Системы цифрового видеонаблюдение при организации охранных структур на особо охраняемых объектов

Формула, связывающая освещенность на объекте и на матрице

Iimаge=Iscene*R/(n*F2) , где 
Iimаge - освещенность на ПЗС - матрице, 
Iscene - освещенность на объекте, 
R - коэффициент отражения объекта

F - светосила объектива.

Примерные значения коэффициентов отражения различных объектов.
Объект	Коэффициент отражения (%)
Снег	90
белая краска	75-90
Стекло	70
автостоянка с автомобилями	40
Кирпич	35
Бетон	25-30
трава, деревья	20
человеческое лицо	15-25

Единица измерения чувствительности - люкс. Значения минимальной освещенности на матрице и на объекте отличаются, как правило, больше, чем в 10 раз. Например, если указано, что минимальная освещенность на матрице равна 0,01 люкс, то это значит, что при объективе F1.4 минимальная освещенность объекта - 0,1 люкс.

По сравнению с человеческим глазом чувствительность монохромных ТВ камер существенно сдвинута в инфракрасную область. Это обстоятельство позволяет при недостаточной освещенности использовать специальные инфракрасные прожекторы. Инфракрасное излучение не видно человеческому глазу, но прекрасно фиксируется ТВ камерами на ПЗС.

Для цветных ТВ камер характерны значительно меньшая чувствительность по сравнению с монохромными и отсутствие чувствительности в инфракрасной области спектра. Чувствительность большинства современных монохромных ТВ камер - порядка 0.01 - 1 люкс (при F1.2). Наиболее чувствительные камеры могут использоваться для ночных наблюдений без ИК - подсветки. Для эффективной работы таких камер вполне достаточно лунного света.

 

 

 

 

Освещенность объектов.

На улице: безоблачный, солнечный день	100 000 люкс
солнечный день, с легкими облаками	70 000 люкс
пасмурный день	20 000 люкс
раннее утро	500 люкс
сумерки	4 люкс
ясная ночь, полная луна	0.2 люкс
ясная ночь, неполная луна	0.02 люкс
ночь, луна в облаках	0.007 люкс
ясная, безлунная ночь	0.001 люкс
безлунная ночь с легкими облаками	0.0007 люкс
темная, облачная ночь	0.00005 люкс
в помещении без окон	100 - 200 люкс
хорошо освещенные помещения, офисы	200 - 1000 люкс

Особого упоминания заслуживают сверхвысокочувствительные ТВ камеры, фактически, являющие собой комбинацию обычной ТВ камеры и прибора ночного видения (например, электронно-оптического преобразователя - ЭОП). Подобные камеры обладают не только чувствительностью во 100 - 10 000 раз выше обычных, но и уникальной капризностью: среднее время наработки на отказ составляет около одного года, причем камеры не следует включать днем. Рекомендуется даже закрывать их объектив, чтобы предохранить от выгорания катод ЭОП. Во время работы камеру необходимо регулярно чуть-чуть поворачивать, чтобы избежать "прожога " изображения. Для этого применяют специальные двух координатные устройства управления, которые постоянно перемещаются вверх- вниз, влево- вправо. Но если необходимо полностью скрытое видеонаблюдение, которое злоумышленник, экипированный ночными прицелами, не смог бы обнаружить, альтернативы ТВ камерам с ЭОП нет.

Отношение сигнал/шум

С чувствительностью тесно связан параметр "отношение сигнал / шум" (S/N = signal to noise). Эта величина измеряется в децибелах.

S/N =20*log (видеосигнал/шум)

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что амплитуда сигнала в 1000 раз больше шума. При параметрах сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума. При 40 дБ иногда заметны мелькающие точки, а при 30 дБ - "снег" по всему экрану, 20 дБ - изображение практически неприемлемо.

Часто чувствительность камеры указывают для "приемлемого сигнала", под которым подразумевается такой сигнал, при котором отношение сигнал/шум составляет 24 дБ это предельное значение отношения сигнал / шум, при котором изображение еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть.

 Другой способ определения "приемлемого" сигнала – шкала IRE (Institute of Rаdio Engineers). Полный видеосигнал 0,7 вольта принимается за 100 единиц IRE. "Приемлемым" считается сигнал около 30 IRE. Некоторые производители, например BURLE, “приемлемым” указывают сигнал 25 IRE, другие - 50 IRE.

Наибольшей чувствительностью среди ПЗС - матриц массового применения обладают Hyper-CAD матрицы Sony, имеющие микролинзу на каждой светочувствительной ячейке. Именно они применяются в большинстве ТВ камер высокого качества.

Среды передачи телевизионных сигналов

После считывания заряда с ПЗС матрицы и преобразования его в электрический сигнал, он должен пройти путь от видеокамеры до видеосервера. Путь этот может быть не близким, так как камеры могут располагаться за несколько километров от места концентрации видеоизображения. Также надо учитывать и электромагнитные помехи, которые также оказывают действие на видеосигнал, поэтому следует внимательно подойти к выбору среды передачи данных от видеокамеры к видеосерверу.

Каждый тип имеет свои ограничения по применению, что необходимо учитывать при проектировании схемы размещения компонентов системы. Максимально возможные расстояния между видеосервером и видеокамерами в зависимости от способа передачи видеосигнала можно посмотреть в таблице.

 

 

 

 

 

 

 

Тип кабеля	Длина линий связи без усилителя	Дополнительное оборудование	Примечание
Коаксиальный кабель	До 300 м	Не используется	Возможность возникновения токовых петель. Чувствительность к различным наводкам. Малая длина линий связи
Витая пара	До 1800 м	Передатчики и приемники сигнала по витой паре.	Отсутствие токовых петель. Высокая защищенность от помех Стоимость кабеля и монтажа ниже чем при использовании коаксиального кабеля
Оптоволокно многомодовое одномодовое	До 4 км многомодовое До 40 км одномодовое	Передатчики и приемники сигнала по оптоволокну.	Отсутствие токовых петель. Максимальная защищенность от наводок

Из всех перечисленных типов кабелей оптоволокно наилучшим образом подходит для использования в системах цифрового видеонаблюдения как при передаче сигнала от камер к концентратору, так и при объединении видеосерверов, рабочих мест операторов видеонаблюдения и серверов резервного копирования в единую компьютерную сеть. Поэтому стоит отдельно остановиться на достоинствах оптоволоконного кабеля, принципиальном устройстве оптоволокна и видах оптоволокна.

Преимущества волоконной оптики как передающей среды

1. Широкая полоса пропускания. Волоконная оптика теоретически может работать в диапазоне до 1 ТГц, однако используемый сейчас диапазон еще далек от этого предела, и коммуникационные возможности волоконной оптики только начинают развиваться, тогда как медный кабель уже исчерпал свои возможности.
2. Низкие потери. Маленькое уменьшение амплитуды сигнала при передаче больших пакетов информации на большие расстояния.
3. Нечувствительность к электромагнитным полям.
4. Малый вес.
5. Малый размер.
6. Безопасность.
7. Секретность.

Принципиальное устройство волокна

Оптическое волокно имеет два концентрических слоя: ядро (сердцевина) и оптическая оболочка. Внутренне ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оптическая оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутренне отражение света в ядро.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.

Свет заводится внутрь волокна под углом, большим критического, к границе ядро/оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться в границу. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Свет, падающий на границу под углом меньшим критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка не предназначена для переноса света, и свет быстро затухает.

Внутренне отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна.

Специфические особенности движения света вдоль волокна зависит от многих факторов, включая:

• Размер волокна.
• Состав волокна.
• Процесс инжекции света внутрь волокна.
• Классификация волокон.

Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам. Первый – материал, из которого сделано волокно:

• Стеклянное волокно имеет как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку.
• Стеклянное волокно с пластиковой оптической оболочкой (PSC).
• Пластические волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку.

Второй способ классификации основан на индексе преломления ядра и модовой структуре света. Есть три основные особенности волокон в соответствии с этой классификацией.

Первая особенность – различие входного и выходного импульса, это связано с затуханием его мощности. Вторая особенность - траектория лучей, возникающих при распространении света. Третья особенность – распределение значений показателей преломления в ядре и оптической оболочке для различных видов волокон.

Ниже приведены основные характеристики волокон со ступенчатым и со сглаженным импульсом.

Волокна со ступенчатым индексом

Многомодовое волокно со ступенчатым индексом – наиболее простой тип волокон. Оно имеет ядро с диаметром от 100-970 микрон, может быть чисто стеклянным, PSC или пластиковым. Поскольку свет испытывает отражение под различными углами, на различных траекториях в различных модах, длина пути, соответствующая различным модам, также отличается. Таким образом, различные лучи затрачивают разное время на прохождение одного и того же расстояния. Свет, попадающий в волокно в одно и тоже время, достигает противоположного конца в различные моменты времени. Световой импульс расплывается во времени, это называется модовой дисперсией. Это ограничивает возможную полосу пропускания оптических волокон, расплывание импульсов приводит к перекрыванию крыльев соседних импульсов. Вследствие этого трудно отличить один импульс от другого, в результате чего информация теряется.

Волокно со сглаженным импульсом

Одна из возможностей исключения модовой дисперсии - использование сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из большого числа концентрических колец. При удалении от центральной оси ядра показатель преломления каждого слоя снижается. Известно, что свет движется быстрее по среде с меньшим показателем преломления, поэтому, чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Каждый слой ядра отражает свет. В отличие от ситуации со ступенчатым профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и более плавно отражается от каждого слоя ядра. Лучи, которые проходят более длинные дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца одновременно. Использование сглаженного профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1нс/км.

 

 

Одномодовое оптоволокно

Другой путь уменьшения модовой дисперсии заключается в уменьшении диаметра ядра до тех пор, пока волокно не станет эффективно передавать только одну моду. Оно имеет чрезвычайно малый диаметр 5-10 микрон. Поскольку данное волокно переносит одну моду, модовая дисперсия в нем отсутствует. Одномодовое волокно позволяет достичь полосы пропускания от 50-100 ГГц на км. Особенностью распространения излучения в одномодовом режиме подчеркивает еще одно отличие одномодового волокна от многомодового. В одномодовом волокне излучение переносится не только внутри ядра, но и в оптической оболочке, в связи с этим, возникает дополнительные требования к переносу энергии в этом слое.