水利工程图像监视系统抗干扰技术探讨

喻卓健,曾建英

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

随着各类水利工程自动化监控水平的不断提高,图像监视技术在水利工程建设中得到广泛应用。由于很多水利工程现场电磁环境比较复杂,容易形成各种干扰源,引发各种不同的干扰通过传输线缆和前端设备等处进入图像监视系统,造成视频图像质量下降、系统通讯控制失灵、运行不稳定等现象,直接影响到图像监视系统的工作质量。因此研究分析干扰源的性质,了解各种干扰对图像监视系统的影响方式,针对不同情况采取相应的措施解决干扰问题,对提高图像监视系统工程质量,确保系统的稳定运行非常重要。笔者依据相关原理并结合自身在工程实践中所遇到的实际干扰问题进行了初步的分析和研究,认为图像监视系统中的干扰类型主要分视频干扰、控制通信干扰和电源干扰3种。

2 视频干扰

视频干扰是图像监视系统中最主要也最容易发生的干扰类型。

2.1 视频干扰的主要现象

(1)图像画面出现向上或向下循环滚动的白条或黑条。

(2)图像有雪花噪点。

(3)图像显示的物体轮廓有重影、图像发白或字符抖动。

(4)图像画面上出现网纹干扰或斜纹干扰。

2.2 视频干扰原理简介

视频干扰形成原理的等效电路见图1。由图1可得Vab=Vo×75/(75×2+Rc+Rd)+Vi×75/(75×2+Rc+Rd)。

上式中第1项为负载获得的有效视频信号 Voh=Vo×75/(75×2+Rc+Rd),第2项为负载获得的有效干扰信号Vih=Vi×75/(75×2+Rc+Rd)。

当电缆很短时,内外导体电阻可以忽略,Rc+Rd=0。这时,有效视频信号 Voh=Vo×75/(75×2+0)=Vo×75/(75×2)=Vo/2=1Vp-p;干扰感应电动势Vi正比于(Rc+Rd),此时 Vi=0,Vih=0。

干扰信号Vi是由电缆纵向分布参数(阻抗或电阻)决定的,不是一个集中的点信号源,它串联在视频信号传输回路中,负载在取得摄像机视频信号的同时,也必然取得干扰信号。干扰的性质属于“加性干扰”,不管视频信号有没有,它始终存在。

从以上公式的分析说明,要消除干扰最主要的方法是尽可能感小干扰电动势。

图1 视频干扰形成等效电路图

2.3 视频干扰成因分析及解决方法

2.3.1 50 Hz工频干扰

50 Hz工频干扰主要引起上述第1种视频干扰现象,主要是由于前端设备的 “地”与控制室设备的“地”相对“电网地”的电位不同,即2处接地点相对电网 “地”的电势差不同,通过电源在摄像机与接收设备之间形成电源回路,视频电缆屏蔽层又是接地的,这样50 Hz的工频干扰进入设备,产生干扰。对于此类干扰,由于很难使各处的“地”电位与“电网地”的电位差完全相同,比较有效的方法是切断形成地环流的路径,采用切断地环回路的方法,在摄像机一端不接地并做好与安装支架的绝缘措施,这样可基本消除此干扰。

2.3.2 空间辐射干扰

空间辐射干扰主要引起上述第2种和第4种视频干扰现象,主要是由在传输电缆沿途、系统前端或中心控制设备附近有较强的、频率较高的空间辐射源,这种干扰轻微时不会淹没正常图像,但严重时会使图像扭曲以致无法观看。这种情况的解决办法是在系统建立时,应对周边环境有所了解,尽量设法避开或远离辐射源;当无法避开辐射源时,应对传输电缆、前端及中心设备采取加强屏蔽措施,例如采用钢管作为传输线的保护套管并良好接地,尽量采用光端机来传输视频信号及选用抗干扰性能较好的摄像机等方法。

2.3.3 阻抗不匹配干扰

阻抗不匹配干扰主要引起上述第3种视频干扰现象,主要是由于视频信号传输链路的特性阻抗不匹配引起,例如视频传输线的特性阻抗不是75 Ω或者是设备本身传输接口部件的特性阻抗不是75 Ω等原因,解决此类干扰的方法是应尽量使系统内各设备接口间阻抗匹配。

3 控制通信干扰

图像监视系统中的控制通信信号传输有2种实现技术,一种是同轴视控传输技术,是利用视频电缆同时传输来自摄像机的视频信号和对云台、镜头的控制指令信号;另一种是按照RS485接口总线标准单独配置通信电缆(双绞线)传输控制指令信号,RS485标准总线采用差分平衡传输模式,具有较强的抗电磁干扰能力;同轴视控传输技术虽然综合性能较好,但由于其对施工技术要求较高和实施成本等原因,所以实际应用不多,目前普遍采用的是RS485标准通信方式,这里说明的就是基于RS485标准通信的干扰现象及解决方法。

控制通信干扰的主要表现是控制设备对前端设备(云台、摄像机等)发出的PTZ指令得不到正确的动作响应,例如发出云台转动指令而云台不动,或未发出云台转动指令而云台乱动等;造成控制通信干扰的原因主要有3种。

(1)通信网络拓扑结构不合理,未按照总线型网络拓扑布线,成为事实上的星型拓扑结构,导致通信信号在传输过程中严重畸变。

(2)通信链路阻抗不匹配导致信号传输过程中反射增强,回波损耗增加,前端设备无法正确接收控制指令。

(3)静电感应引起噪声干扰,RS485标准通信采用双绞线传输对电磁感应噪声有较强的抑制能力,但对静电感应引起噪声的抑制能力较差。

因此控制通信抗干扰的主要解决方法是采用总线型网络拓扑结构布线;通信链路内的线缆和设备接口阻抗匹配;在高静电感应噪声环境中,传输线应选用屏蔽双绞线,双绞线的屏蔽层要正确接地,这里的 “地”是驱动总线逻辑门的 “地”,而非 “机壳地” 或 “保护地”。

4 电源干扰

电源干扰主要是由于供电系统的电源不“洁净”而引起的系统设备运行不稳定。这里所指的电源不“洁净”,是指在正常的电源上叠加有干扰信号。而这种电源上的干扰信号,多来自本电网中使用的大电流、高电压的可控硅设备,对电网的污染非常严重,这就导致了同一电网中的电源不“洁净”。例如本电网中有大功率可控硅调频调速装置,可控硅整流装置、可控硅交直流变换装置及大功率空调设备等等,都会对电源产生污染导致瞬时或短时图像严重变形失真等情况。

电源干扰的主要解决方法是加装稳压设备 (如UPS等)为图像监视系统供电,从而排除来自电网的干扰,这种方法比较简单有效;系统应尽量采用集中供电方式,即系统内所有设备电源都引自一处,这样相对于分布式供电方式可基本消除各处参考电位不等的情况并有利于系统维护。

5 结 语

综上所述,水利工程图像监视系统建设中应根据工程现场实际情况在设计和施工过程中全面考虑权衡并采取相应的抗干扰防范措施,以期从根本上解决各种干扰问题。