ОБЗОР: Российские ИК-осветители. Анализ заявленных характеристик

ИК-осветители на светодиодах (в частности, ИК-прожекторы) уже давно являются типовыми устройствами систем видеонаблюдения. За последние годы в России появилось и успешно работает уже несколько компаний, производящих достаточно широкий ассортимент этой продукции.

Н.И. Чура
Технический консультант 000 "Микровидео Группа"

Основными характеристиками, определяющими применимость ИК-прожектора, является угол освещения (угол ра-скрыва диаграммы направленности) и дальность действия (освещения или подсветки). Вторыми по важности характеристиками являются энергопотребление, номинальное напряжение питания и условия эксплуатации. Из условий эксплуатации нормируется в основном рабочий температурный диапазон и пыле-, влагозащищенность (стандарт IP).

По углам освещения прожекторы условно делятся на широкоугольные (заливающего освещения), обладающие, как правило, небольшой дальностью; прожекторы средних углов и дальностей, а также прожекторы остронаправленные с большой дальностью, малые углы освещения которых обусловлены весьма незначительной излучаемой мощностью светодиодных осветителей, не превышающей 5—10 Вт. Производители, стремясь увеличить дальность действия, стараются предельно сузить диаграмму направленности, поскольку дальность возрастает в первом приближении пропорционально уменьшению угла, а точнее, его тангенсу. Естественно, деление ИК-осветителей на классы крайне субъективно, и их границы определяются самими производителями.

Нормирование угла освещения

Наиболее просто нормируется угол освещения. Как правило, диаграмма направленности осесимметричная и почти полностью повторяет диаграмму направленности единичных светодиодов, из которых собран осветитель. В связи с этим обычно приводится одно значение угла. Большинство производителей определяет или заявляет угол освещения по уровню 1/2 от максимума распределения мощности в пятне. С учетом стандартного телевизионного кадра с отношением сторон 4:3 некоторые производители предлагают осветители с различными углами освещения по горизонтали и вертикали. Например 60х40 град. у Micro Light и 70х50 град. у IR Technologies. Для практической оценки угла освещения достаточно иметь любой кремниевый фотоприемник (фотодиод) с индикатором тока и транспортир. Те образцы прожекторов, которые нам удалось протестировать, в целом соответствуют или близки к заявленным характеристикам по углам освещения. Исключение составляют лишь образцы молодой компании IR Technologies. Очевидно, это связано с тем, что производителем указываются не результаты хотя бы оценочного измерения, а данные поставщика светодиодов. Вышеприведенные данные для несимметричных диаграмм это косвенно подтверждают. Во всяком случае, угол освещения в силу простоты его определения не может являться спорным моментом между производителем и потребителем ИК-осветителей.

Как уже упоминалось выше, изменение дальности подсветки в зависимости от уменьшения угла освещения пропорционально отношению тангенсов этих углов или, если быть более точным, тангенсов половин этих углов.

Дальность действия подсветки

Значение этой характеристики зависит от реальной чувствительности телекамеры на длине волны излучателя. Некоторые производители указывают в сопроводительной документации к осветителям требуемую чувствительность телекамеры, технологию и производителя матрицы, для которой приводятся дальности. В этом случае есть надежда, что приводимые данные получены экспериментальным путем хотя бы для некоторых моделей.

Изменение плотности ИК-излучения (ИК-освещенности) с увеличением дальности и роста площади освещения имеет квадратичный характер. Полагаем, что дальность подсветки (с учетом сохранения ИК-освещенности) растет, как корень квадратный из изменения излучаемой мощности или потребляемой мощности осветителя. Очевидно, что так же изменяется и дальность наблюдения, поскольку в энергетическом расчете сигнала телекамеры дальность до объекта не фигурирует вообще. Энергетическая освещенность объекта переносится в фокальную плоскость объектива на матрицу телекамеры согласно ниже приведенному известному соотношению1:

где   — коэффициент отражения объекта;   — коэффициент пропускания объектива; F — апертура объектива.

Для типовых объектов и объективов с F1,2— F1,4 эти потери близки к 0,1.

Величина видеосигнала или яркость изображения зависит, при прочих равных условиях, только от освещенности объекта. При этом предполагается, что поля зрения камеры и поля подсветки осветителя согласованы. Поэтому трудно согласиться с мнением специалистов компании "Тирекс", утверждающих в своих методических указаниях "Как выбрать ИК-прожектор для Вашей охранной системы", что освещенность матрицы или дальность обнаружения (наблюдения) с И К-прожектором изменяется как корень четвертой степени от изменения силы или мощности  излучения.

Причем причиной этого выдвигается диффузное отражение от объекта. Вместе с тем именно диффузное отражение приводит всего лишь к квадратичной зависимости, а вот зеркальный отражатель обеспечил бы зависимость корня четвертой степени от мощности. Правда, это справедливо только для тех случаев, когда освещенное поле полностью находится в кадре (на матрице) телекамеры.

Примеры нормирования производителями дальности действия своих изделий

Компания MicroLight нормирует дальность подсветки для телекамер с чувствительностью 0,01 лк, указывая обычно расчетное значение эквивалентной плотности мощности в ИК-области (0,8—1 мкм) 15 мВт/м2. При этом не уточняется, все ли телекамеры, имеющие подобную интегральную чувствительность, обладают такой чувствительностью в И К-диапазоне, и позволит ли это освещение обнаружить, распознать или идентифицировать объект.

По углам освещения прожекторы условно делятся на широкоугольные (заливающего освещения), обладающие, как правило, небольшой дальностью; прожекторы средних углов и дальностей, а также прожекторы остронаправленные с большой дальностью, малые углы освещения которых обусловлены весьма незначительной излучаемой мощностью светодиодных осветителей, не превышающей 5-10 Вт.

Компания "НТФ Тирекс" приводит дальности подсветки для двух типов матриц 1/3" SONY, Super HAD и EX-view, достаточной для "четкого определения наличия фигуры человека в поле зрения камеры". Предполагается, что это телекамеры черно-белого изображения нормального разрешения с объективами 8 и 3,6 мм с F-числом равным 2. Упоминается также использование черно-белого монитора с экраном 14". Очевидно, им является монитор CRT. Все это совершенно справедливо, поскольку эффективность обнаружения сильно зависит от контраста изображения, а LCD-мониторы и цифровая обработка способствуют снижению и без того низкого контраста изображения при И К-подсветке.

Один из "старейших" производителей ИК-осветителей НПФ "Полисервис" и самая молодая компания IR Technologies указывают просто дальность подсветки. ИП "Степунин" дает три значения дальности для телекамер с чувствительностью 0,1; 0,003 и 0,0003 лк. Значения дальности для повышенной чувствительности пересчитаны вполне корректно. Возникает только один вопрос, где взять камеры, действительно обладающие такой высокой чувствительностью!

Компания Germikom нормирует дальности подсветки для пяти групп телекамер нормального разрешения Pro V (LG), а также нормального и высокого разрешения с матрицами Super HAD и EX-view SONY. Примечательно, что для камер с одинаковой чувствительностью, но разного разрешения дается разная дальность подсветки, а изменение дальности для матриц различной чувствительности (0,05 и 0,003 лк) не соответствует расчетному значению, так как при изменении чувствительности в 16 раз дальность должна была бы измениться в 4 раза. По данным компании Germikom, такие изменения не превышают 40 и 25 % для нормального и высокого разрешения — эти значения, безусловно, более приближены к реальным. Что понимается под дальностью (обнаружение, распознавание или идентификация) — в документах на осветители не указано. Вместе с тем на сайте компании приведены кадры с подсвеченными транспарантами, людьми и автомобилями. Наглядность примеров производит замечательное впечатление, однако дальность, зафиксированная на изображениях, меньше заявленной в 3—5 раз. Учитывая квадратичный характер уменьшения освещенности (плотности мощности И К-излучения), на заявленной дальности яркость изображения уменьшится в 10—25 раз. Все это приводит к путанице и может создать у потребителя превратное представление.

Анализ заявленных значений подсветки

Попытаемся проанализировать приведенные выше показатели, учитывая зависимость подсветки от мощности и угла диаграммы направленности. Наиболее широкое поле для анализа представляется у производителей, предлагающих максимально большой ассортимент осветителей.

Например, в ряду типовых моделей компании MicroLight с одинаковым углом подсветки в 20 угловых градусов заявленные дальности более мощных изделий превышают расчетные значения на 20-25%.

Заявленная дальность самого мощного прожектора IR-576 превышает расчетную практически в 2,5 раза.

Новая линейка прожекторов серии 294 также страдает непропорциональностью мощности и дальности в 10—25%. Более того, все заявленные дальности этой серии существенно превышают предыдущие модели. При конструктивном подобии моделям IR-98 и IR-294 причина большого роста дальности может скрываться в большей эффективности светодиодов. Но с учетом большего угла подсветки (30 угл. град.), для этого потребуется 4-кратное ее увеличение, что весьма маловероятно.

Увеличение дальности за счет уменьшения угла подсветки в целом совпадает с расчетным.

Большее несоответствие заявленных показателей роста дальности подсветки с увеличением мощности прожектора расчетным наблюдается у производителя IR Technologies.

Изменение дальности с изменением угла подсветки в целом не противоречит теории и даже отражает реальное падение эффективности с уменьшением угла диаграммы направленности. Так, при переходе от 50 угл. град. к 30 и 15 угл. град, заявленная дальность составляет соответственно 88 и 56% от расчетного значения.

Последовательное увеличение заявленной дальности при увеличении потребляемого тока с 0,8 до 1,6; 1,8 и 3,2 А у прожекторов серии L приводит к увеличению заявленных дальностей на 22— 28; 25-35 и 28-42% относительно расчетных значений. Еще большие несоответствия у прожекторов большой дальности с малыми углами подсветки в 10 и 6 угл. град. Здесь приводимая дальность превышает расчетную на 60—80%.

Достаточно хорошо укладываются в расчетные значения и не перекрывают их данные, приводимые в документации на прожекторы ИП "Степунин".

Аналогичная ситуация с компанией "НТФ Тирекс". Все показатели по изменению дальности от увеличения мощности или уменьшения угла не превышают расчетные значения. Вызывает некоторое недоумение только то, что прожекторы ПИК 10М и ПИК 11М представлены как модели, аналогичные базовым ПИК 10 и ПИК 11, но с дополненными элементами, расширяющими диаграмму направленности до 80 угл. град в ближней зоне для части излучаемой мощности. Эти устройства предлагается использовать для телекамер, снабженных трасфокаторами (zoom-объективами). С учетом того, что потребляемые мощности прожекторов остались неизменными, возникает вопрос, почему не уменьшилась общая дальность подсветки, если часть энергии расходуется в ближней зоне?

Компания Germikom производит линейку ИК-прожекторов GR с углами подсветки от 20; 30; 50; 80 и 120 угл. град. Данные этого производителя о дальности для прожекторов одинаковой мощности, но разных углов достаточно корректно вписываются в расчетные значения. Причем учитывается падение эффективности с уменьшением угла подсветки, когда дальность составляет 96; 54; 41 и 34% от расчетного значения. Не так благополучно обстоят дела при увеличении мощности. В этом случае заявленная дальность также превышает расчетное значение на 25—40%. Для миниатюрных прожекторов серии MR такой анализ провести не представляется возможным ввиду их одинаковой мощности. Эти прожекторы, по всей видимости, являются фрагментом изделий GR с потребляемой мощностью 1,2 Вт. Сравнение изделий GR и MR с одинаковыми углами подсветки позволяет сделать вывод о том, что заявленные дальности линейки GR превышены на 40— 200%, а это также требует разумных объяснений.

НПФ "Полисервис" достаточно давно выпускает небольшой ассортимент прожекторов с углами подсветки 90, 40 и 8 угл. град. и дальностью до 40 м. Все параметры хорошо соответствуют расчетным. При переходе к малым углам подсветки (8 угл. град.) в результате роста потерь излучения прирост расстояния несколько меньше. Заявленная дальность составляет 60% от расчетного значения. Такой подход подтверждает серьезное отношение производителя к заявленным характеристикам.

"Полисервис" — единственная компания, которая указывает излучаемую мощность прожекторов, что дает возможность оценить эффективность излучателей, составляющую у этих моделей около 6—7%.

Сравнение осветителей от разных производителей

В таблице приведены данные на прожекторы разных производителей с близкими значениями угла подсветки. С целью сравнения были рассчитаны приведенные значения дальности для угла 40 град. и мощности потребления 1 Вт.

Видно, что три производителя: НПФ "Полисервис"; ИП "Степунин" и НТФ "Тирекс" — обеспечивают близкие параметры по приведенной дальности. Это естественно, поскольку эффективность типовых светодиодов незначительно отличается у разных производителей. Компании IR Technologies, Micro Light и Germikom привели значительно "лучшие" значения дальности, которым не легко найти разумные объяснения. Вызвано это специфической методикой или маркетингом, сказать сложно. Примечательно, что для предыдущих моделей MicroLight показатель приведенной дальности также колебался в пределах 5,5-6,3 м.

Практически все прожекторы (за исключением старших моделей ИП "Степунин" - ИКП-49, ИКП-100 и ИКП-150) и всей продукции IR Technologies не имеют внутренней электроники стабилизации и защиты. Относительная стабилизация тока реализована резисторами в линейках последовательно соединенных светодиодов. Этим обусловлен незначительный диапазон рабочих напряжений, не превышающий +/-5%. НПФ "Полисервис" расширил диапазон напряжений до +25%, а НТФ "Тирекс" до -10/+15%. Germikom дает стандартный диапазон +/-10%, очевидно не придавая этому большого значения. Только системы со стабилизацией обеспечивают -10/+25%. При этом практически обязательным условием является наличие защиты от переполюсовки и перегрева. Модели компаний IR Technologies, MicroLight и НТФ "Тирекс" дополнительно снабжаются фотореле включения освещения, но чаще всего эта функция опциональна.

Из всего вышесказанного следует, что наиболее спорным и трудноопределяемым параметром ИК-осветителей является один из важнейших — дальность действия. Эта неопределенность усугубляется тем, что реальные чувствительности телекамер в И К-диапазоне практически не нормируются, а интегральная чувствительность является объектом маркетинговых манипуляций.

О методике оценки

На наш взгляд, для корректного сравнения ИК-прожекторов необходимо, чтобы основные производители договорились о применении близких методик оценки углов и дальности действия. Конечно, это достаточно сложно, особенно в условиях жесткой конкурентной борьбы, и для начала хватило бы и публикации этих методик. Первые шаги уже сделаны компаниями "Тирекс", которая достаточно подробно описывает свою методику оценки, и Germikom, которая дает дальности для матриц разных производителей, технологий и разрешения. При наличии таких общедоступных сведений потребитель мог бы сказать свое веское слово. По нашему мнению, некоторое разочарование у массового потребителя относительно ИК-подсвет-ки, наметившееся в последние годы, вызвано все большим несоответствием реальных характеристик обещаниям. Массовое предложение телекамер со встроенной подсветкой, имеющих совершенно неправдоподобные характеристики как по чувствительности, так и по дальности действия, усугубили это положение.

Источник: Каталог "CCTV"-2009