安防&光电信息——安防监控技术基础

本书是安防新技术及系统系列精品丛书之四，从安防界存在的150条安防技术知识概念混淆不清与错误的问题入手，以光电信息技术方面的基础知识为切入点，全面、系统地阐述了光电信息技术各部分的理论基础、工作原理、实用技术与方法，及其在安防监控中的应用实例。具体内容共9章：安防＆光电信息技术基础及安防技术发展方向，光电发光器件及其在安防中的应用，光辐射信息探测器件及其在安防中的应用，光图像信息探测器件及其在安防中的应用，光纤传感技术及其在安防中的应用，光电信息传输技术及其在安防中的应用，光电信息处理技术及其在安防中的应用，光电信息存储技术及其在安防中的应用，光电信息显示技术及其在安防中的应用等。

雷玉堂，男，退休前系武汉大学教授、博士生导师，中国光电与安防技术专家，被誉为“中国安防行业技术书的领军人物”。

目 录第1章 安防＆光电信息技术基础及安防技术发展方向 （1）1.1 光的基本性质及其度量 （1）1.1.1 光的基本性质 （1）1.1.2 光辐射的度量 （3）1.2 半导体物理基础 （6）1.2.1 半导体的能带 （7）1.2.2 热平衡与非平衡载流子及其运动 （10）1.2.3 半导体对光的吸收 （15）1.2.4 半导体的PN结 （17）1.2.5 半导体与金属的接触 （20）1.3 光辐射电效应 （22）1.3.1 光电效应 （23）1.3.2 热电效应 （29）1.4 安防技术学科性质及由此产生的基本知识概念混淆与错误 （32）1.4.1 安防监控技术的学科性质 （32）1.4.2 安防监控技术基本知识概念混淆不清与错误的150条问题 （36）1.4.3 识别安防技术知识概念混淆与错误需掌握的基本知识点 （44）1.5 现代安防监控技术的发展方向 （47）1.5.1 安防监控技术的演进与发展 （47）1.5.2 安防监控技术必须向智能化方向发展 （48）1.5.3 现代安防监控技术的发展方向是物联网智能云安防技术 （51）第2章 光电发光器件及其在安防中的应用 （53）2.1 常用的普通光源及其在安防中的应用 （53）2.1.1 光源的基本特性参数 （53）2.1.2 常用的普通光源 （55）2.1.3 常用的普通光源在安防中的应用 （57）2.2 发光二极管LED及其在安防中的应用 （58）2.2.1 发光二极管（LED）的结构及其发光原理 （58）2.2.2 发光二极管（LED）的主要特性参数 （60）2.2.3 发光二极管（LED）在安防中的应用 （62）2.3 环保白光LED与平面分布式OLED光源及其在安防中的应用 （65）2.3.1 固体环保白光LED光源及其在安防中的应用 （65）2.3.2 高效节能平面分布式OLED固态光源及其在安防中应用 （67）2.4 激光器及其在安防中的应用 （69）2.4.1 激光器概述 （69）2.4.2 半导体激光器 （73）2.4.3 光纤激光器 （80）2.4.4 光子晶体与光子晶体光纤激光器 （82）2.4.5 激光器在安防中的应用 （85）第3章 光辐射信息探测器件及其在安防中的应用 （93）3.1 光辐射信息探测器件概述 （93）3.1.1 光辐射信息探测器件的类型和特点 （93）3.1.2 光辐射信息探测器件的基本特性参数 （94）3.2 半导体光电导型探测器件及其在安防中的应用 （99）3.2.1 光电导型探测器件的结构及原理 （99）3.2.2 光敏电阻的特性参数 （101）3.2.3 光电导型探测器件的使用要点及在安防中的应用 （103）3.3 半导体光伏型探测器件及其在安防中的应用 （111）3.3.1 光电池 （112）3.3.2 光敏二极管 （115）3.3.3 光敏三极管 （123）3.3.5 光伏型探测器件的使用要点及在安防中的应用 （126）3.4 热电探测器件及其在安防中的应用 （132）3.4.1 热电偶与热电堆 （132）3.4.2 热敏电阻 （136）3.4.3 热释电探测器件 （141）3.4.4 热电探测器件在安防中的应用 （146）第4章 光图像信息探测器件及其在安防中的应用 （150）4.1 光图像信息探测器件的类型与电视制式 （150）4.1.1 光电成像器件的类型 （150）4.1.2 电视扫描方式及制式 （151）4.2 电荷耦合器件CCD及其在安防中的应用 （153）4.2.1 CCD的结构及原理 （153）4.2.2 CCD的类型 （158）4.2.3 CCD的特性参数 （162）4.2.4 CCD在安防中的应用 （167）4.3 CMOS成像器件及其在安防中的应用 （168）4.3.1 CMOS成像器件的结构及原理 （169）4.3.2 CMOS成像器件的特性参数 （172）4.3.3 CMOS成像器件与CCD的比较 （176）4.3.4 CMOS成像器件在安防中的应用 （176）4.4 直视型光电成像器件及其在安防中的应用 （178）4.4.1 像管的结构与工作原理 （179）4.4.2 主要性能参数 （179）4.4.3 像增强管的级联 （180）4.4.4 直视型光电成像器件在安防中的应用 （183）4.5 特种光电成像器件及其在安防中的应用 （183）4.5.1 红外光成像器件 （183）4.5.2 紫外光成像器件 （187）4.5.3 X射线光成像器件 （188）4.5.4 特种光电成像器件在安防中的应用 （191）第5章 光纤传感技术及其在安防中的应用 （195）5.1 光纤传感技术概述 （195）5.1.1 光纤的结构与类型及其传光原理 （195）5.1.2 光纤传感器的结构与类型 （197）5.1.3 光纤传感技术中的调制技术 （199）5.2 常用的光纤传感器技术 （200）5.2.1 常用的光纤传感器技术 （200）5.2.2 常用的光纤传感器技术的典型应用 （201）5.3 光纤光栅型传感器技术 （206）5.3.1 光纤光栅型传感器的类型 （206）5.3.2 光纤布拉格光栅传感器的原理及优点 （208）5.3.3 光纤光栅型传感器技术的典型应用 （212）5.4 多路复用和分布式光纤传感器及其在安防中的应用 （214）5.4.1 多路复用式光纤传感器技术 （214）5.4.2 分布式光纤传感器技术 （217）5.5 光纤传感器技术在安防中的应用 （219）5.5.1 常用光纤传感器技术在安防中的应用 （220）5.5.2 光纤光栅型传感器技术在安防中的应用 （220）5.5.3 多路复用和分布式光纤传感器技术在安防中的应用 （228）5.5.4 光纤传感器在城市物联网智能安防中的应用 （229）第6章 光电信息传输技术及其在安防中的应用 （234）6.1 光纤传输技术 （234）6.1.1 光缆的结构及光纤的连接与耦合 （234）6.1.2 光纤传输系统的组成与特点 （239）6.2 无线光波传输技术 （241）6.2.1 无线光波传输系统的组成原理及特点 （242）6.2.2 无线光波传输技术的难点及其解决法 （244）6.3 太赫兹波传输技术 （245）6.3.1 太赫兹波的产生 （245）6.3.2 太赫兹波的特点 （246）6.4 光信息调制传输技术 （247）6.4.1 光信息调制技术概述 （247）6.4.2 调制信号的解调技术 （252）6.5 光电信息传输技术在安防中的应用 （253）6.5.1 光纤传输技术在安防中的应用 （253）6.5.2 无线光波传输技术在安防中的应用 （255）6.5.3 太赫兹波传输技术在安防中的应用 （258）6.5.4 光信息调制传输技术在安防中的应用 （260）第7章 光电信息处理技术及其在安防中的应用 （262）7.1 光电信息处理技术概述 （262）7.1.1 光电信息处理的特征方法和目标 （263）7.1.2 图像数字化及其分析处理的方法和内容 （264）7.1.3 安防监控图像处理的基本方法——像素处理 （267）7.2 光电图像处理-视频图像处理 （271）7.2.1 光电图像处理的优势 （271）7.2.2 视频标准 （272）7.2.3 视频图像的特点及其处理的研究内容 （275）7.3 视频内容检索技术 （276）7.3.1 视频内容检索技术的基本概念 （277）7.3.2 视频内容检索系统的结构 （280）7.3.3 视频内容检索的关键技术 （283）7.4 安防中常用的视频运动目标的检测与识别方法 （290）7.4.1 背景差法 （290）7.4.2 帧间差法 （291）7.4.3 光流法 （292）7.5 安防视频监控中的行为理解 （293）7.5.1 视频监控中行为理解概述 （293）7.5.2 常用行为理解的方法 （294）7.5.3 行为理解存在的问题及发展趋势 （295）第8章 光电信息存储技术及其在安防中的应用 （297）8.1 光盘存储技术 （297）8.1.1 光盘存储的原理 （298）8.1.2 光盘存储的类型 （299）8.1.3 光盘存储器 （306）8.2 大容量光带存储技术 （309）8.2.1 大容量光带存储系统的结构原理及类型 （309）8.2.2 大容量光带存储的方式及与磁光盘的比较 （310）8.3 全息存储技术 （311）8.3.1 全息存储的原理 （311）8.3.2 全息存储的特点 （312）8.4 超高密度光电存储技术 （312）8.4.1 双光子双稳态三维存储技术 （313）8.4.2 电子捕获存储技术 （315）8.4.3 持续光谱烧孔存储技术 （315）8.4.4 近场光学存储技术 （317）8.4.5 超高密度光电存储技术的发展趋势 （317）8.5 光电信息存储技术在安防中的应用 （318）8.5.1 光盘存储技术在安防中的应用 （318）8.5.2 大容量光带存储技术在安防中的应用 （319）8.5.3 全息等新兴存储技术在安防中的应用

前 言光（光学）是人们获取信息的基本的和有效的手段之一，以光子或光波作为信息载体的光电信息技术则表现出巨大的发展潜力和明显的优越性。尤其光电信息技术在高技术战争中扮演着十分重要的角色，如在预警、监视、侦察、观察、瞄准、通信、精确打击、作战效果评估、电子对抗等方面都发挥了极其重要的作用，使作战方式、部队编制和后勤供应都发生了重大变化。因此，光电信息技术不仅全面继承兼容电子技术，而且具有微电子无法比拟的优越性能与更广阔的应用范围，从而成为人类进入信息时代的具有巨大冲击力的高新技术。随着光电信息技术、微电子、微计算机及数字视频技术的发展，安防技术已由传统的模拟式向着高度集成的小型化、数字化、网络化，高清化、智能化的方向发展。目前，安防技术已从应用各学科技术的经典模式向以图像分析处理、识别与跟踪为核心的安防技术本身特点所需要的现代智能化模式转变。安全防范技术学科已由光电信息等其他学科的应用技术，发展成为一专门的独立的学科技术。而这个学科主要的特点是处于光电信息技术基础上与其他学科的边缘和多学科交叉。为什么说安防技术学科是在光电信息技术的基础上呢？其原因之一是，一个安全防范系统的前端的图像传感器、防盗、防火探测器主要是CCD和CMOS光电成像器件，以及各种光辐射探测器件（即光敏与热敏探测器件，现又进一步发展到各种光纤传感器），其终端的录像记录与显示是光电存储器和各种光电发光器件，即电光转换器件构成的显示设备，以及可见与不可见光的照明光源，还有传输图像信息用的光纤光缆、无线红外光传输，夜视，以及光电图像的视频处理、识别与跟踪系统等，而这些都是光电信息技术中的核心内容。其原因之二是，你翻开光电信息工程专业的光电信息技术课教材（如电子工业出版社在2011年1月出版的“光电信息技术”教材），其中每一章都与安防监控技术有关，而这些内容，又都是安防监控设备与系统的核心。显然，它们应该是学好安防监控技术的基础，学了它不仅使安防技术专业课易懂，且使课时数大大减少。而电子技术、计算机技术等学科专业中，找不到任何一门课程能达到这样的效果。因此，也可以说，安防技术实质上主要是光电信息技术在安全技术防范系统中的一门应用科学技术。当然，安防系统的控制部分，要用到计算机的软/硬件技术，电路部分要用到电子技术，设备的装配、定位与机壳的设计制备又牵涉到机械技术等。因此可以说，安防技术是集光电、电子、计算机、通信、机械等为一体的多学科的边缘和多学科交叉的综合性应用的高新技术。所以，广义地说，安防监控技术是现代技术综合应用的科学技术；狭义地说，安防监控技术就是光电信息技术的应用科学技术。目前，传统的学科界限和专业界限将越来越淡化，各种高新技术的交叉渗透和融合，将是一门新技术（如安防监控技术）未来发展的总趋势。因此，安防监控系统的设计者，要密切注意各领域科学技术的发展，要不断采用先进而成熟的技术，不断地充实智能化功能，以完善系统的设计。综上所述，安防监控技术的学科性质全面而确切地说应该是，在光电信息技术基础上的一门多学科交叉的前沿学科的综合性的应用科学技术。但是一直到现在，安防界的权威人士对安防监控技术的学科性质还认识不清，因而在创办安防技术或安防工程专业，制订该专业的教学计划时，都没有开设光电信息技术这一安防技术的基础课程，所以在安防领域的专家与技术人员撰写的文章与安防书籍中，出现了不应该有的150条安防技术基本知识概念混淆不清与错误的问题。如果学习了光电信息技术这一基础课程，也不会出现说，可见光的波长是0～720 ns之间；红外波长是大于700 MM、0.7 uM；CCD是光耦器件；被动红外探测器用来感光的是CCD；镜头是传感的、轮巡的、监控的，分辨力的单位是“线（TVL）”……等可笑的错误。在150条错误中，其中典型的是对光电成像器件与系统的分辨率与分辨力的混淆问题，如公安部上海3所某技术人员在2010年12月A＆S（安防工程商）杂志上发表了“安防摄像机分辨力指标分析和测试方法探讨”的错误文章，充分暴露了对分辨率与分辨力的混淆与错误问题。虽然，我在该杂志同期上发表了“论成像系统易混淆的分辨率与分辨力”一文，但由于该错误文章是引用了国标GB12338—90、GB20815—2006中对分辨力定义的错误，据说该文还有某位“专家”的认可，因而该杂志又在其季刊上转载了该错误文章（后被道客巴巴、豆丁网等错误转载）。2012年1月在电子工业出版社出版的《安防视频监控实用技术》书的1.3节中，我列出了105条安防技术基本知识概念混淆不清与错误的问题来予以纠正（后发现有的专家在他发表的文章中就改正了原来的错误），但还未引起安防界有关部门及权威人士的重视，现又增加了45条共150条。因此，本书在1.4节中再次论述一下安防监控技术的学科性质及由此产生的150条安防技术基本知识概念混淆不清与错误的问题，期望能引起安防界有关部门及权威人士的重视。目前从事安防技术的工作人员，大多是一些学电子技术与计算机技术等专业的，而几乎没有光电信息技术类专业的毕业生。这一方面是电子与计算机专业是老专业，毕业的学生多；而光电信息是边缘学科的新专业，毕业的学生少；另一方面，各安防公司的老总也未看清安防技术主要是光电信息技术的应用技术，因而造成安防技术的工作几乎没有光电信息技术类专业的人员，所以，这些人员缺乏光电信息技术的基本理论知识，因而在写文章、甚至未经严格审查的产品说明与出版的书籍等中，都出现这样或那样的概念混淆与错误。尤其在安防杂志与网站的技术文章中，由于各安防公司有相当地位甚至还可能被安上“专家”的技术人员写的文章，其他人员再转抄，加上从事传媒编辑的人员大多是学文科的，而某些杂志又不像一些专业核心期刊那样，把技术文章送真正的专家审核把关，编辑们又看不懂有否技术问题，也只能在文字与格式上做一点修改，就是有错误也照登，所以错误就一犯再犯，使传媒杂志与网站的技术质量不高（一般，凡是期刊的技术稿件，都应请技术专家审核把关）。目前，由于安防技术还不是一个独立的科技门类，也没有成立安防技术学会，大专院校或科研机构也没有专门的安防技术专业，现在只有中国人民公安大学、厦门安防科技职业学院、浙江安防职业技术学院与几个警官与政法职业学院开办了安防技术或安防工程专业，但均未开设光电信息技术基础课，因而安防行业的研发人才多由电子、计算机或通信等行业转行而来，尤其缺乏光电信息技术，因此真正的高层次的研发人才十分匮乏。所以，急需要高等院校对口专业培养的一批真正是有光电信息技术基础的安全防范技术学科的专业人才。作者一直从事光电信息技术的教学与科研，已编著本科与研究生光电类教材与专著有《光电技术》(第1、2版）、《光电技术实验》、《光纤及其传感技术》、《图像测量技术》、《光电仪器及系统设计》、《光电检测技术》(第1、2版)、《光电检测技术习题与实验》、《光电信息实用技术》、《光电信息技术》等9项11本。现根据有的高校的需要，还计划写本科与研究生光电类教材《视频图像测量技术》、《光电器件及系统》，给职校光电专业大中专班写《光电子器件制作技术》、《光电子器件检测技术》等。作者自1994年被武汉一个安防公司聘为技术顾问开始，参与安防工作到现在已有21年，并深知安防界存在的问题。退休后带领硕博研究生团队给广州、中山、深圳有关公司研发安防与人民币防伪产品，并被一些安防公司聘为总工、技术总监与技术顾问，被一些安防传媒聘为编辑顾问与技术专家，被多所高校光电院系与重点实验室，以及一些安防与商学院聘为兼职教授、客座教授、荣誉教授、合作教授与博士生导师。由于发表文章用理论公式驳斥了安防领域中那些不懂光电所出现的错误问题，而被一些网站誉为“中国安防行业技术的领军人物”等。在安防技术方面已出版的著作有《安全＆光电》、《安防视频监控实用技术》、安防新技术及系统系列精品丛书之一《安防＆智能化—视频监控系统智能化实现方案》、丛书之二《安防＆物联网—物联网智能安防系统实现方案》、丛书之三《安防＆云计算—物联网智能云安防系统实现方案》等5本。本书是丛书之四，还计划写丛书《安防＆大数据》、《安防＆智慧化》等。由于我国急需安防技术专业人才与这一专业应学的专业理论及技能，现计划帮助一些院校创办真正的有光电信息技术基础的安防技术或安防工程专业，除光电信息技术或本书可作为现代安防专业基础教材外，后面准备给高校与职校现代安防技术专业撰写光电信息学科-安防科学技术与工程专业实用技术系列精品丛书《现代安防视频监控实用教程》、《安防视频监控系统设备的使用与维修》、《安防系统工程的设计施工安装调试与维护》、《安防入侵探测报警实用技术》、《安防目标识别与出入口控制实用技术》等。有想创办有光电信息技术基础的现代安防专业者，可来邮（[email protected]）交流联系。本书是安防新技术及系统系列精品丛书之四，也可作为高校与职校光电信息学科-现代安防科学技术与工程专业基础教材。本书理论实践并重，内容系统全面、层次分明，可作为公安院校、安防院校及一些理工院校与一些职业技术学院的安防技术（或安防工程）、安防或安全管理、视频监控、智能建筑、智能交通、信息工程、光电工程、质量工程、网络工程、应用电视等专业的教材与教学参考书，也可供从事上述专业的科研人员、工程技术人员、管理人员参考。本书是雷教授同其学生们及有关公司负责人共同完成的，其中，武汉乐通光电公司总经理罗辉编写了4.2.4节；武汉昱升光器件公司总经理明志文编写了2.4.2节；广州天网安防科技公司总经理邱亮南编写了2.2.3节；公安部第3研究所郑国刚副研究员编写了7.2.2节；海军工程大学白雪飞博士编写了4.1.2节；美国HP新加坡公司高工、武汉乐通光电公司高新技术研究所特约研究员雷军与黄晓曦博士编写了7.3.1～7.3.3节；乐通光电深圳高新技术研究所的杨中东博士编写了4.3.4节，周宇翔工程师编写了7.2.