淺談模擬視頻監控的干擾抑制方法

董自清,盧一戈,王鵬飛,楊開營

(包鋼集團巴潤礦業有限責任公司, 內蒙古包頭市 014080)

淺談模擬視頻監控的干擾抑制方法

董自清,盧一戈,王鵬飛,楊開營

(包鋼集團巴潤礦業有限責任公司, 內蒙古包頭市 014080)

模擬視頻監控系統架構簡單、成本低、應用傻瓜、便于維護,成為實現工業自動化的主要手段。但是,工業現場苛刻、復雜多變的環境對于監控系統的長期穩定運作是個巨大的挑戰。詳細闡述了模擬監控系統抗電磁干擾的幾種方法,如鐵氧體磁環、濾波器、光纖的應用等,力求模擬視頻監控系統能在工業領域中穩定完美運行。

模擬監控;抗電磁干擾;抗干擾方法;濾波器;光纖傳輸

1 模擬視頻監控系統的組成

模擬監控系統的基本結構如圖1所示。從抗干擾入手,把模擬監控系統分為如下幾個部分,并分別闡述各自的抗干擾技術手段和設備組件。

圖1 模擬監控系統的基本結構

(1)終端設備部分。工業現場安置的攝像頭,這一類有槍機、半球、智能快速球等等。

(2)信號轉換設備。監控信號的傳遞前需要對所傳遞信息作一些“加工”,以適應各種信號傳輸信道的情況,從而達到最佳傳輸質量。例如:長距離傳輸時,載波信號通過光纖收發器轉換成光信號,進入光纖信道傳輸,從而避免了電信號長距離傳輸衰減大的問題;在某些無法架設或埋設線纜的場地中,如果使用無線網橋和天線,將信號轉換成無線電波進行無線傳輸,將會方便很多。

(3)傳輸設施,如光纖、視頻線、天線等。

(4)顯示和存儲設備。載波信號通過傳輸到達指揮中心后,調度室的顯示和存儲設備解析和釋放信息,使中控人員得到直觀的監控畫面。

2 模擬監控系統的抗電磁干擾

2.1 終端設備上的抗干擾措施

2.1.1 鐵氧體磁環

信號頻率越高則越容易以電磁波形式輻射出去,工作中的攝像機會產生高頻電磁波,而在攝像機附近沒有屏蔽層的信號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,當這些干擾信號疊加起來會大大影響線路里的原有信號,甚至會改變有用信號。鐵氧體成分為 MnZn和NiZn,在高頻作用下時有很高的磁導率、很高的電阻率、很低的損耗。高頻的干擾信號通過鐵氧體磁環時,高頻信號的能量會被鐵氧體磁環消耗掉,低頻的有用信號則可以順利通過,從而阻止了高頻干擾信號通過。鐵氧體磁環套在信號線上時,在磁環的作用下,由于正常信號是低頻的信號,能夠很好地通過,而線路接收到的高頻干擾信號則被抑制。因此鐵氧體磁環被越來越廣泛地應用在各個領域,汽車、電腦、家用電器諸如此類許多電子產品內部線路中都有它的身影。在工業現場的攝像機內,成像鏡頭連接攝像機體的信號線上都會套有 1個鐵氧氣磁環,起磁干擾抑制作用,防止高頻干擾信號影響設備運轉和正常信號的傳輸。

2.1.2 抗干擾機殼

在保險柜、電梯或者其他金屬外層的空間內,手機、收音機一般接收不到任何信號,這是因為金屬具有一種特性——靜電屏蔽。當外部電場產生變化時,金屬內部的電子受外部電場影響而重新排列,新的電子排列會形成 1個相反的場,中和了外部電場,而使得金屬內部的電場不變,如果金屬外殼本身接地,無論外部電場如何變化,金屬外殼及其內部空間的電場都一直保持為零。

監控攝像機置于 1個金屬外殼內,金屬保護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,使金屬內部的電場始終保持在零電位,因此能夠保護內部攝像機不受外部電場的影響。甚至,一些特殊的攝像機外殼連玻璃都會加入了屏蔽金屬絲,形成密閉的金屬包覆,為內部空間提供零電場,徹底隔絕外部電場干擾,使保護更加嚴密。

2.2 信號轉換設備上的抗干擾措施

2.2.1 放大器跟衰減器的組合應用

在視頻監控前端,信號 A傳輸前先經過放大器,把有用信號放大M倍后變成MA后再進入傳輸線路,而后在傳輸過程中放大信號MA與線路接收到的干擾信號 B疊加,信號到達傳輸另一端后變成了MA+B,即放大的有用信號和干擾信號的疊加的信號,將這個信號送入衰減器縮小M倍,則解析出來新的信號A+B/M,B/M就是縮小M倍后的干擾信號,M的值越大,即放大倍數越大,B/M就會越小,干擾就會越小,新解析出來的信號 A+B/M就越接近初始信號A,當干擾小到可以忽略不計時,也就達到了抗干擾的目的。

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

2.2.2 移頻型抗干擾器

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

2.2.3 低通濾波器的應用

濾波器的插入損耗大于 3 dB的頻率點稱為濾波器的截止頻率,當頻率超過截止頻率時,濾波器就進入了阻帶,在阻帶,信號會受到較大的衰減。高頻輻射電磁波進入線路形成高頻干擾電流,設置好濾波器的截止頻率大于有用信號的載波頻率,而小于干擾信號的頻率,這樣高頻的干擾信號就會在濾波器中衰減,從而達到抗干擾的目的。

當干擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時,就可以用濾波器把干擾濾波除掉。對于信號線濾波器,當在UHF或更高頻段內要獲得更好的濾波效果,尤其在不影響屏蔽網使用的情形下,必須使用饋通濾波器。同鐵氧體磁環一樣,饋通濾波器能夠有效地消除掉高頻干擾。

2.2.4 光端機的應用

為了保證信號長距離傳輸不失真、衰減少、受到干擾小,不會受到任何電磁場的影響,因此在電氣設備復雜的工業現場必須使用光纖才能得到最好的效果。不僅如此,光纖通信信號載體是光,不會受到電磁波的影響,而且光纖的輕便、耐水、耐腐蝕等特性使它在工業閉路電視系統中有著無與倫比的優勢,因此,光端機也是監控系統中必不可少的設備,同時也扮演著抗干擾的角色。

不只是監控系統,在任何通信系統里信號轉換設備都是必不可少的。原始信號帶有完整的信息,但是未必適合在信道中傳輸,必須對原始信號進行“加工”甚至“加密”,在保證原始信號所攜帶的信息不受影響的前提下,使信號變得更加適合傳輸、衰減更小,抗干擾能力更強后,方能進入信道中傳輸,從而保證在接收端能夠解析到正確的信號,達到信息傳遞的完整性和原始性。監控系統中,尤其是長距離傳輸中,信號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 信號線的屏蔽網

同軸電纜、模擬視頻信號線的皮層都有一層由毛細銅絲構成的金屬網層,同攝像機金屬外殼抗干擾原理一樣,利用了金屬的靜電屏蔽原理,并且屏蔽網是接地的,從而保證內部信號線路不受干擾信號影響。同時,由于屏蔽網層的面積比較大,能夠充分利用高頻電流的集膚效應,因此十分有效地屏蔽了高頻電波的干擾,保證了視頻信號在電纜中傳輸的穩定性。

2.3.2 使用光纖作為傳輸信道

視頻監控的傳輸方式分為視頻基帶傳輸、光纖傳輸、網絡傳輸、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,電磁場對其沒有任何影響,而且光纖本身結構是玻璃纖維,有強大的耐腐蝕性、耐水性、耐油性等優異的物理性能,因此光纖是工業場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,防護能力很強,在光纖通信中,只要不是遇到物理損傷 (例如挖機掘斷、大型汽車扯斷等),信號的傳遞根本不會受到任何影響。

2.3.3 浪涌保護器應用

信號線中的各類干擾信號聚集、電力線纜串入信號線纜、雷電等原因都會使線路存在瞬時過高電壓,這類電壓必須限制在設備所能承受的電壓范圍內,否則就會損壞設備甚至傷害操作人員。浪涌保護器能夠將強大的瞬時高壓電流泄入大地,從而保護設備不受電流沖擊而損壞,有效防止了干擾信號電流聚集、靜電聚集等強大干擾電流對信號線路和設備的影響。尤其在無線監控系統中,雷電是最大的威脅,除了浪涌保護器外,還必須安裝避雷針,以保證系統穩定安全運行。

2.3.4 rs485云臺控制線上的抗干擾設計

rs485控制信號的傳輸采用差分傳輸方式,具有一定的抗共模干擾能力,但是工業現場的環境十分復雜,各個節點間有很高的共模電壓,當共模電壓超過 rs485接收器的極限電壓時,就會使其無法正常工作,甚至燒毀芯片。對此,通過 DC/DC轉換器將系統電源和 rs485的電源進行光耦隔離,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 論

綜合以上多種抗干擾方式,可以看出,不同的設備、不同的環境下,抗干擾的手段也是不盡相同的,但是萬變不離其宗,在對干擾信號尋求抑制方法的工作中,本文總結了干擾信號的特征,將其分為 3類:輻射干擾 (如屏蔽網所屏蔽的高頻干擾電波)、傳導型干擾 (如濾波器所抑制的干擾信號)、能量型干擾 (雷擊、靜電放電等浪涌電流干擾)。對于不同的干擾信號的抑制,有不同的針對手段。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換為光纖傳輸,改變了傳輸信號本身的性質和質量,從而達到抗干擾的目的。也有的找出干擾信號與有用信號的區別,如鐵氧體磁環、饋通濾波器,利用了干擾信號的高頻的性質,達到了抗干擾的目的。只有認真分析干擾來源、類型、性質,并和有用信號加以區別、對比,才能夠找出防止干擾的有效方法。

現在包鋼集團巴潤礦業有限公司已經采取了這些方法,在重要的崗位、惡劣工作環境、大型設備周圍布置監控系統。監控畫面已經不存在各種干擾現象,畫面質量保持優質、高清。我廠調度對監控設備進行實時觀察,對設備運行狀態進行分析、總結設備故障經驗;對惡劣工作環境采取無人值守,減少了事故發生次數,為我公司節約了大量的人力、物力。

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2011-05-04)

董自清 (1963-),男,內蒙古包頭人,高級工程師,從事自動化技術及設備管理工作,Email:dzq@byebbr.com.cn。