還提供了溫度信息。由于溫度信息不受光線、色彩等影響,熱成像儀的智能識別能力和準確性更高。例如,熱成像儀可用于公共區域的人流統計,提供更加準確的實時數據,在相機端即可進行分析,可對人群的聚集或其他異常行為及時發出預警。圖6是某火車站安裝紅外熱成像儀進行人流統計的案例。此外,熱成像儀還可對人群中體溫過高者進行報警,防止禽流感等疾病的傳播。

 

巨哥電子-紅外熱成像儀在火車站進行人流統計和人體測溫

 

6 熱成像儀在火車站進行人流統計和人體測溫

      四.紅外熱成像視頻監控展望
          在國外,紅外熱成像儀已廣泛應用于安全防范系統中,成為安全監控系統中不可缺少的一部分。紅外熱成像儀具有的隱蔽式探測功能,無需光照,可穿透霧霾,可視距離達數公里,可根據溫度進行智能識別等特點,決定了紅外熱成像技術在安防領域中的重要性。同時,安防監控行業的發展十分迅速,很多企業跟隨市場的發展紛紛加入。要想獲得更好的發展水平,必須創新出更好的產品和功能。隨著視頻監控正朝數字化、網絡化等方向發展,聯網監控成為監控系統的一個基本特性,對監控行業的關注也由前幾年的DVR與NVR問題之爭等轉向系統管理平臺。用戶的關注點正在由簡單的產品組合轉向系統的應用、管理和增值等。傳統硬件的價值如要獲得提升,必然具有軟硬件相結合、智能化、數字化、系統化等特征,同時也順應產品組合向系統的應用、管理方向轉型。新型的紅外熱成像監控技術正符合這些特征,在安防領域的普及應是必然趨勢。

 

 

 

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