楼宇智能化系统：闭路电视监控结构

闭路电视监控系统的组成如图3-1所示。

图3-1　闭路电视监控系统的组成

前端系统是指监控线缆前端连接的设备部分，主要指的是监控系统的现场设备。现场设备主要包括摄像机、镜头、护罩、支架、立杆、变压器、电源、拾音器、云台、解码器、光端机、防雷器、接地体、信号放大器、抗干扰器等。

摄像机和镜头是前端系统，也是闭路电视监控系统的核心和必选设备，其余设备为配套设备。一般的，固定摄像机需要配置镜头，有的半球摄像机可以自配镜头，在其余的情况下配有镜头；每个摄像机均需要配置护罩和支架，主要分为室内和室外两种类型；立杆是户外摄像机需要配置的，应根据现场情况决定是否配置（一般需要定做，并采用路灯灯杆的工艺制作）；变压器和电源是必须配置的，如果是220V AC工作的摄像机可以不配置变压器；拾音器在大多数情况下不配置，在有特别应用和需求的场合需要配置，用来监听现场的声音；云台和解码器为过渡性的产品，已逐渐被高速球形摄像机所取代。在投资有限的情况下，它们配置在需要摄像机转动的场所，有云台必定有解码器。光端机用于摄像机图像信号传输距离较长或者不便于采用视频线传输的环境，有1、2、4、8、16、32路等多种规格；防雷器和接地体用于雷电多发地区的室外公共场所，如小区、工厂、高速公路等；信号放大器用于没有采用光端机传输但视频衰减比较厉害的摄像机，用于放大视频信号，可以增加摄像机图像信号的传输距离；抗干扰器用于摄像机信号干扰严重的场所，如有强电、强磁场、变频电机干扰的场所。

本节主要讲解摄像机的分类和相关技术，其余设备在其他章节讲解。在大部分情况下，拾音器、云台、解码器、光端机、防雷器、接地体、信号放大器、抗干扰器属于可选设备，根据项目的实际情况选用。

1．摄像机的主要分类

摄像机（Camera）是闭路监控电视系统的核心设备，采用光电转换技术进行成像，其主要由镜头、芯片、机板、电源系统、外壳、辅助设备等组成。

市面上的摄像机种类繁多，没有统一的分类方法，本书对摄像机从多个角度进行分类，以方便读者对摄像机能够有一个深刻的了解。

图3-2　摄像机按成像芯片分类

1）按成像芯片划分

摄像机按照成像芯片划分，可分为CCD摄像机和DPS摄像机，如图3-2所示。

目前应用最广泛的就是CCD摄像机，DPS是个新兴的技术，目前应用比较少，本书所描述的摄像机多为CCD摄像机。

CCD是Charge Coupled Device的缩写，即电荷耦合组件，是指一系列摄像机组件，此组件可将光线转变成电荷，并可将电荷存储及转移，且能令储藏之电荷取出，使电压发生变化。它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动、抗磁场等优点，是代替摄像管传感器的新型器件。CCD摄影机所使用的CCD可分为2/3″、1/2″、1/3″、1/4″等尺寸类别。

图3-3　摄像机按颜色划分

2）按颜色划分

摄像机按颜色划分，可分为黑白摄像机和彩色摄像机两种。由于目前彩色摄像机的价格与黑白摄像机相差不多，故大多采用彩色摄像机，如图3-3所示。

3）按图像信号处理方式划分

摄像机按图像信号处理方式划分可分为普通单机型，镜头需要另配；机板型，摄像机部件和镜头全部在一块印制电路板上；针孔形，带针孔镜头的微型摄像机；球形，是将摄像机、镜头、防护罩或者云台和解码器组合在一起的球形或半球形摄像机前端系统，使用较方便。

4）按分辨率划分

摄像机按分辨率划分，可分为如下几种：

（1）影像像素在25万左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率为400线左右的低档型；

（2）影像像素在25万～38万、彩色分辨率为420线、黑白分辨率为500线上下的中档型；

（3）影像像素在38万以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率为600线以上的高分辨率型。

5）按灵敏度划分

摄像机按灵敏度划分，可分为如下几种：

（1）普通型：正常工作所需照度为1～3lx；

（2）月光型：正常工作所需照度为0.1lx左右；

（3）星光型：正常工作所需照度为0.01lx以下；

（4）红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。

6）按管径划分

摄像机按管径划分，可分为1in、2/3in、1/2in、1/3in、1/4in等几种。目前1/2in摄像机所占比例急剧下降，1/3in摄像机占据主导地位，1/4in摄像机将会被广泛应用。各种英寸靶面的高、宽尺寸如表3-1所示。

表3-1　CCD摄像机靶面的高、宽尺寸

2．镜头

1）镜头的概念

镜头是视频监控系统中必不可少的部件，它与CCD摄像机配合，可以将远距离目标成像在摄像机的CCD靶面上。镜头的质量（指标）优劣直接影响着摄像机的整机指标。镜头的分类如表3-2所示。

表3-2　镜头的分类

2）镜头相关技术介绍

（1）摄像机的规格。摄像机中CCD的规格影响着观察视角，这和镜头的选用密切相关，在使用相同镜头的条件下，CCD越小，所获取的视角就越小。对镜头的规格参数提出的要求是其所成图像能将CCD全部覆盖。应使用和摄像机同一规格的镜头或比摄像机规格大的镜头。这也意味着1/3in规格的摄像机可以使用1/3～1in的整个范围的镜头，该摄像机配置1/3in×8mm的镜头同2/3in×8mm的镜头所获取的观察视角是一样的，只是由于使用后一种镜头时更多地利用了成型更精确的镜头中心光路，所以其可提供较好的图像质量和较高的分辨率。

（2）摄像机的焦距。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，则视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体的分辨率不高；焦距数值大，则视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即使距离很远的物体也可以被看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是一个大的观测范围重要。如需要看细节，就选择长焦距镜头；如果需要看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜镜头。(www.chuimin.cn)

（3）摄像机的光圈值。光圈值即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上都标有光圈值的最大值。例如，6mm/F1.4代表最大孔径为4.29mm。光通量与F值的平方成反比，F值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等，其规律是前一个标值时曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。也就是说，镜头的通光孔径分别是1/1.4、1/2、1/2.8、1/4、1/5.6、1/8、1/11、1/16、1/22，前一数值是后一数值的倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。

本地传输系统相对远程传输系统而言，早期的闭路监控电视系统的规模比较小，主要限于本地传输，不会牵涉异地联网或者大型联网，传输相对简单。本地传输是指限于地理位置，而在一定范围内的传输，大部分情况下传输距离不会超过3 000m。

随着科学技术的进步和网络技术的发展，监控系统的传输不仅仅限于传统的模拟传输，而主要依靠同轴电缆进行传输，相对比较复杂。在本章将分为两大块进行描述，即线路传输系统和抗干扰技术。

1．线路传输系统

线路传输系统按照传输方法主要分为模拟传输线路（以同轴电缆传输为核心）和网络传输线路（以网络传输为核心）。

1）模拟传输线路

模拟传输线路的主要特点：摄像机类型是模拟摄像机，线路接口是模拟BNC接口，传输方式包括同轴电缆传输、双绞线传输、光纤传输、无线传输和射频传输。

（1）同轴电缆传输。同轴电缆传输是应用最早、最常见，也是目前主流的传输技术，摄像机和后端设备均直接支持同轴电缆连接，不需要额外的转换器。同轴电缆截面的圆心为导体，外用聚乙烯同心圆状绝缘体覆盖，再外面是金属编织物的屏蔽层，最外层为聚乙烯封皮。同轴电缆对外界电磁波和静电场具有屏蔽作用，导体截面面积越大，传输损耗越小，可以将视频信号传送更长的距离。

同轴电缆的信号是以“束缚场”方式传输的，就是说把信号电磁场“束缚”在外屏蔽层内表面和芯线外表面之间的介质空间内，与外界空间没有直接电磁交换或“耦合”关系，所以同轴电缆是具有优异屏蔽性能的传输线。同轴电缆属于超带宽传输线，应用范围一般为0Hz～2GHz。它又是唯一可以不用传输设备也能直接传输视频信号的线缆。

（2）双绞线传输。双绞线传输由双绞线和双绞线收发器组成。双绞线基带是用5类以上的双绞线，利用平衡传输和差分放大原理来传输信号的。双绞线传输是特性阻抗为100Ω的平衡传输方式。目前绝大多数前端的摄像机和后端的视频设备都是单极性、75Ω匹配连接的，所以采用双绞线传输方式，必须在前后端进行“单—双”（平衡—不平衡）转换和电缆特性阻抗为75~100Ω的匹配转换。这就是说，视频双绞线基带传输的两端必须有转换设备，不能像同轴电缆那样无设备直接传输视频信号。

与同轴电缆“束缚场”传输的原理不同，双绞线传输的信号电磁场是“空间开放场”，双绞线传输利用两条线传输的信号相等，方向相反，产生的空间电磁场互相“抵消”的原理来传输信号，并采用平衡差分放大原理提高共模抑制比，抑制外部干扰。

（3）光纤传输。光纤传输由光缆和光端机组成。常用的光缆传输是“视频对射频调幅，射频对光信号调幅”的调制解调传输系统。该技术源于远程通信系统，技术的成熟程度很高，在单路、多路，单向、双向，音频、视频、控制，模拟、数字等方面，光纤传输技术都是远距离传输的最有效的方式，传输效果也较好。光纤传输适于几千米到几十千米以上的距离视频传输，如高速公路、城市道路监控等。

（4）无线传输。无线传输主要由无线收发器组成，不需要线缆传输。在布线有限制或者已经不具备布线条件的环境中，近距离的无线传输是最方便的。无线视频传输由发射机和接收机组成，每对发射机和接收机有相同的频率，可以传输彩色和黑白视频信号，并可以有声音通道。无线传输的设备体积小，质量轻，一般采用直供电。另外由于无线传输具有一定的穿透性且不需要布设视频电缆，其也常用于电视监控系统，一般常用于公安、铁路、医院、临时建筑、变电站等场所。

值得注意的是，现在常用的无线传输设备采用2 400MHz频率，传输范围有限，一般只能传输200～300m。而大功率设备又有可能干扰正常的无线电通信。

（5）射频传输。射频传输方式继承了有线电视成熟的射频调制解调传输技术，并结合监控实际开发了一系列的相关产品。

射频传输是用视频基带信号，对几十兆赫到几百兆赫的射频载波调幅，形成一个8Hz射频调幅波带宽的“频道”。沿用有线电视技术，在46～800MHz范围内可以划分许多个8Hz“频道”，每一路视频调幅波占一个频道，多个频道信号通过混合器变成一路射频信号输出、传输，在传输末端再用分配器按频道数量分成多路，然后由每一路的调制器选出自己的频道，解调出相应的一路视频信号输出。传输主线路是一条电缆，多路信号共用一条射频电缆，这就是目前安防行业里的“共揽”“一线通”等射频传输产品。

2）网络传输线路

网络传输线路的主要特点：摄像机类型是网络摄像机（也有采用视频服务器或编解码器进行网络传输的，可以采用模拟摄像机），摄像机的线缆接口是RJ-45网络接口，可以通过局域网、广域网进行传输。总之，计算机可以连通的网络都可以进行网络摄像机信号传输。

2．抗干扰技术

1）视频干扰的主要表现形式

闭路电视监控系统在不同的环境、不同的安装条件下和不同的施工人员的操作下，由于线路、电气环境的不同，或施工人员的疏忽，容易出现各种不同的干扰。这些干扰会通过传输线缆进入闭路电视监控系统，造成视频图像质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等现象，直接影响整个系统的质量。

视频干扰的主要表现形式有以下5种：

（1）在监视器的画面上出现一条黑杠或白杠，并且向上或向下滚动，也就是所谓的50Hz工频干扰。这种干扰多半是由于前端与控制中心两个设备的接地不当引起的电位差，形成环路进入系统，也有可能是由设备本身的电源性能下降引起的。

（2）图像有雪花噪点。这类干扰主要是由传输线上信号衰减以及耦合了高频干扰所致。

（3）视频图像有重影，或图像发白、字符抖动，或在监视器的画面上产生若干条间距相等的竖条干扰。这是由视频传输线或者设备之间的特性阻抗不是75Ω而导致阻抗不匹配造成的。

（4）斜纹干扰、跳动干扰、电源干扰。这些干扰的出现，轻微时不会淹没正常的图像，而严重时图像扭曲无法观看。这种故障现象产生的原因较多，也较复杂，比如视频传输线的质量不好，特别是屏蔽性能差，或者是供电系统的电源有杂波，还有就是系统附件有很强的感染源。

（5）大面积网纹干扰，也称单频干扰。这种现象主要是由视频电缆线的芯线与屏蔽网短路、断路造成的故障，或者是由BNC接头接触不良所致。

2）视频干扰的干扰源

工程中的干扰可以概括为以下3类：

（1）源干扰。视频信号源内部，包括电源产生的干扰。

（2）终端干扰。终端设备，包括设备电源产生的干扰，这种干扰能对输入的无干扰视频信号加入新的干扰。

（3）传输干扰。传输过程中通过传输线缆引入的干扰，主要是电磁波干扰，包括地电位干扰。

源干扰和终端干扰尽管在工程中也常遇到，但都属于设备本身的问题，不属于工程抗干扰范畴，在此不予讨论，而主要讨论传输干扰。在视频传输的过程中产生的干扰主要来自以下4个方面：

①空间辐射干扰。此干扰是由传输线引入的。这种干扰现象的产生，主要是因为在传输系统、系统前端或中心控制室附近有较强的、频率较高的空间辐射源。解决办法：一个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；另一个办法是当无法避开辐射源时，对前端及中心设备加强屏蔽，对传输线的管路采用钢管保护并使其良好接地。

②接地干扰。因前端设备的“地”与控制室设备的“地”相对“电网地”的电位不同，即两处接地相对“电网地”的电势差不同，则通过电源在摄像机与控制设备之间形成电源回路，视频电缆屏蔽层又是接地的，这样50Hz的工频干扰进入矩阵、硬盘录像机或画面处理器，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，即切断地环回路。值得一提的是，由于同轴电缆过长，中间免不了有接头，如有接头处理不好，屏蔽网碰到金属线槽也会产生此类干扰，因此在处理时也要注意此种情况。

③电源干扰。此种干扰是由供电系统的电源不“洁净”所引起的。这里所说的电源不“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，其多来自本电网中使用晶闸管的设备，特别是大电流、高电压的晶闸管设备，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”。针对这种情况的解决方法比较简单，只要对整个系统采用净化电源或在线UPS供电即可。

④阻抗不匹配。其是指由传输的特性阻抗不匹配所引起的故障现象。这是由于视频传输线的特性阻抗不是75Ω或者设备本身的特性阻抗不是75Ω而导致阻抗失配。对于此类干扰，应尽量使系统内各设备阻抗匹配。