Помехи и искажения в видеонаблюдении

Как правило, искажения видеоизображения связаны с местом установки видеооборудования и возникают уже на первом этапе пуско-наладочных работ. Так, на крупных промышленных объектах с протяженными линиями связи избежать искажений изображения без применения специальных мер, обычно, сразу не удаётся. Искажения и помехи возникнут, если при проектировании системы не было уделено должного внимания вопросам электропитания, заземления и экранирования. Существуют некоторые другие причины и условия, при которых искажения возникают с высокой степенью вероятности.

На наш взгляд, самой распространённой причиной помех в системах видеонаблюдения являются «блуждающие» токи заземления. Физический принцип образования помехи крайне прост. Рассмотрим механизм образования помехи на системе наблюдения, состоящей из видеокамеры, линии связи на базе коаксиального кабеля и монитора. В данной системе реализуется несимметричная схема передачи видеосигнала, при которой оплётка кабеля выполняет функции второго проводника для передачи видеосигнала и высокочастотного экрана. Между тем в реальной системе видеонаблюдения, даже в простейшей, по оплётке кабеля будут протекать ещё и «блуждающие» токи промышленной частоты. 

В нашем случае причина появления «блуждающих» токов -  это разница потенциалов между удалённой видеокамерой и монитором, образованная за счёт протекания между их точками заземления токов различного мощного, промышленного оборудования, транспорта и т.д. Причём, видеокамера и монитор могут не иметь прямого электрического контакта с землёй, а соединяться с ней через ёмкости своих блоков питания. Таким образом, практически в любой видеосистеме образуется как минимум один «паразитный» контур заземления, при котором в цепи видеосигнала начинают протекать токи от различного промышленного оборудования, расположенного на объекте и прилегающей к нему территории. Подобные контуры заземления образуются как между удалённой камерой и приёмным оборудованием, так и между несколькими удалёнными камерами.

В результате сложения промышленных токов с видеосигналом на изображении возникают тёмные движущиеся тени, искажения, нарушается синхронизация, изменяются геометрические размеры объектов наблюдения. Разница потенциалов между точками заземления видеокамеры и приёмного оборудования на объекте может достигать десятков и сотен вольт уже при дистанции между ними в 300 - 500 метров. Влияние контуров заземления становится ещё заметнее с увеличением дистанции передачи изображения и уменьшением уровня видеосигнала. При особенно неудачном заземлении видеооборудования велика вероятность получения электрического удара током при подсоединении или отсоединении разъёмов линий связи.

Очевидно, что для устранения искажений необходимо разорвать все «паразитные» контуры заземления. Существует несколько способов устранения «блуждающих» токов по цепям заземления видеооборудования. Во-первых, применяются видеокамеры с изоляцией корпуса и разъёмов от заземлённого кожуха и кронштейна. Оплётка кабеля и разъём подключения к видеокамере должны быть тоже изолированы от земли. Но при питании камеры в удалённой точке от электросети 220В / 50 Гц всё равно образуется «паразитный» контур через ёмкости блока питания камеры и нулевого провода электросети. Поэтому более правильно передавать видеосигнал от камеры через гальваническую развязку. Наиболее распространены изолирующие видеотрансформаторы и оптоэлектронные развязки. 

Видеотрансформатор может устанавливаться как на передающей, так и на приёмной стороне линии связи. При таком включении видеооборудования протекание «блуждающих» токов промышленной частоты по оплётке кабеля исключается. Оптоэлектронная развязка действует аналогично, но требует источника электропитания. 

Теперь несколько слов о помехах, возникающих при отсутствии контуров заземления, но с механизмом формирования, практически, идентичным рассмотренному выше. Речь пойдёт о периодической импульсной помехе, распространяющейся по нулевому проводу электросети. Как правило, помеха возникает от импульсных источников питания промышленного оборудования. Тактовая частота источников - несколько десятков килогерц. Пути распространения импульсной помехи: ёмкости между обмотками трансформаторов блоков питания видеооборудования и цепи, связанные с нулевым проводом электросети. 

За последние годы широкое распространение получили цифровые системы обработки и регистрации видеосигнала на базе бытовых персональных компьютеров. Однако следует отметить, что на объектах в многоканальных системах на базе бытовых PC при длине линий связи уже в несколько десятков метров на изображении образуются помехи с широким спектром, источником которых являются конструкция и характеристики импульсного блока питания компьютера. Попутно следует отметить, что при замене цифрового регистратора на базе PC на аналогичный автономный «none PC», искажения существенно снижаются или устраняются полностью. Разница в конструкции и схемотехнике бытового компьютера и специализированного автономного регистратора даёт о себе знать. В любом случае искажения изображения устраняются путём подключения всех видеокамер к компьютеру через гальванические развязки.

Не менее распространённой причиной искажений изображения являются электромагнитные помехи и наводки на линии связи. Электрические провода линий связи (коаксиальный кабель или витая пара) характеризуются погонным сопротивлением и ёмкостью, ограничивающими максимальную дистанцию передачи видеосигнала. При выборе кабельной продукции следует отдавать предпочтение качественным отечественным изделиям. На промышленных объектах километры кабельных линий связи превращаются в гигантскую широкополосную антенну, принимающую электромагнитные помехи от различных источников, в том числе наводки от соседних кабелей и радиоизлучения. Так же следует учитывать то, что медная или алюминиевая оплётка коаксиального кабеля абсолютно не защищает широкополосный видеосигнал от низкочастотных промышленных наводок и помех. 

Синфазные помехи также отрицательно воздействуют на цепи питания видеооборудования. Поэтому на промышленных объектах длинные цепи питания постоянным током рекомендуется прокладывать в экране. Воздействие наведённых напряжений Е1 и Е2 на центральную жилу и оплётку кабеля, приводит к возникновению напряжения помехи ЕЗ, суммирующуюся с полезным видеосигналом. Значение ЕЗ зависит от величины наведённых помех Е1 и Е2, параметров линии связи и множества других факторов. Синфазные помехи присутствуют в любой системе видеонаблюдения, как правило не вызывая существенных искажений изображения. Другое дело, когда результат их воздействия становится неприемлемым с точки зрения качества результирующего видеоизображения, и необходимо принимать меры, исключающие негативные явления.

Можно выделить следующие категории источников помех:

• промышленные установки и кабели питания;
• трансформаторные подстанции и высоковольтные линии;
• преобразователи и источники бесперебойного питания;
• электросварка;
• электротранспорт;
• передающие антенны и многие другие потребители электроэнергии.

Проявление синфазных помех на экране монитора зависит от мощности и частотного диапазона источников помех. Характер искажений свидетельствует о наличии промышленного оборудования со случайным импульсным потреблением электроэнергии. Часто на объектах имеется множество источников помех, и проложить линии передачи видеосигнала без синфазных помех на изображении оказывается невозможным. Радиочастотные наводки от близкорасположенных передающих антенн приводят к искажениям изображения и мерцанию картинки на экране монитора. 

Следует отметить, что значительно менее подвержены синфазным помехам симметричные линии передачи видеоизображения на основе экранированной витой пары и специальных приёмников и передатчиков видеосигнала. Применение экранированной витой пары позволяет на промышленном объекте получить максимальную дистанцию передачи изображения гораздо больше по сравнению с линией связи на основе коаксиального кабеля. Следует отметить, что максимальная дистанция передачи видеосигнала по коаксиальному кабелю ограничивается внешними помехами и наводками, а по витой паре - частотными потерями видеосигнала в линии связи.

Но универсальным средством, работающим как на симметричных, так и на несимметричных линиях и устраняющим «мусор» от воздействия синфазных помех служат специализированные широкополосные фильтры. Фильтр включается в разрыв любой двухпроводной линии связи и уменьшает искажения изображения до приемлемой величины, не внося при этом потери в видеосигнал.

Из рассмотренного можно сделать следующие выводы:

• в условиях промышленных объектов существуют разнообразные причины возникновения помех и искажений изображения;
• вероятность искажений повышается с увеличением протяжённости и количеством линий передач видеосигналов;
• наиболее типичными причинами образования помех являются «блуждающие» токи заземления и синфазные наводки.

 Основными доступными методами борьбы с помехами изображения являются:

• ​экранирование и заземление;
• фильтрация синфазных наводок по линиям передачи видеосигнала;
• фильтрация помех по цепям электропитания видеооборудования;
• разнесение и ориентация линий связи относительно силовых цепей и источников помех;
• выбор качественной кабельной продукции;
• использование симметричных проводных линий связи на основе витой пары;
• использование волоконно-оптических линий связи.