喻卓健,曾建英

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

隨著各類水利工程自動(dòng)化監(jiān)控水平的不斷提高,圖像監(jiān)視技術(shù)在水利工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。由于很多水利工程現(xiàn)場電磁環(huán)境比較復(fù)雜,容易形成各種干擾源,引發(fā)各種不同的干擾通過傳輸線纜和前端設(shè)備等處進(jìn)入圖像監(jiān)視系統(tǒng),造成視頻圖像質(zhì)量下降、系統(tǒng)通訊控制失靈、運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象,直接影響到圖像監(jiān)視系統(tǒng)的工作質(zhì)量。因此研究分析干擾源的性質(zhì),了解各種干擾對(duì)圖像監(jiān)視系統(tǒng)的影響方式,針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的措施解決干擾問題,對(duì)提高圖像監(jiān)視系統(tǒng)工程質(zhì)量,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。筆者依據(jù)相關(guān)原理并結(jié)合自身在工程實(shí)踐中所遇到的實(shí)際干擾問題進(jìn)行了初步的分析和研究,認(rèn)為圖像監(jiān)視系統(tǒng)中的干擾類型主要分視頻干擾、控制通信干擾和電源干擾3種。

2 視頻干擾

視頻干擾是圖像監(jiān)視系統(tǒng)中最主要也最容易發(fā)生的干擾類型。

2.1 視頻干擾的主要現(xiàn)象

(1)圖像畫面出現(xiàn)向上或向下循環(huán)滾動(dòng)的白條或黑條。

(2)圖像有雪花噪點(diǎn)。

(3)圖像顯示的物體輪廓有重影、圖像發(fā)白或字符抖動(dòng)。

(4)圖像畫面上出現(xiàn)網(wǎng)紋干擾或斜紋干擾。

2.2 視頻干擾原理簡介

視頻干擾形成原理的等效電路見圖1。由圖1可得Vab=Vo×75/(75×2+Rc+Rd)+Vi×75/(75×2+Rc+Rd)。

上式中第1項(xiàng)為負(fù)載獲得的有效視頻信號(hào) Voh=Vo×75/(75×2+Rc+Rd),第2項(xiàng)為負(fù)載獲得的有效干擾信號(hào)Vih=Vi×75/(75×2+Rc+Rd)。

當(dāng)電纜很短時(shí),內(nèi)外導(dǎo)體電阻可以忽略,Rc+Rd=0。這時(shí),有效視頻信號(hào) Voh=Vo×75/(75×2+0)=Vo×75/(75×2)=Vo/2=1Vp-p;干擾感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Vi正比于(Rc+Rd),此時(shí) Vi=0,Vih=0。

干擾信號(hào)Vi是由電纜縱向分布參數(shù)(阻抗或電阻)決定的,不是一個(gè)集中的點(diǎn)信號(hào)源,它串聯(lián)在視頻信號(hào)傳輸回路中,負(fù)載在取得攝像機(jī)視頻信號(hào)的同時(shí),也必然取得干擾信號(hào)。干擾的性質(zhì)屬于“加性干擾”,不管視頻信號(hào)有沒有,它始終存在。

從以上公式的分析說明,要消除干擾最主要的方法是盡可能感小干擾電動(dòng)勢(shì)。

圖1 視頻干擾形成等效電路圖

2.3 視頻干擾成因分析及解決方法

2.3.1 50 Hz工頻干擾

50 Hz工頻干擾主要引起上述第1種視頻干擾現(xiàn)象,主要是由于前端設(shè)備的 “地”與控制室設(shè)備的“地”相對(duì)“電網(wǎng)地”的電位不同,即2處接地點(diǎn)相對(duì)電網(wǎng) “地”的電勢(shì)差不同,通過電源在攝像機(jī)與接收設(shè)備之間形成電源回路,視頻電纜屏蔽層又是接地的,這樣50 Hz的工頻干擾進(jìn)入設(shè)備,產(chǎn)生干擾。對(duì)于此類干擾,由于很難使各處的“地”電位與“電網(wǎng)地”的電位差完全相同,比較有效的方法是切斷形成地環(huán)流的路徑,采用切斷地環(huán)回路的方法,在攝像機(jī)一端不接地并做好與安裝支架的絕緣措施,這樣可基本消除此干擾。

2.3.2 空間輻射干擾

空間輻射干擾主要引起上述第2種和第4種視頻干擾現(xiàn)象,主要是由在傳輸電纜沿途、系統(tǒng)前端或中心控制設(shè)備附近有較強(qiáng)的、頻率較高的空間輻射源,這種干擾輕微時(shí)不會(huì)淹沒正常圖像,但嚴(yán)重時(shí)會(huì)使圖像扭曲以致無法觀看。這種情況的解決辦法是在系統(tǒng)建立時(shí),應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境有所了解,盡量設(shè)法避開或遠(yuǎn)離輻射源;當(dāng)無法避開輻射源時(shí),應(yīng)對(duì)傳輸電纜、前端及中心設(shè)備采取加強(qiáng)屏蔽措施,例如采用鋼管作為傳輸線的保護(hù)套管并良好接地,盡量采用光端機(jī)來傳輸視頻信號(hào)及選用抗干擾性能較好的攝像機(jī)等方法。

2.3.3 阻抗不匹配干擾

阻抗不匹配干擾主要引起上述第3種視頻干擾現(xiàn)象,主要是由于視頻信號(hào)傳輸鏈路的特性阻抗不匹配引起,例如視頻傳輸線的特性阻抗不是75 Ω或者是設(shè)備本身傳輸接口部件的特性阻抗不是75 Ω等原因,解決此類干擾的方法是應(yīng)盡量使系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備接口間阻抗匹配。

3 控制通信干擾

圖像監(jiān)視系統(tǒng)中的控制通信信號(hào)傳輸有2種實(shí)現(xiàn)技術(shù),一種是同軸視控傳輸技術(shù),是利用視頻電纜同時(shí)傳輸來自攝像機(jī)的視頻信號(hào)和對(duì)云臺(tái)、鏡頭的控制指令信號(hào);另一種是按照RS485接口總線標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)配置通信電纜(雙絞線)傳輸控制指令信號(hào),RS485標(biāo)準(zhǔn)總線采用差分平衡傳輸模式,具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力;同軸視控傳輸技術(shù)雖然綜合性能較好,但由于其對(duì)施工技術(shù)要求較高和實(shí)施成本等原因,所以實(shí)際應(yīng)用不多,目前普遍采用的是RS485標(biāo)準(zhǔn)通信方式,這里說明的就是基于RS485標(biāo)準(zhǔn)通信的干擾現(xiàn)象及解決方法。

控制通信干擾的主要表現(xiàn)是控制設(shè)備對(duì)前端設(shè)備(云臺(tái)、攝像機(jī)等)發(fā)出的PTZ指令得不到正確的動(dòng)作響應(yīng),例如發(fā)出云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)指令而云臺(tái)不動(dòng),或未發(fā)出云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)指令而云臺(tái)亂動(dòng)等;造成控制通信干擾的原因主要有3種。

(1)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不合理,未按照總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳季€,成為事實(shí)上的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),導(dǎo)致通信信號(hào)在傳輸過程中嚴(yán)重畸變。

(2)通信鏈路阻抗不匹配導(dǎo)致信號(hào)傳輸過程中反射增強(qiáng),回波損耗增加,前端設(shè)備無法正確接收控制指令。

(3)靜電感應(yīng)引起噪聲干擾,RS485標(biāo)準(zhǔn)通信采用雙絞線傳輸對(duì)電磁感應(yīng)噪聲有較強(qiáng)的抑制能力,但對(duì)靜電感應(yīng)引起噪聲的抑制能力較差。

因此控制通信抗干擾的主要解決方法是采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布線;通信鏈路內(nèi)的線纜和設(shè)備接口阻抗匹配;在高靜電感應(yīng)噪聲環(huán)境中,傳輸線應(yīng)選用屏蔽雙絞線,雙絞線的屏蔽層要正確接地,這里的 “地”是驅(qū)動(dòng)總線邏輯門的 “地”,而非 “機(jī)殼地” 或 “保護(hù)地”。

4 電源干擾

電源干擾主要是由于供電系統(tǒng)的電源不“潔凈”而引起的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定。這里所指的電源不“潔凈”,是指在正常的電源上疊加有干擾信號(hào)。而這種電源上的干擾信號(hào),多來自本電網(wǎng)中使用的大電流、高電壓的可控硅設(shè)備,對(duì)電網(wǎng)的污染非常嚴(yán)重,這就導(dǎo)致了同一電網(wǎng)中的電源不“潔凈”。例如本電網(wǎng)中有大功率可控硅調(diào)頻調(diào)速裝置,可控硅整流裝置、可控硅交直流變換裝置及大功率空調(diào)設(shè)備等等,都會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生污染導(dǎo)致瞬時(shí)或短時(shí)圖像嚴(yán)重變形失真等情況。

電源干擾的主要解決方法是加裝穩(wěn)壓設(shè)備 (如UPS等)為圖像監(jiān)視系統(tǒng)供電,從而排除來自電網(wǎng)的干擾,這種方法比較簡單有效;系統(tǒng)應(yīng)盡量采用集中供電方式,即系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備電源都引自一處,這樣相對(duì)于分布式供電方式可基本消除各處參考電位不等的情況并有利于系統(tǒng)維護(hù)。

5 結(jié) 語

綜上所述,水利工程圖像監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況在設(shè)計(jì)和施工過程中全面考慮權(quán)衡并采取相應(yīng)的抗干擾防范措施,以期從根本上解決各種干擾問題。