Волоконно-оптическая система видеонаблюдения

ВВЕДЕНИЕ
Монтаж:
Монтаж волоконно-оптических линий связи на сегодняшний день считается наиболее перспективным направлением создания мощной проводной системы передачи данных. Организация комплексной сети организации с помощью монтажа волоконно-оптической кабельной системы позволяет обеспечить правильную и бесперебойную работу сети. Эта современная технология пользуется популярностью среди крупных предприятий, а в последнее время вызывает интерес и у владельцев частных домовладений.
Тестирование:
Волоконно-оптические линии связи – самый современный вид передачи данных на значительные расстояния. Он осуществляется по каналу из оптического материала, передавая свет при помощи полного внутреннего отражения. Чтобы обеспечить высокую надежность и бесперебойность работы системы, проводится тестирование волоконно-оптической кабельной системы перед запуском. Этот обязательный этап позволяет оценить уровень соответствия новой сети техническим требованиям. Важность тестирования сопряжена с возросшими требованиями к скорости и пропускной способности сети в связи с увеличением количества абонентов.
Предварительный контроль входящей в строй линии волоконно-оптического кабеля и компонентов кабельной системы повышает гарантию предотвращения аварий, упрощает плановые (профилактические) ремонтные работы и дает возможность уверенно действовать в критических ситуациях.
1. СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ НА ВОЛОКОННОЙ ОПТИКЕ
Системы видеонаблюдения и охранной сигнализации на волоконной оптике с каждым годом получают все более широкое распространение. Этому способствуют ряд факторов. Во-первых, все большее число пользователей убеждаются в преимуществах оптических систем. Во-вторых, методы монтажа оптической кабельной системы постоянно совершенствуются, так что время, необходимое для ее установки и модернизации, неуклонно сокращается. Кроме того, постоянно расширяется выбор компонентной базы, в том числе отечественного производства.
1.1. Актуальность задачи организации волоконно-оптической системы видеонаблюдения
1.1.1. Необходимость передачи большого объема информации
В системах охраны используются видеокамеры с высоким разрешением. Это обусловлено необходимостью быстрой и однозначной идентификации ситуации. Так, например, при распознавании номера автотранспортного средства, маркировки груза и т.п. В системах технологического контроля и автоматизации особенности современного производственного цикла накладывают свои специфические требования. Кроме того возникает потребность организации видеоконференций, передачи служебной видеоинформации и т.п. Как следствие, существенно возрастают объемы передаваемой и обрабатываемой информации. Это приводит к необходимости использования волоконных световодов в качестве среды передачи информации как обеспечивающие максимальную пропускную способность.
1.1.2. Максимальна дальность передачи информации
На протяженных объектах с большим периодом наблюдения, объектах, требующих удаленного наблюдения, также используется оптический кабель. Волоконные световоды обеспечивают самый низкий уровень потерь передаваемого сигнала. Дальность передачи составляет несколько десятком километров, что не достижимо для других типов кабелей.
1.1.3. Защищенность от электромагнитных помех
В отличие от электрических кабелей волоконно-оптическая система не требует специальных мер защиты от электромагнитных помех природного и техногенного характера.
1.1.4. Защищенность от несанкционированного доступа
Волоконная оптика обеспечивает защиту передаваемых данных на физическом уровне. Однако узлы коммутации оптических кабелей должны быть защищены как от несанкционированного доступа, так и от неблагоприятных воздействий окружающей среды.
1.1.5. Запас по ресурсам
Волоконно-оптическая кабельная система благодаря высокой пропускной способности, низкому уровню потерь, высокой степени надежности (срок службы от 25 лет) удовлетворяет требованиям не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. При возрастании требований в системе видеоконтроля достаточно заменить приемо-передающее оборудование и можно передавать больший объем информации по уже имеющемуся кабелю. Кроме того разработаны и применяются как стандартные устройства, позволяющие передавать по одному световоду различные оптические сигналы, например, с использованием спектрального уплотнения.
1.1.6. Удобство сопряжения с информационными системами другого назначения
Волоконно-оптические каналы используются в магистральных линиях компьютерных сетей, телефонии и сетях других применений. Системы охраны должны иметь выделенные каналы передачи сигналов. Это могут быть выделенные световоды в составе многожильных оптических кабелей. Таким образом, оптические системы видеонаблюдения могут иметь общие сегменты кабельной сети с системами другого назначения в рамках информационной инфраструктуры предприятия.

1.1.7. Возможность интеграции с полностью оптическими пассивными системами мониторинга
В последнее время большое внимание уделяется полностью оптическим системам контроля, построенных на принципе пассивных оптических устройств. Примером могут служить рефлектометрические распределенные сенсорные системы, позволяющие регистрировать механические воздействия, вибрации, температуру и т.д. Чувствительным элементом является собственно волоконный световод оптического кабеля, проложенного в грунт, вмонтированного в грозотрос и т.п. Идентификация объекта воздействия осуществляется по характеру частотной характеристики или временной зависимости сигнала. Дополнение данных, полученных в таких системах, видеосопровождением в перспективе может дать исчерпывающую информацию.
На сегодняшний день видеонаблюдение играет важную роль в обеспечении круглосуточной охраны практически каждого объекта, будь то большое предприятие или частная собственность.
Оно позволяет держать под контролем практически любой уголок на территории охраняемого объекта. Видео с каждой камеры поступает на отдельный экран и записывается на индивидуальный носитель, что позволяет просматривать только интересующий момент, не отвлекаясь на остальные кадры.
Современные камеры видеонаблюдения могут устанавливаться практически везде: и внутри любого объекта, и снаружи него. Это позволяет вести охрану со всех сторон, что снижает риск совершения преступных действий. На предприятиях таким способом можно контролировать работу всех сотрудников, что повышает дисциплину и производительность.
1.2. Требования к системам передачи видеоинформации
1.2.1. Классификация систем по передаче движущихся изображений
Преимущества применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) очевидны. Разумеется, сигнал с камер видеонаблюдения, особенно мегапиксельных с IP-выходом, в рамках комплексных охранных систем как наиболее объемный, целесообразно передавать по ВОЛС. Однако при реальном проектировании и построении ВОЛС существует немало тонкостей. Проектировщикам систем видеонаблюдения известно, что в связи с потерями во время прохождения сигнала по сети разрешающая способность системы будет ухудшаться от блока к блоку. Поэтому нужно выбирать камеры с разрешением выше или таким же, как и у видеорегистратора (ни в коем случае не ниже!). Монитор, наоборот, рекомендуется выбирать с разрешением не выше, чем у видеорегистратора.Потери в передающем тракте снижает и контраст видеоизображения, особенно важный при работе при низкой освещенности (контраст - количество градаций яркости (полутонов), которыми будет прорисован объект).При этом если речь идет об удаленном наблюдателе, расположенном в нескольких километрах или десятках километрах от видеокамер и пункта наблюдения с установленным видеорегистратором или сервером, то влияние передающего тракта на сигнал может быть значительным. Обсуждению ряда актуальных и ранее малообсуждаемых вопросов построения передающих оптических сетей посвящена эта статья.
При передаче движущихся изображений определены пять классов качества:
Телевидение высокой четкости (HDTV)
Цифровое телевидение студийного качества
Текущее телевидение радиовещательного качества
Телевидение качества видеомагнитофона
Качество видеоконференций на низких скоростях
Под качеством HDTV понимается формат с высоким разрешением и высокой скоростью кадров, который является форматом изображения 1920 пикселей в строке 1080 строк в кадре, отображаемого на скорости 60 кадров в секунду.
Кодирование цифрового телевидения для студий определено ITU в рекомендации CCIR-601 и соответствует кадру с 525 или 625 строками, в каждой из которых имеет место приблизительно 860 выборок для световых составляющих и 430 выборок для цветовых составляющих сигнала. Схема сканирования чередуется. Скорость передачи кадров –25 или 30 в секунду. Каждый пиксель кодируется 24 битами.
Для телевидения радиовещательного качества используется либо стандарт системы цветного телевидения NTSC, который требует скорости передачи 30 кадров в секунду и вертикальное разрешение 525 строк, или стандарта PAL / SECAM, который требует скорости 25 кадров в секунду и 625 строк вертикального разрешения.
Телевидение качества видеомагнитофона соответствует качеству, наблюдаемому при записи программы приведенного выше качества на видеомагнитофон потребителя (VCR) с качеством домашней видеосистемы VHS. Результирующее разрешение получается приблизительно равным половине PAL или SECAM телевидения радиовещательного качества.
Видеоконференции на низких скоростях, для которых используется скорость 128 Кбит/с , соответствующая двум каналам ISDH, обеспечивает пространственное разрешение 352 пикселей в строке и 288 строк в кадре. При этом скорость передачи кадров находится в пределах от5 до 10 кадров в секунду. Такой формат называется общим промежуточным форматом (CIF – common intermediate format).

1.2.2. Скорость передачи данных для видеосистем
Одним из основных параметров, определяющим качество передачи для сжатого (главным образом) и несжатого видеосигнала служит скорость передачи данных (пропускная способность) линии.

Таблица 1. Скорости передачи данных (пропускная способность) для видеосистем.
Качество видео Характеристики Скорость передачи
HDTV
Несжатый 60 fps, 24 бит/пиксель 2 Гбит/с
Сжатый
20 – 34 Мбит/с
Студийный
Несжатый 25 fps, 24 бит/пиксель 166 Мбст/c
Широковещательный

MPEG-2 3 – 6 Мбит/с
Видеомагнитофон VCR

MPEG-1, DVI 1,2 Мбит/с
Видеоконференция


112 бит/с

MPEG (moving pictures expert group) – набор стандартов для передачи сжатого изображения

.
Общее описание ВОЛС
В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света как основного источника информации. Свет гораздо проще передать на дальние расстояния с меньшими потерями, чем электрический ток. Кроме того, он значительно меньше подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. Оптические линии сами не являются источниками электрических шумов.

По оптоволокну происходит передача электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, соответствующего частотам 1014-1015 Гц, что обеспечивает очень высокую пропускную способность и быстродействие.
Высокая помехозащищенность ВОЛС обусловлена тем, что в природе и промышленности фактически отсутствуют источники электрического и магнитного поля напряженности, которые способны изменить условия распространения светового импульса в оптоволокне. Помимо этого чаще всего оптические кабели не содержат металлических элементов, поэтому проблем, связанных с разностью потенциалов этажей и зданий, с блуждающими токами в почве и т. п., не возникает. Волоконно-оптические системы имеют почти полную электрическую изоляцию, не страшатся повышенной влажности, не требуют оборудования, защищающего их от утечек, пробоев и короткого замыкания. Полупроводниковые приемники и передатчики света обладают достаточно высокой стабильностью.
Известно, что с наименьшими потерями свет распространяется по воздуху и в стекле. Например, современные волокна имеют затухание, равное 0,2 дБ /км, что дает на длине 100 м затухание 0,02дБ. На этой же длине современный высококачественный электрический симметричный кабель имеет затухание около 20 дБ, т. е. в 1000 раз большее.
Изначально ВОЛС применялись в военно-промышленном комплексе. Всем современным успехам ВОЛС обязаны активному развитию вооружений в середине и в конце прошлого века. Невосприимчивость ВОЛС к электромагнитным наводкам и высокая скорость передачи информации обусловили их применение в системах связи между контрольно-измерительными и командными комплексами, в состав которых входили ЭВМ. По зарубежным данным 80-х гг., около 5000 отдельных ВОЛС общей длиной 150 км между компьютерами использовались в составе командного комплекса ракетной системы МХ, обеспечивая передачу информации со скоростью 3,2 Мбит/с [1].
Разумеется по ВОЛС невозможно передать напряжение питания для устройств, работающих по технологии PoE, для ВОЛС применяется сложное и дорогое активное оптоэлектронное оборудование, технология производства оптических кабелей и трансиверов сложнее и дороже, работа с ВОЛС обуславливает повышенные требования к квалификации и культуре производственного персонала. При работе с ВОЛС необходимо принимать во внимание старение оптоволокна под действием влаги и жесткого гамма-излучения.
Структурная схема волоконо-оптической линии связи приведена на рис. 1.

Рис.1
Оптический передатчик (optical transmitter) и оптический приемник (optical reciever) выделены пунктирной линией. В точке 1 световой сигнал возникает, в точке 2 световой сигнал исчезает.
При этом передатчик и приемник объединяют конструктивно в одно устройство - приемопередатчик или трансивер (transciever), - имееющее два оптических адаптера для присоединения двух оптоволокон. Именно поэтому сетевая карточка компьютера имеет на выходе адаптер для двух оптоволокон: по одному свет входит в карточку, по другому выходит из нее.
На схеме обозначены:
ИИ - источник информации
ПК - преобразователь кода
И - излучатель света
СУ - согласующее устройство (оптическое)
К - коннектор оптический
ВОК - волоконно-оптический кабель
ОМ - оптическая муфта кабеля
ФД - фотодиод
РС - регенератор сигала
ПИ - приемник информации
Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь, интерпретирует свет как информацию.
Электрический сигнал поступает на вход оптического передатчика и модулирует интенсивность выходного сигнала излучателя.
Оптический сигнал распространяется по волоконному световоду и поступает на вход оптического приемника, который осуществляет его демодуляцию и восстанавливает исходный электрический сигнал.
Для обеспечения нормальной эксплуатации оптический передатчик и приемник снабжаются розетками оптических разъемов.
Расстояния между трансиверами на оптической линии находятся в обратно пропорциональной зависимости от скорости передачи информации (рис. 2).
-156210952500


Рис.2
На рисунке приведена зависимость расстояния, на которое передается информция от скорости ее передачи при использовании кабеля с потерями 2,7 дБ/км и светоизлучающего диода с длиной волны излучения 0,84 мкм и спектральной шириной линии 0,03 мкм:
1 - световод со ступенчатым профилем
2 - световод с градиентным профилем
Уменьшение затухания в кабеле и усовершенствование системы ввода приводит к увеличению длины передачи. Необходимо правильное соединение фотоприемника со световодом, сводящее до минимума потери на отражение, например с использованием "просветляющего" слоя между торцом светодиода и окном фотоприемника.
Оптоэлектронные приборы для ВОЛС
Построение ВОЛС в современном виде стало возможно благодаря колоссальному прорыву в развитии полупроводниковой оптоэлектроники начиная с 60-х гг. прошлого века.
Если говорить об источниках светового излучения, то необходимо отметить создание полупроводниковых лазеров поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором. Это длинноволновые VCSEL-лазеры (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), являющиеся прекрасной альтернативой более дорогостоящим традиционным торцевым (edge-emitting) лазерам Фабри-Перо и лазерам с распределенной обратной связью (Distributed Feed Back - DFB).
Лазеры DFB и Фабри-Перо часто требуют специальных оптических элементов (coupling) для ввода в волокно формируемого ими луча с эллиптическим профилем и широкой диаграммой направленности (wide divergence), что усложняет сборку оптических систем и увеличивает их стоимость.
Полупроводниковые лазеры VCSEL формируют луч с узкой диаграммой направленности (low divergence) и симметричным профилем.
Лазер VCSEL имеет резонатор, расположенный перпендикулярно плоскости подложки, это облегчает тестирование лазеров в процессе производства, а в результате снижается стоимость их сборки. В настоящее время его себестоимость составляет около $2.
В 80-е гг. Томский НИИПП разработал серию светодиодов для диапазона 0, 85 мкм и 1,3 мкм в корпусах, представляющих розетку унифицированного оптического разъема. Эти диоды характеризуются быстродействием 8-15 нс, прямые токи - до 50 мА, высокую линейность ватт-амперной характеристики, диаметр излучающей площадки - 200 мкм, вводимую в оптическое волокно мощность - 0,02-0,5 Вт.
Физико-технический институт им. Иоффе разработал одномодовые и многомодовые лазеры с длиной волны 1,3 мкм с высокой мощностью при небольших токах накачки с малой шириной огибающей спектра. Для одномодовых лазеров вводимая в оптоволокно мощность составляла 0,5-10 мВт при токах накачки 30-250 мА и ширине огибающей спектра 10-15 нм. Многомодовые лазеры с длиной волны излучения 1,3 мкм обеспечивали вводимую мощность излучения до 50 мВт при токах накачки до 600 мА.
Для применения в рефлектометрах разработаны быстродействующие пикосекундные лазеры с длиной волны 0,8 мкм и 1,3 мкм, обеспечивающие длительность импульса излучения 6-30 пс при мощности излучения до 500 мВт. Созданный в ФИАН одномодовый лазер с длиной волны 1,3 мкм обеспечивал мощность излучения, вводимую в оптический модуль оптоволокна 1,5 мВт при рабочем токе 80 мА. Модуль имел плоскую конструкцию, малые размеры, обеспечивал вывод излучения через отрезок одномодового оптоволокна [2].
Наиболее часто применяемым полупроводниковым материалом для источников света для ВОЛС является твердый раствор Ga 1-x Al x As, перекрывающий диапазон излучения 0,63-0,94 мкм. Полупроводниковые светоизлучающие диоды на основ Ga 1-x Al x As обладают, как правило, небольшой мощностью излучения, позволяющей вводить в волокно оптическую мощность до 1мВт и в зависимости от состава имеют ширину линии излучения 2540 нм и срок службы 10 5 - 10 6 часов. Полупроводниковые лазеры с двойной гетероструктурой на основе арсенида галлия генерируют излучение в диапазоне длин волн 0,83-0,94 мкм. Смещение полосы необходимо, чтобы длина волны излучения лазера не совпадала с полосой поглощения гидроксильной группы OH световода [3].
Серьезным недостатком полупроводниковых лазеров (и не только отечественных) является малая наработка на отказ (долговечность) и деградация характеристик - снижение мощности в процессе эксплуатации.
Если говорить о приемниках оптического излучения - фотодиодах, то технология их производства была также отточена в рамках ВПК. Головным институтом по разработке фотоприемников являлся НИИ прикладной физики (НИИПФ). Эпитаксиальные структуры для фотоприемников по заказу НИИПФ выращивали в "Гиредмете" Минцветмета [2].
Обычно в волоконно-оптических линиях связи в качестве фотоприемников используются лавинные и p-i-n фотодиоды. Фотоприемники для ВОЛС должны быть широкополосными, иметь высокое значение произведения ширины полосы на коэффициент лавинного умножения, иметь низкий уровень избыточного шума (для ЛД), быть быстродействующими, иметь малую емкость, малый темновой ток, быть стабильными к внешним воздействиям, иметь максимальную чувствительность на длине волны излучателя и большой срок службы, а также обеспечивать возможность согласования с последующим каскадом усилителя.
Выполнение этих противоречивых требований позволило создать серию фотодиодов в корпусах, удобных для соединения с ВОЛС со следующими параметрами:
- кремниевые p-i-n фотодиоды - токовая чувствительность 0,4-0,5 А/Вт, длины волн - 0,85 мкм, быстродействие - 1-10 нс, темновой ток - 2-10 нА при рабочем напряжении 5В (24 В);
- p-i-n фотодиоды на основе гетероструктур InGaAsP/InP с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, токовой чувствительностью 0,6-0,9 А/Вт, быстродействием 0,07-0,3 нс, темновым током 0,1-5 нА при рабочем напряжении 5-10 В;
- германиевые лавинные фотодиоды с рабочими длинами волн 1,3 мкм и 1,55 мкм с токовой чувствительностью 6014 А/Вт, плотностью шумового тока (5-10) 10-12 А/Гц -1/2, быстродействием 0,1-0.6 нс, емкостью 0,6-2 пФ при рабочем напряжении 30-100 В;
- фотоприемные устройства с p-i-n FET с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, полосой пропускания 170-700МГц, чувствительностью от -36 до 43 дБм.
Итак, к началу 90-х гг