浅谈模拟视频监控的干扰抑制方法

董自清,卢一戈,王鹏飞,杨开营

(包钢集团巴润矿业有限责任公司, 内蒙古包头市 014080)

浅谈模拟视频监控的干扰抑制方法

董自清,卢一戈,王鹏飞,杨开营

(包钢集团巴润矿业有限责任公司, 内蒙古包头市 014080)

模拟视频监控系统架构简单、成本低、应用傻瓜、便于维护,成为实现工业自动化的主要手段。但是,工业现场苛刻、复杂多变的环境对于监控系统的长期稳定运作是个巨大的挑战。详细阐述了模拟监控系统抗电磁干扰的几种方法,如铁氧体磁环、滤波器、光纤的应用等,力求模拟视频监控系统能在工业领域中稳定完美运行。

模拟监控;抗电磁干扰;抗干扰方法;滤波器;光纤传输

1 模拟视频监控系统的组成

模拟监控系统的基本结构如图1所示。从抗干扰入手,把模拟监控系统分为如下几个部分,并分别阐述各自的抗干扰技术手段和设备组件。

图1 模拟监控系统的基本结构

(1)终端设备部分。工业现场安置的摄像头,这一类有枪机、半球、智能快速球等等。

(2)信号转换设备。监控信号的传递前需要对所传递信息作一些“加工”,以适应各种信号传输信道的情况,从而达到最佳传输质量。例如:长距离传输时,载波信号通过光纤收发器转换成光信号,进入光纤信道传输,从而避免了电信号长距离传输衰减大的问题;在某些无法架设或埋设线缆的场地中,如果使用无线网桥和天线,将信号转换成无线电波进行无线传输,将会方便很多。

(3)传输设施,如光纤、视频线、天线等。

(4)显示和存储设备。载波信号通过传输到达指挥中心后,调度室的显示和存储设备解析和释放信息,使中控人员得到直观的监控画面。

2 模拟监控系统的抗电磁干扰

2.1 终端设备上的抗干扰措施

2.1.1 铁氧体磁环

信号频率越高则越容易以电磁波形式辐射出去,工作中的摄像机会产生高频电磁波,而在摄像机附近没有屏蔽层的信号线无形中就成了这些高频电磁波的接收天线,接受周围杂乱的高频信号,当这些干扰信号叠加起来会大大影响线路里的原有信号,甚至会改变有用信号。铁氧体成分为 MnZn和NiZn,在高频作用下时有很高的磁导率、很高的电阻率、很低的损耗。高频的干扰信号通过铁氧体磁环时,高频信号的能量会被铁氧体磁环消耗掉,低频的有用信号则可以顺利通过,从而阻止了高频干扰信号通过。铁氧体磁环套在信号线上时,在磁环的作用下,由于正常信号是低频的信号,能够很好地通过,而线路接收到的高频干扰信号则被抑制。因此铁氧体磁环被越来越广泛地应用在各个领域,汽车、电脑、家用电器诸如此类许多电子产品内部线路中都有它的身影。在工业现场的摄像机内,成像镜头连接摄像机体的信号线上都会套有 1个铁氧气磁环,起磁干扰抑制作用,防止高频干扰信号影响设备运转和正常信号的传输。

2.1.2 抗干扰机壳

在保险柜、电梯或者其他金属外层的空间内,手机、收音机一般接收不到任何信号,这是因为金属具有一种特性——静电屏蔽。当外部电场产生变化时,金属内部的电子受外部电场影响而重新排列,新的电子排列会形成 1个相反的场,中和了外部电场,而使得金属内部的电场不变,如果金属外壳本身接地,无论外部电场如何变化,金属外壳及其内部空间的电场都一直保持为零。

监控摄像机置于 1个金属外壳内,金属保护外壳除了防水防尘的作用外,由于金属本身具有的静电屏蔽功能,加上金属外壳通过接地线接地,使金属内部的电场始终保持在零电位,因此能够保护内部摄像机不受外部电场的影响。甚至,一些特殊的摄像机外壳连玻璃都会加入了屏蔽金属丝,形成密闭的金属包覆,为内部空间提供零电场,彻底隔绝外部电场干扰,使保护更加严密。

2.2 信号转换设备上的抗干扰措施

2.2.1 放大器跟衰减器的组合应用

在视频监控前端,信号 A传输前先经过放大器,把有用信号放大M倍后变成MA后再进入传输线路,而后在传输过程中放大信号MA与线路接收到的干扰信号 B叠加,信号到达传输另一端后变成了MA+B,即放大的有用信号和干扰信号的叠加的信号,将这个信号送入衰减器缩小M倍,则解析出来新的信号A+B/M,B/M就是缩小M倍后的干扰信号,M的值越大,即放大倍数越大,B/M就会越小,干扰就会越小,新解析出来的信号 A+B/M就越接近初始信号A,当干扰小到可以忽略不计时,也就达到了抗干扰的目的。

这种抗干扰方法并不能彻底消除干扰,只是减弱了干扰,直至对有用信号不再造成损害。此方法本身从有用信号本身入手,并没有改变传输线路中接收干扰信号的量,因此,在对付一些“顽固”干扰信号时,比其他手段效果更好。

2.2.2 移频型抗干扰器

移频型抗干扰器对原始信号进行调频变换,改变信号的载波频率,使载波频率位于 1个不受干扰影响的频段,从而增强信号的抗干扰能力。一般移频型抗干扰器的调制频率为 38 MHz,在这个频段上最不容易收到干扰的影响。由于彻底改变了信号的载波频率,因此一般情况下这种方法能够彻底消除掉干扰信号。

2.2.3 低通滤波器的应用

滤波器的插入损耗大于 3 dB的频率点称为滤波器的截止频率,当频率超过截止频率时,滤波器就进入了阻带,在阻带,信号会受到较大的衰减。高频辐射电磁波进入线路形成高频干扰电流,设置好滤波器的截止频率大于有用信号的载波频率,而小于干扰信号的频率,这样高频的干扰信号就会在滤波器中衰减,从而达到抗干扰的目的。

当干扰频谱成分不同于有用信号的频带时,就可以用滤波器把干扰滤波除掉。对于信号线滤波器,当在UHF或更高频段内要获得更好的滤波效果,尤其在不影响屏蔽网使用的情形下,必须使用馈通滤波器。同铁氧体磁环一样,馈通滤波器能够有效地消除掉高频干扰。

2.2.4 光端机的应用

为了保证信号长距离传输不失真、衰减少、受到干扰小,不会受到任何电磁场的影响,因此在电气设备复杂的工业现场必须使用光纤才能得到最好的效果。不仅如此,光纤通信信号载体是光,不会受到电磁波的影响,而且光纤的轻便、耐水、耐腐蚀等特性使它在工业闭路电视系统中有着无与伦比的优势,因此,光端机也是监控系统中必不可少的设备,同时也扮演着抗干扰的角色。

不只是监控系统,在任何通信系统里信号转换设备都是必不可少的。原始信号带有完整的信息,但是未必适合在信道中传输,必须对原始信号进行“加工”甚至“加密”,在保证原始信号所携带的信息不受影响的前提下,使信号变得更加适合传输、衰减更小,抗干扰能力更强后,方能进入信道中传输,从而保证在接收端能够解析到正确的信号,达到信息传递的完整性和原始性。监控系统中,尤其是长距离传输中,信号的加工和信道的选择更为重要。

2.3 传输线上的抗干扰措施

2.3.1 信号线的屏蔽网

同轴电缆、模拟视频信号线的皮层都有一层由毛细铜丝构成的金属网层,同摄像机金属外壳抗干扰原理一样,利用了金属的静电屏蔽原理,并且屏蔽网是接地的,从而保证内部信号线路不受干扰信号影响。同时,由于屏蔽网层的面积比较大,能够充分利用高频电流的集肤效应,因此十分有效地屏蔽了高频电波的干扰,保证了视频信号在电缆中传输的稳定性。

2.3.2 使用光纤作为传输信道

视频监控的传输方式分为视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输、宽频共缆传输 6种传输方式。其中,光纤传输以光为载体传输信息,电磁场对其没有任何影响,而且光纤本身结构是玻璃纤维,有强大的耐腐蚀性、耐水性、耐油性等优异的物理性能,因此光纤是工业场合中最受欢迎的通信线缆。而且光缆本身有超厚度的 PVC保护,防护能力很强,在光纤通信中,只要不是遇到物理损伤 (例如挖机掘断、大型汽车扯断等),信号的传递根本不会受到任何影响。

2.3.3 浪涌保护器应用

信号线中的各类干扰信号聚集、电力线缆串入信号线缆、雷电等原因都会使线路存在瞬时过高电压,这类电压必须限制在设备所能承受的电压范围内,否则就会损坏设备甚至伤害操作人员。浪涌保护器能够将强大的瞬时高压电流泄入大地,从而保护设备不受电流冲击而损坏,有效防止了干扰信号电流聚集、静电聚集等强大干扰电流对信号线路和设备的影响。尤其在无线监控系统中,雷电是最大的威胁,除了浪涌保护器外,还必须安装避雷针,以保证系统稳定安全运行。

2.3.4 rs485云台控制线上的抗干扰设计

rs485控制信号的传输采用差分传输方式,具有一定的抗共模干扰能力,但是工业现场的环境十分复杂,各个节点间有很高的共模电压,当共模电压超过 rs485接收器的极限电压时,就会使其无法正常工作,甚至烧毁芯片。对此,通过 DC/DC转换器将系统电源和 rs485的电源进行光耦隔离,彻底消除共模电压的影响,并滤除接地回路和传导噪声引起的干扰,光耦隔离电路如图2所示。

图2 光耦隔离

3 结 论

综合以上多种抗干扰方式,可以看出,不同的设备、不同的环境下,抗干扰的手段也是不尽相同的,但是万变不离其宗,在对干扰信号寻求抑制方法的工作中,本文总结了干扰信号的特征,将其分为 3类:辐射干扰 (如屏蔽网所屏蔽的高频干扰电波)、传导型干扰 (如滤波器所抑制的干扰信号)、能量型干扰 (雷击、静电放电等浪涌电流干扰)。对于不同的干扰信号的抑制,有不同的针对手段。也有的从不同的地方入手,如移频型抗干扰器、放大器衰减器组合或者转换为光纤传输,改变了传输信号本身的性质和质量,从而达到抗干扰的目的。也有的找出干扰信号与有用信号的区别,如铁氧体磁环、馈通滤波器,利用了干扰信号的高频的性质,达到了抗干扰的目的。只有认真分析干扰来源、类型、性质,并和有用信号加以区别、对比,才能够找出防止干扰的有效方法。

现在包钢集团巴润矿业有限公司已经采取了这些方法,在重要的岗位、恶劣工作环境、大型设备周围布置监控系统。监控画面已经不存在各种干扰现象,画面质量保持优质、高清。我厂调度对监控设备进行实时观察,对设备运行状态进行分析、总结设备故障经验;对恶劣工作环境采取无人值守,减少了事故发生次数,为我公司节约了大量的人力、物力。

[1] 汪光华.视频监控系统应用[M].北京:中国政法大学出版社,2009.

[2] 张邦宁,魏安全,郭道省.通信抗干扰技术 [M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 冯海燕.视频监控网络的干扰源与抗干扰技术[N].电子报,2001-08-19(E04).

[4] 李孝评.基于滤波包络和小波脊算法的轨道移频信号提取[D].武汉:武汉科技大学,2008.

2011-05-04)

董自清 (1963-),男,内蒙古包头人,高级工程师,从事自动化技术及设备管理工作,Email:dzq@byebbr.com.cn。