淺談模擬視頻監(jiān)控的干擾抑制方法

董自清,盧一戈,王鵬飛,楊開營

(包鋼集團(tuán)巴潤礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古包頭市 014080)

淺談模擬視頻監(jiān)控的干擾抑制方法

董自清,盧一戈,王鵬飛,楊開營

(包鋼集團(tuán)巴潤礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古包頭市 014080)

模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)簡單、成本低、應(yīng)用傻瓜、便于維護(hù),成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的主要手段。但是,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)苛刻、復(fù)雜多變的環(huán)境對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)作是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。詳細(xì)闡述了模擬監(jiān)控系統(tǒng)抗電磁干擾的幾種方法,如鐵氧體磁環(huán)、濾波器、光纖的應(yīng)用等,力求模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)能在工業(yè)領(lǐng)域中穩(wěn)定完美運(yùn)行。

模擬監(jiān)控;抗電磁干擾;抗干擾方法;濾波器;光纖傳輸

1 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成

模擬監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從抗干擾入手,把模擬監(jiān)控系統(tǒng)分為如下幾個(gè)部分,并分別闡述各自的抗干擾技術(shù)手段和設(shè)備組件。

圖1 模擬監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

(1)終端設(shè)備部分。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安置的攝像頭,這一類有槍機(jī)、半球、智能快速球等等。

(2)信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備。監(jiān)控信號(hào)的傳遞前需要對(duì)所傳遞信息作一些“加工”,以適應(yīng)各種信號(hào)傳輸信道的情況,從而達(dá)到最佳傳輸質(zhì)量。例如:長距離傳輸時(shí),載波信號(hào)通過光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換成光信號(hào),進(jìn)入光纖信道傳輸,從而避免了電信號(hào)長距離傳輸衰減大的問題;在某些無法架設(shè)或埋設(shè)線纜的場(chǎng)地中,如果使用無線網(wǎng)橋和天線,將信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線電波進(jìn)行無線傳輸,將會(huì)方便很多。

(3)傳輸設(shè)施,如光纖、視頻線、天線等。

(4)顯示和存儲(chǔ)設(shè)備。載波信號(hào)通過傳輸?shù)竭_(dá)指揮中心后,調(diào)度室的顯示和存儲(chǔ)設(shè)備解析和釋放信息,使中控人員得到直觀的監(jiān)控畫面。

2 模擬監(jiān)控系統(tǒng)的抗電磁干擾

2.1 終端設(shè)備上的抗干擾措施

2.1.1 鐵氧體磁環(huán)

信號(hào)頻率越高則越容易以電磁波形式輻射出去,工作中的攝像機(jī)會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波,而在攝像機(jī)附近沒有屏蔽層的信號(hào)線無形中就成了這些高頻電磁波的接收天線,接受周圍雜亂的高頻信號(hào),當(dāng)這些干擾信號(hào)疊加起來會(huì)大大影響線路里的原有信號(hào),甚至?xí)淖冇杏眯盘?hào)。鐵氧體成分為 MnZn和NiZn,在高頻作用下時(shí)有很高的磁導(dǎo)率、很高的電阻率、很低的損耗。高頻的干擾信號(hào)通過鐵氧體磁環(huán)時(shí),高頻信號(hào)的能量會(huì)被鐵氧體磁環(huán)消耗掉,低頻的有用信號(hào)則可以順利通過,從而阻止了高頻干擾信號(hào)通過。鐵氧體磁環(huán)套在信號(hào)線上時(shí),在磁環(huán)的作用下,由于正常信號(hào)是低頻的信號(hào),能夠很好地通過,而線路接收到的高頻干擾信號(hào)則被抑制。因此鐵氧體磁環(huán)被越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,汽車、電腦、家用電器諸如此類許多電子產(chǎn)品內(nèi)部線路中都有它的身影。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的攝像機(jī)內(nèi),成像鏡頭連接攝像機(jī)體的信號(hào)線上都會(huì)套有 1個(gè)鐵氧氣磁環(huán),起磁干擾抑制作用,防止高頻干擾信號(hào)影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和正常信號(hào)的傳輸。

2.1.2 抗干擾機(jī)殼

在保險(xiǎn)柜、電梯或者其他金屬外層的空間內(nèi),手機(jī)、收音機(jī)一般接收不到任何信號(hào),這是因?yàn)榻饘倬哂幸环N特性——靜電屏蔽。當(dāng)外部電場(chǎng)產(chǎn)生變化時(shí),金屬內(nèi)部的電子受外部電場(chǎng)影響而重新排列,新的電子排列會(huì)形成 1個(gè)相反的場(chǎng),中和了外部電場(chǎng),而使得金屬內(nèi)部的電場(chǎng)不變,如果金屬外殼本身接地,無論外部電場(chǎng)如何變化,金屬外殼及其內(nèi)部空間的電場(chǎng)都一直保持為零。

監(jiān)控?cái)z像機(jī)置于 1個(gè)金屬外殼內(nèi),金屬保護(hù)外殼除了防水防塵的作用外,由于金屬本身具有的靜電屏蔽功能,加上金屬外殼通過接地線接地,使金屬內(nèi)部的電場(chǎng)始終保持在零電位,因此能夠保護(hù)內(nèi)部攝像機(jī)不受外部電場(chǎng)的影響。甚至,一些特殊的攝像機(jī)外殼連玻璃都會(huì)加入了屏蔽金屬絲,形成密閉的金屬包覆,為內(nèi)部空間提供零電場(chǎng),徹底隔絕外部電場(chǎng)干擾,使保護(hù)更加嚴(yán)密。

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備上的抗干擾措施

2.2.1 放大器跟衰減器的組合應(yīng)用

在視頻監(jiān)控前端,信號(hào) A傳輸前先經(jīng)過放大器,把有用信號(hào)放大M倍后變成MA后再進(jìn)入傳輸線路,而后在傳輸過程中放大信號(hào)MA與線路接收到的干擾信號(hào) B疊加,信號(hào)到達(dá)傳輸另一端后變成了MA+B,即放大的有用信號(hào)和干擾信號(hào)的疊加的信號(hào),將這個(gè)信號(hào)送入衰減器縮小M倍,則解析出來新的信號(hào)A+B/M,B/M就是縮小M倍后的干擾信號(hào),M的值越大,即放大倍數(shù)越大,B/M就會(huì)越小,干擾就會(huì)越小,新解析出來的信號(hào) A+B/M就越接近初始信號(hào)A,當(dāng)干擾小到可以忽略不計(jì)時(shí),也就達(dá)到了抗干擾的目的。

這種抗干擾方法并不能徹底消除干擾,只是減弱了干擾,直至對(duì)有用信號(hào)不再造成損害。此方法本身從有用信號(hào)本身入手,并沒有改變傳輸線路中接收干擾信號(hào)的量,因此,在對(duì)付一些“頑固”干擾信號(hào)時(shí),比其他手段效果更好。

2.2.2 移頻型抗干擾器

移頻型抗干擾器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻變換,改變信號(hào)的載波頻率,使載波頻率位于 1個(gè)不受干擾影響的頻段,從而增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。一般移頻型抗干擾器的調(diào)制頻率為 38 MHz,在這個(gè)頻段上最不容易收到干擾的影響。由于徹底改變了信號(hào)的載波頻率,因此一般情況下這種方法能夠徹底消除掉干擾信號(hào)。

2.2.3 低通濾波器的應(yīng)用

濾波器的插入損耗大于 3 dB的頻率點(diǎn)稱為濾波器的截止頻率,當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí),濾波器就進(jìn)入了阻帶,在阻帶,信號(hào)會(huì)受到較大的衰減。高頻輻射電磁波進(jìn)入線路形成高頻干擾電流,設(shè)置好濾波器的截止頻率大于有用信號(hào)的載波頻率,而小于干擾信號(hào)的頻率,這樣高頻的干擾信號(hào)就會(huì)在濾波器中衰減,從而達(dá)到抗干擾的目的。

當(dāng)干擾頻譜成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí),就可以用濾波器把干擾濾波除掉。對(duì)于信號(hào)線濾波器,當(dāng)在UHF或更高頻段內(nèi)要獲得更好的濾波效果,尤其在不影響屏蔽網(wǎng)使用的情形下,必須使用饋通濾波器。同鐵氧體磁環(huán)一樣,饋通濾波器能夠有效地消除掉高頻干擾。

2.2.4 光端機(jī)的應(yīng)用

為了保證信號(hào)長距離傳輸不失真、衰減少、受到干擾小,不會(huì)受到任何電磁場(chǎng)的影響,因此在電氣設(shè)備復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)必須使用光纖才能得到最好的效果。不僅如此,光纖通信信號(hào)載體是光,不會(huì)受到電磁波的影響,而且光纖的輕便、耐水、耐腐蝕等特性使它在工業(yè)閉路電視系統(tǒng)中有著無與倫比的優(yōu)勢(shì),因此,光端機(jī)也是監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備,同時(shí)也扮演著抗干擾的角色。

不只是監(jiān)控系統(tǒng),在任何通信系統(tǒng)里信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備都是必不可少的。原始信號(hào)帶有完整的信息,但是未必適合在信道中傳輸,必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行“加工”甚至“加密”,在保證原始信號(hào)所攜帶的信息不受影響的前提下,使信號(hào)變得更加適合傳輸、衰減更小,抗干擾能力更強(qiáng)后,方能進(jìn)入信道中傳輸,從而保證在接收端能夠解析到正確的信號(hào),達(dá)到信息傳遞的完整性和原始性。監(jiān)控系統(tǒng)中,尤其是長距離傳輸中,信號(hào)的加工和信道的選擇更為重要。

2.3 傳輸線上的抗干擾措施

2.3.1 信號(hào)線的屏蔽網(wǎng)

同軸電纜、模擬視頻信號(hào)線的皮層都有一層由毛細(xì)銅絲構(gòu)成的金屬網(wǎng)層,同攝像機(jī)金屬外殼抗干擾原理一樣,利用了金屬的靜電屏蔽原理,并且屏蔽網(wǎng)是接地的,從而保證內(nèi)部信號(hào)線路不受干擾信號(hào)影響。同時(shí),由于屏蔽網(wǎng)層的面積比較大,能夠充分利用高頻電流的集膚效應(yīng),因此十分有效地屏蔽了高頻電波的干擾,保證了視頻信號(hào)在電纜中傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2.3.2 使用光纖作為傳輸信道

視頻監(jiān)控的傳輸方式分為視頻基帶傳輸、光纖傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸、微波傳輸、雙絞線平衡傳輸、寬頻共纜傳輸 6種傳輸方式。其中,光纖傳輸以光為載體傳輸信息,電磁場(chǎng)對(duì)其沒有任何影響,而且光纖本身結(jié)構(gòu)是玻璃纖維,有強(qiáng)大的耐腐蝕性、耐水性、耐油性等優(yōu)異的物理性能,因此光纖是工業(yè)場(chǎng)合中最受歡迎的通信線纜。而且光纜本身有超厚度的 PVC保護(hù),防護(hù)能力很強(qiáng),在光纖通信中,只要不是遇到物理損傷 (例如挖機(jī)掘斷、大型汽車扯斷等),信號(hào)的傳遞根本不會(huì)受到任何影響。

2.3.3 浪涌保護(hù)器應(yīng)用

信號(hào)線中的各類干擾信號(hào)聚集、電力線纜串入信號(hào)線纜、雷電等原因都會(huì)使線路存在瞬時(shí)過高電壓,這類電壓必須限制在設(shè)備所能承受的電壓范圍內(nèi),否則就會(huì)損壞設(shè)備甚至傷害操作人員。浪涌保護(hù)器能夠?qū)?qiáng)大的瞬時(shí)高壓電流泄入大地,從而保護(hù)設(shè)備不受電流沖擊而損壞,有效防止了干擾信號(hào)電流聚集、靜電聚集等強(qiáng)大干擾電流對(duì)信號(hào)線路和設(shè)備的影響。尤其在無線監(jiān)控系統(tǒng)中,雷電是最大的威脅,除了浪涌保護(hù)器外,還必須安裝避雷針,以保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2.3.4 rs485云臺(tái)控制線上的抗干擾設(shè)計(jì)

rs485控制信號(hào)的傳輸采用差分傳輸方式,具有一定的抗共模干擾能力,但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境十分復(fù)雜,各個(gè)節(jié)點(diǎn)間有很高的共模電壓,當(dāng)共模電壓超過 rs485接收器的極限電壓時(shí),就會(huì)使其無法正常工作,甚至燒毀芯片。對(duì)此,通過 DC/DC轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)電源和 rs485的電源進(jìn)行光耦隔離,徹底消除共模電壓的影響,并濾除接地回路和傳導(dǎo)噪聲引起的干擾,光耦隔離電路如圖2所示。

圖2 光耦隔離

3 結(jié) 論

綜合以上多種抗干擾方式,可以看出,不同的設(shè)備、不同的環(huán)境下,抗干擾的手段也是不盡相同的,但是萬變不離其宗,在對(duì)干擾信號(hào)尋求抑制方法的工作中,本文總結(jié)了干擾信號(hào)的特征,將其分為 3類:輻射干擾 (如屏蔽網(wǎng)所屏蔽的高頻干擾電波)、傳導(dǎo)型干擾 (如濾波器所抑制的干擾信號(hào))、能量型干擾 (雷擊、靜電放電等浪涌電流干擾)。對(duì)于不同的干擾信號(hào)的抑制,有不同的針對(duì)手段。也有的從不同的地方入手,如移頻型抗干擾器、放大器衰減器組合或者轉(zhuǎn)換為光纖傳輸,改變了傳輸信號(hào)本身的性質(zhì)和質(zhì)量,從而達(dá)到抗干擾的目的。也有的找出干擾信號(hào)與有用信號(hào)的區(qū)別,如鐵氧體磁環(huán)、饋通濾波器,利用了干擾信號(hào)的高頻的性質(zhì),達(dá)到了抗干擾的目的。只有認(rèn)真分析干擾來源、類型、性質(zhì),并和有用信號(hào)加以區(qū)別、對(duì)比,才能夠找出防止干擾的有效方法。

現(xiàn)在包鋼集團(tuán)巴潤礦業(yè)有限公司已經(jīng)采取了這些方法,在重要的崗位、惡劣工作環(huán)境、大型設(shè)備周圍布置監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控畫面已經(jīng)不存在各種干擾現(xiàn)象,畫面質(zhì)量保持優(yōu)質(zhì)、高清。我廠調(diào)度對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察,對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析、總結(jié)設(shè)備故障經(jīng)驗(yàn);對(duì)惡劣工作環(huán)境采取無人值守,減少了事故發(fā)生次數(shù),為我公司節(jié)約了大量的人力、物力。

[1] 汪光華.視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:中國政法大學(xué)出版社,2009.

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2011-05-04)

董自清 (1963-),男,內(nèi)蒙古包頭人,高級(jí)工程師,從事自動(dòng)化技術(shù)及設(shè)備管理工作,Email:dzq@byebbr.com.cn。