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浅析红外热成像仪在安防中的应用

视频监控系统通常包括球机、枪机等摄像头,电视墙、专业键盘等用户端设备,以及各种矩阵、DVR、NVR等系统设备。可见光视频监控系统通常采用光纤、同轴电缆或微波在其闭合的环路内传输视频信号,并从摄像到图像显示和记录构成独立完整的系统,能够实时、形象、真实地反映被监控对象,同时对非法入侵等危险动作进行实时报警。

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公安部第三研究所 洪丽娟
上海巨哥电子科技有限公司 吴振华 万宸

 

      视频监控系统通常包括球机、枪机等摄像头,电视墙、专业键盘等用户端设备,以及各种矩阵、DVR、NVR等系统设备。可见光视频监控系统通常采用光纤、同轴电缆或微波在其闭合的环路内传输视频信号,并从摄像到图像显示和记录构成独立完整的系统,能够实时、形象、真实地反映被监控对象,同时对非法入侵等危险动作进行实时报警。
      随着监控环境的变化和市场要求的提高,可见光视频监控系统的一些缺陷也在逐渐显露,比如:监控效果很大程度上取决于可见光的强度,在夜间难以取得良好效果;在国内经济快速发展的今天,雾霾已逐渐成为常态化天气,可见光监控受雾霾影响大,严重的雾霾甚至可以使目前的安防监控系统完全“失明”。因此,为克服上述系统的局限性,一种新型的安防监控技术正悄悄步入安防领域——红外热成像技术。
      一.红外热成像原理及特点
      红外热成像系统根据其工作原理,分为主动式和被动式两类。
      现有的常见夜视摄像机采用主动发射近红外进行成像。这些摄像机周围有一圈发光二极管(LED)或激光探照灯,在夜间发出人眼看不见的近红外线,波长小于1um,通过CMOS芯片探测被照明物体所反射的近红外线,达到被照明区域内的夜视效果。但这种主动式红外热成像的近红外光源及其供电装置比较笨重,耗电大,观察范围、视距受到探照灯功率的限制,寿命受LED或激光器影响,隐蔽性差。
      红外热成像采用被动式红外成像方式,不需要任何照明,通过探测目标自身发出的远红外辐射来进行成像。所有温度高于绝对零度(摄氏零下273度)的物体都会发出红外线,称为黑体辐射(图1)。常温附近物体的发射能量大部分集中在8~14um的长波红外区域,人眼和一般的可见光相机均无法探测,需采用特殊的红外探测器(焦平面阵列)来进行成像。

 

巨哥电子-红外热成像仪黑体辐射曲线

 

1 黑体辐射曲线

       红外热成像仪通过接收目标各个部位辐射的远红外能量,通过计算和标定将其转化为温度值,并以不同颜色来代表不同的温度,通过后端的屏幕显示出来。红外热成像图与可见光图的对比如图2:

 

巨哥电子-红外热成像仪拍摄红外图与可见光图对比

 

      相比主动式红外成像等其他视觉辅助系统,红外热成像有诸多优势。由于被动式红外系统可昼夜工作、能识别伪装、受天气影响较小,比雷达系统的分辨率高,隐蔽性好,不易受电子干扰等优点,成为军用夜视系统的首选。加之其不受可见光干扰、可穿透烟雾、不需接触即能拍摄物体的整体温度分布,在安防监控、工业检测、医疗、车载夜视上应用前景广泛。表1是红外热成像技术和其他夜视技术的对比。

 

巨哥电子-红外热成像仪和其他夜视技术对比

 

1 红外热成像仪与其他夜视仪的比较

      二.红外热成像监控系统结构

      随着市场和科技的不断发展,采用红外热成像仪的监控系统价格逐渐下降,开始进入民用市场。典型的红外热像仪视频监控系统如图3所示。系统分为前端监控采集系统、传输系统、后端服务器平台系统等几部分。整个系统可采用全网络数字视频监控架构:前端监控采集系统使用红外热成像仪和可见光双波段监控设备,传输系统采用千兆光纤网,后端通过网络服务器集中管理平台来完成整个视频监控系统的集中预览、控制、管理、存储以及视频分发等功能,实现整个红外视频监控系统集中管理。此外,在施工不便的区域,还可以采用3G视频传输和太阳能供电等方式实现系统搭建。
      前端设备采用红外可见光集成的双波段监控设备,同时提供红外热成像仪和可见光摄像机两路视频信号,可有效解决恶劣天气(如雾霾)对可见光摄像机的影响,并可配以中重载云台,提供360度昼夜全天候视频监控。

 

巨哥电子-红外热成像仪视频监控系统

 

3 红外热成像仪视频监控系统

      三.红外热成像系统的应用

      平安城市是近年来人们关注的热点话题。如何让我们生活的场所更加安全,如何构建一个强大的安防网路来保证整个城市的安全,运用科学、先进的技防手段是最为行之有效的。在这种前提下,城市安防应急系统的建设将显得愈发重要。

      平安城市利用综合管理信息公共服务平台,包括城市内视频监控系统、数字化城市管理系统、道路交通等多个系统,利用市区级数据交换平台实现资源共享。系统前端数据可通过红外热成像仪视频监控系统采集并传输到市、区监督指挥调度中心,最大限度地利用红外热成像仪的优势,同时配以可见光视频监控,确保在多种气候条件下的昼夜全方位工作,给城市安全提供有力的保障。红外热成像仪的应用举例如下。
      1. 有效实现对伪装及隐蔽目标的监控、预警

      普通的伪装以防可见光观测为主。一般犯罪分子作案通常在夜间,并选择隐蔽在草丛或树林中,不易发觉。红外热成像装置被动接受目标自身的热辐射,人体和车辆的温度及红外辐射一般都大于草木的温度及红外辐射,因此不易伪装,也不容易产生误判。

 

巨哥电子-红外热成像仪监测隐蔽目标

 

4 红外热成像仪监测到隐蔽目标

      2. 夜间及恶劣环境下道路监控
      
近来,我国各地频发雾霾天气,给交通出行带来了极大的影响,由于严重雾霾导致高速公路封闭、航班延误甚至取消。这种情况下,传统的可见光安防系统基本无法使用。然而红外热成像监控系统则不受雾霾影响。图5a是2013年12月上海PM2.5超过530时用可见光相机和红外热像仪对同一场景所进行的拍摄效果。可见光相机的能见度仅200米左右,而由于长波红外线的波长在8~14um,可轻易穿透2.5um颗粒的雾霾,能见度不受任何影响,可看到数公里之外的大楼。图5b是雾霾天在上海佘山对800米外的人和车辆目标进行探测。对火车等大尺寸目标,探测距离可达10公里。

 

巨哥电子-红外热成像仪与可见光雾霾天气效果对比

 

5a 雾霾天气下可见光(右上)和热成像仪(右下)拍摄效果对比

 

巨哥电子-红外热成像仪雾霾天气监测800m处人与车

 

5b 红外热成像仪在雾霾天气下监测到800m处的人和车(右图为拍摄现场)

      3. 前端图像智能识别
      
红外热成像仪系统在目前可见光系统已有的智能识别技术和算法基础上,还提供了温度信息。由于温度信息不受光线、色彩等影响,热成像仪的智能识别能力和准确性更高。例如,热成像仪可用于公共区域的人流统计,提供更加准确的实时数据,在相机端即可进行分析,可对人群的聚集或其他异常行为及时发出预警。图6是某火车站安装红外热成像仪进行人流统计的案例。此外,热成像仪还可对人群中体温过高者进行报警,防止禽流感等疾病的传播。

 

巨哥电子-红外热成像仪在火车站进行人流统计和人体测温

 

6 热成像仪在火车站进行人流统计和人体测温

      四.红外热成像视频监控展望
          在国外,红外热成像仪已广泛应用于安全防范系统中,成为安全监控系统中不可缺少的一部分。红外热成像仪具有的隐蔽式探测功能,无需光照,可穿透雾霾,可视距离达数公里,可根据温度进行智能识别等特点,决定了红外热成像技术在安防领域中的重要性。同时,安防监控行业的发展十分迅速,很多企业跟随市场的发展纷纷加入。要想获得更好的发展水平,必须创新出更好的产品和功能。随着视频监控正朝数字化、网络化等方向发展,联网监控成为监控系统的一个基本特性,对监控行业的关注也由前几年的DVR与NVR问题之争等转向系统管理平台。用户的关注点正在由简单的产品组合转向系统的应用、管理和增值等。传统硬件的价值如要获得提升,必然具有软硬件相结合、智能化、数字化、系统化等特征,同时也顺应产品组合向系统的应用、管理方向转型。新型的红外热成像监控技术正符合这些特征,在安防领域的普及应是必然趋势。

 

 

 

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