高铁线路高清长焦激光摄像机关键技术指标

0 引言
随着我国高速铁路的快速发展，安全问题日益成为人们关注的焦点。

由于夜间能见度低、视线较差，如何保证沿线、交通枢纽视频监控画面的清晰度成为新的挑战。

当前，高铁沿线已开始批量安装实时监控摄像头，但绝大多数难以实现夜间安全防范目的，为更有效地实现昼夜监视必须采用先进的夜视技术。

目前常规红外LED夜视摄像头的有效观察范围不足100 m，要想实现铁路沿线无缝覆盖，整个系统安装数量非常庞大，布线非常复杂，工程量也是巨大的，而且对于后期维护也增加了难度。

根据铁路实际必须探讨更合适的夜间监控技术，才能保证夜间监控视频的效果，同时降低工程施工量和长期投入。

红外激光主动照明成像技术近年来发展迅速，由于其电光效率高、功耗低、远距离照明成像效果好，在高速公路、水库湖泊、城市高点、边海防、森林防火领域已有大批量应用，最远可达到3 km的作用距离，获得市场广泛认可。

铁路系统已有少量应用，也取得了较好效果。

针对铁路特殊需求，中国铁路总公司（简称总公司）《关于发布设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知》（铁总建设［2016］18号，简称18号文），要求时速200 km及以上铁路区间线路视频监控设备，采用监视距离不小于1.5 km的激光摄
高铁线路高清长焦激光摄像机
关键技术指标
于 格：中关村轨道交通视频与安全产业技术联盟，副秘书长，北京，100044
张超岳：北京和普威视科技股份有限公司，技术总监，北京，100080
田长超：北京和普威视科技股份有限公司，行业总监，北京，100080
摘 要：根据中国铁路总公司要求，时速200 km
及以上铁路区间线路视频监控设备，采用监视距
离不小于1.5 km的激光摄像机，实现覆盖路基、
路基和桥梁结合部以及长度6 km以上桥梁等区
段，且满足24 h监控要求。

为更有效地实现昼夜
监视必须采用先进的夜视技术。

结合铁路应用特
殊环境以及激光摄像机的自身特点，提出高铁线
路用高清长焦激光摄像机的关键技术指标，为铁
路视频监控建设提供参考，同时可助于用户选到
高品质的激光摄像机。

关键词：铁路；视频监控；高清；长焦；激光摄
像机；镜头；枪式摄像机；激光照明器；云台
中图分类号：U298 文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2016）11-0054-06
像机，实现覆盖路基、路基和桥梁结合部以及长度6 km 以上桥梁等区段，且满足24 h监控要求[1]。

根据总公司要求，结合铁路应用特殊环境以及激光摄像机的自身特点，中关村轨道交通视频与安全产业技术联盟提出高铁线路用高清长焦激光摄像机的关键性技术指标，为铁路视频监控建设提供参考，同时有助于用户选到高品质的激光摄像机。

1 高清长焦激光摄像机组成
高清长焦激光摄像机主要由成像镜头、CMOS/CCD 枪式摄像机、激光照明器、云台、护罩等主要部分组成。

同红外LED照明类似，属于主动红外夜视设备。

夜间工作时，自动开启激光照明器，发射红外激光照射目标，成像镜头收集反射光后成像在CMOS/CCD靶面上，光电转换后经过一系列图像处理，输出视频图像。

护罩主要用于保护整个光电系统，云台可以承载光电系统水平、俯仰转台，以增大观测范围。

2 百万高清枪式摄像机
（1）传感器类型：与最长焦距500 mm（含）～最长焦距1 000 mm镜头匹配的枪式摄像机靶面尺寸≥1/2英寸CMOS/CCD；与最长焦距500 mm以下镜头匹配的枪式摄像机靶面尺寸≥1/3英寸CMOS/CCD。

目前主流高清枪式摄像机主要以CMOS为主，但也有CCD，所以2种传感器类型均可选。

500 mm以下的镜头有部分只支持1/3英寸靶面，因此指标≥1/3英寸。

（2）主码流分辨率及帧率≥25帧/s（1 920×1 080）。

（3）传感器总像素≥200万像素。

上述（2）、（3）主要是分辨率水平，18号文要求不低于1 920×1 080[1]，也即200万像素，这也是目前全高清摄像机的主流指标，虽然也有300万、500万甚至800万（4K）像素水平的摄像机，而且成本也不高，但综合考虑低照度性能、可匹配的高清长焦镜头、画面质量、传输带宽等因素，200万是最佳选择。

（4）日夜模式：自动红外截止滤光片（IR-CUT）电磁式切换。

摄像机昼间彩色状态，夜间黑白状态能感应红外激光，因此要求必须具有切换IR-CUT滤光片的功能。

（5）聚焦模式：自动后焦调节（Auto Back Focus，ABF）。

长焦镜头与摄像机安装调节时，对于200万高清摄像机来说，传感器靶面必须严格定位在镜头后焦点±0.1 mm内，才能清晰成像。

但在远程运输以及上塔安装过程中，难免会有较大的冲击振动，造成靶面偏移影响清晰度，因此自动后焦调节功能可远程重新自动调节后焦，避免塔上重新调试，以降低施工和维护成本。

（6）主要功能：包括电子透雾、强光抑制、电子防抖、数字降噪、超低照度、宽动态、防红外过曝等。

基本上是主流摄像机的必备功能，特别是电子透雾、电子防抖和数字降噪，对于长焦镜头摄像机远距离监控来说，是非常有用的功能，虽然不能达到理想情况，但在实际应用中能够发挥一定作用。

（7）视频格式：H.265，兼容H.264。

经过实际测试，H.265格式所需传输带宽明显要比H.264小，最高能低一半左右，并且对后台计算机的处理能力要求并不像通常想像中那么高，因此推荐H.265格式。

但考虑到一些扩容和升级项目，原有的后台存储、解码显示等设备可能还只支持H.264，因此保留要兼容H.264，并且目前主流H.265技术的摄像机也都同时具有H.264的功能，所以在实际中并不影响项目的实施。

（8）多码流功能：主码流≥25帧/s（1 920×1 080）；辅码流≥25帧/s（1 280×720）。

（9）信噪比≥55 dB。

3 百万高清长焦镜头
3.1 监视距离与镜头焦距
（1）监视距离2 000 m：镜头焦距≥1 000 mm，倍数不低于50倍；
（2）监视距离1 500 m：镜头焦距≥750 mm，倍数不低于30倍；
（3）监视距离1 000 m：镜头焦距≥500 mm，倍数不低于25倍；
（4）监视距离500 m：镜头焦距≥200 mm，倍数不低于20倍。

18号文要求，“如遇到弯道、障碍物等特殊要求，视频覆盖范围需视现场情况补强”[1]，因此以上各监视距离对镜头的要求，不仅列出文件中明确要求的1.5 km 监视距离和750 mm镜头的参数，还列出了500～2 000 m 的要求。

镜头焦距主要考虑实际测试与理论计算得出，
倍数主要考虑目前市面上主流镜头厂家的参数。

以750 mm镜头为列，结合理论计算与实际环境计算出作用距离，目标观察等级与像素数关系（采用国际军用Johnson准则，按100%概率计算）见表1。

Johnson实验使用8辆军车和1个站立的人，得出上述观察等级准则，是目前国际上常用的军用光电设备评判准则。

表1中所需线对数在模拟摄像时代即为所要求的可分辨条带对数，所需像素数为目前光电成像系统的参数，每个线对对应2个像素。

根据Johnson实验，像素数是指目标的较小尺寸方向对应的大小，所以是指站立人的宽度和车辆的高度。

根据多次实测经验，若要较好地看清楚一个人的行为，必须要达到Johnson准则的最高等级，因此要求人员目标至少在CCD或CMOS传感器上成像占到（25.6±6.0）个像素。

为了保险起见，在此取最大值25.6+6=31.6个像素。

即要求人员站立时宽度方向（肩宽约0.5 m）至少要在CCD或CMOS传感器靶面上占到31.6个像素。

几何光学成像示意见图1。

H 、V 分别为目标水平和垂直方向尺寸，D 为目标与
镜头之间的距离，f 为镜头焦距，h 、v 分别为目标在传感器靶面上所成像的水平和垂直方向尺寸，则根据几何
光学三角形公式有：
H
= h
D f ， （1）变换后，则有：
D = H
f
h 。

（2）
式（2）为计算作用距离的理论公式，只要知道目标
大小、镜头焦距、成像大小，就可以计算作用距离。

选取1 920×1 080，200万像素摄像机，根据摄像机靶面大小约为1/2英寸，计算可得像素尺寸约为4 μm×4 μm。

计算要看清人员目标时，其在靶面成像的水平尺寸最小为31.6×4 μm=126.4 μm=0.126 4 mm。

可见光镜头最大焦距如果为750 mm，将目标大小
H =0.5 m（正常人的肩宽）、镜头焦距 f =750 mm、所成
像的大小 h =0.126 4 mm代入式（2），可得：
D =H
f
=0.5× 750 =2 966 m。

（3）
h
0.126 4
因此，若要较好地观察人员，镜头最大焦距750 mm 的作用距离理论值为2 966 m，即约为3 km。

但以上仅为理论值，即必须在极好的昼间天气条件下才能达到。

要想达到理论数值，根据多年实测经验，必须要求气象能见度在10 km以上，能见度越高观察效果越好。

国际能见度（气象视距）与大气衰减系数见表2。

考虑在实际应用中，我国当前雾霾较严重，城市一
般多数情况都在能见度1 000 m以下，野外较好，但也很难常年保持在10 km以上的能见度，特别是南方雨水较多，一般为1～4 km。

而且夜间雾霾对激光散射有影响，产生干扰光，难以达到理论作用距离。

不仅是雾霾，还有空气流动的影响。

由于高清相机
像素尺寸过小，特别是在远距离观察时，光路较长，受
表1 目标观察等级与像素数关系
图1 几何光学成像示意图
表2 国际能见度（气象视距）与大气衰减系数
H
V
2ω
镜头
CCD传感器
h
v
D
f
大气湍流影响也较重，感觉目标像水波纹一样在漂，实际应用中，像元分辨能力很难达到摄像机4 μm的理论值，因此通常考虑一定的分辨力降低，根据实测经验并结合理论计算，推荐750 mm实际应用中的作用距离为1.5～2.0 km。

18号文中要求“1.5 km监视距离的镜头焦距要不小于750 mm”，已充分考虑了我国的实际应用环境。

 
3.2 镜头分辨率
镜头分辨率≥200万像素。

光电成像系统的总分辨率不仅与CMOS/CCD摄像机的像素有关，镜头的分辨率也同等重要，因此镜头分辨率也必须达到200万高清，光电系统的分辨率才能达到高清水平。

长焦距大变倍比的镜头做到200万像素并不容易，主流厂家也刚推出产品不久，其价格相对标清镜头高出许多，镜头占据了整个激光摄像机系统50%以上的成本。

因此在实际项目实施过程中，一定要严格把控该指标。

3.3 镜头功能
（1）全焦段需具有光学红外校正功能，保证同一画面内可见光与红外激光成像焦点自动调节，始终保证图像清晰。

红外校正功能对于激光摄像机至关重要，因为常规镜头对昼间彩色光成像焦点与晚上红外激光成像焦点并不一致，会造成对同一场景目标昼间聚焦清晰，夜间就不清晰，或者夜间聚焦清晰，昼间就不清晰了，特别是夜间有灯光照明和红外激光同时照明时，画面就完全达不到聚清状态，严重影响使用。

解决这一问题，必须采用红外校正功能的镜头，红外校正功能通常有2种实现方式，一种是光学红外校正方式，另一种是自动重调焦方式。

光学红外校正的镜头大量采用高性能的低色散玻璃和非球面来实现，成本提高，但由于采用完全的光学设计来实现，没有增加任何移动部件和波光部件，因此能充分利用可见光和红外激光，光利用率高，效果好，稳定性高。

自动重调焦方式的镜头，是在常规镜头上增加了运动的后调焦机构和可见光滤光镜，晚上开激光后，自动将后焦调节到红外激光的清晰点上，并同时切换滤光镜将可见光滤除，避免了灯光等可见光源对激光聚焦干扰，这种方式成本低，实现简单。

但由于增加后调焦运动部件和切换滤光镜，相对来说，稳定性降低，并且滤光镜将晚上可见光滤除，对于有可见光的地方，光能量利用率低。

（2）镜头成像焦点常年不受外界温差聚变的影响。

由于设备在野外使用，特别是北方地区，昼夜温差可达到20 ℃以上，一年温差可达到60 ℃以上。

由于成像镜头玻璃材料光学参数会受温度变化影响，20 ℃以上的变化会影响镜头成像焦点位置，会造成某些温度时成像不清晰，特别是中长焦，影响会更明显，因此要求镜头成像焦点应不受温差影响。

可以通过在护罩内增加温控装置保持内部温度在很小范围变化，不致影响焦点。

也可以通过更高级的光学设计来保证焦点一致，一般称为温度补偿功能（Temperature Correction System，TCS）。

（3）宜支持光学透雾功能，增强雾霾下图像清晰度（可选）。

光学透雾是镜头厂家经常宣传的卖点，其原理是通过可切换的滤光片在雾霾天气下将可见光滤除，只让近红外光透过，因为根据瑞利散射公式，空气及微粒子对光的散射强度与光的波长四次方成反比，就是波长越短的可见光（0.40～0.78 μm）比近红外光（0.8～1.0 μm）散射越厉害，也就是说近红外光对大气的透过率更高，因此可以获得更好的图像。

但实际上这是宣传的误导，因为瑞利散射只适用尺度小于波长十分之一的粒子，即尺度在0.05 μm以下，对于与波长相等或大于波长的粒子，瑞利散射不再适用，取而代之的是米氏散射公式，米氏散射随着粒子尺度加大，散射强度与波长相关性减弱，但并不是波长越长透过率越高，而是呈周期性振荡变化。

当粒子尺寸大于10倍波长时，振荡消失，完全与光波波长无关。

影响能见度的主要是霾和雾，形成霾微粒的尺度不统一，0.001～10 μm 均有，而形成雾的水滴微粒尺度在几微米至100 μm左右，根据瑞利散射和米氏散射公式，可以看出，雾对于光的散射主要是米氏散射，没有波长选择性，所以透雾是很难实现的。

而霾是瑞利散射和米氏散射均起作用，对波长有一定的选择性，因此这也是镜头可通过近红外滤光片增强图像的光学原理。

但同时也要注意到，所谓的镜头“透雾”实际上只是“透霾”，而且是粒子较小的霾。

另外，实践中也可以得出大概的经验值：即能见度2 km以上的天气，“透雾”镜头还有一定作用，而且能见度越高，“透雾”作用越大；能见度1 km以下的天气，“透雾”镜头基本上没有太大的作用，通过表2即可印证上述理论分析和实践结果，能见度2～10 km，其
实是霾在起作用，能见度1 km以下基本是雾的影响，而且雾通常是白色，这证明了其对光的散射没有波长选择性，所有波长的光散射强度一样，所以呈白色，而霾通常还会有不同的颜色，说明其对光的散射有一定的波长选择性。

综上所述，“透雾”镜头实际上是“透霾”镜头，从实践和理论分析来看，其作用是很有限的。

而且现在摄像机基本都有电子透雾功能，其效果也并不比镜头光学透雾效果差很多，在某些方面却更有优势，考虑成本及镜头稳定性，因此该功能并不建议是必须的，列为可选。

（4）自动光圈，直流（DC）或视频（VIDEO）驱动，电动变倍、聚焦，接口C/CS，感应红外激光波段不低于940 nm。

4 红外灯/激光照明器
（1）无红曝光波长范围：波长≥940 nm。

作为安防红外照明光源，可用近红外激光器的波长常用的为808 nm、940 nm、980 nm，硅基的CMOS/CCD传感器的灵敏度随着波长增大而下降，但人眼对808 nm为可见，称为红曝，即看起来是红色的光源，很容易当成红色信号，对于铁路运行来说是非常危险的，因此选择940 nm 作为光源，基本上人眼对940 nm的光感很弱，虽然能看到一点点红，但也绝不会当成红色信号。

980 nm虽然作为无红曝而言更好，但由于硅基的CMOS/CCD传感器对其感应非常低，要想获得远距离照明成像，需要几倍于940 nm光功率，从而带来设备体积、功耗、成本的成倍增加，非常不经济。

因此建议940 nm波长以上即可。

（2）光功率。

监视距离≥2 000 m：光功率≥20 W；监视距离≥1 500 m：光功率≥15 W；监视距离≥500 m： 光功率≥12 W；监视距离≥200 m： 光功率≥9 W。

（3）连续使用3年，光功率下降不大于15%。

激光功率数值与作用距离、照明角度、镜头透过率、镜头F值、大气衰减、目标反射率、CMOS/CCD传感器的灵敏度等相关，影响因素较多，计算也较复杂，而且不同厂家的配置也不一样，并没有一个统一标准，主要根据各厂家的实践值，并结合理论估算给出上述指标。

上述功率指标在理想情况下远高于基本的功率要求。

例如，1 500 m监视距离，光功率在10 W左右，也基本看不出图像的亮暗差别，因此给出“连续使用3年，光功率下降不大于15%”，完全不会影响使用。

（4）激光照明角度应连续变焦，且与高清摄像机同步变焦。

由于长焦镜头是可变焦的，视场角可大可小，因此要求激光照明角度也必须可大可小，这样才能够充分利用激光的能量，并且能够自动随着高清镜头同步变焦，减小后端用户的操作复杂度。

（5）激光发射器必须通过国际权威机构认证的激光安全检测，以保证激光发射器的安全性。

激光安全是用户比较关心的问题。

激光摄像机是近几年才出现的新产品，其所用的激光器经过一系列匀化处理后，除单色性仍符合激光特点，其余的如相干性、高准直性等已不具有激光的特点，已不是严格意义上的标准激光光源了。

但整机在激光警示、标识、保护等方面要做好防范，特别是安装调试时，一定要对施工人员做好培训，按照作业要求做好防护措施[2-3]。

5 云台（含解码器）
（1）云台载质量：采用最长焦距不低于500 mm镜头的无红曝高清激光摄像机的云台载质量≥50 kg；采用最长焦距小于500 mm镜头的无红曝高清激光摄像机的云台载质量≥30 kg。

500 mm以上镜头激光摄像主机一般在25 kg以内，500 mm以下镜头在15 kg以内，为保证长期稳定运转，将云台载质量定为50 kg和30 kg，基本是2倍于负载质量，由于云台是长期运动的机电部件，损耗较大，疲劳速度快，更高的冗余可有效延长使用寿命，降低故障率。

（2）水平范围：0°～360°连续旋转；旋转速度：水平≥（0.01°～15°）/s，垂直≥（0.01°～15°）/s。

水平360°连续旋转可更快速地定位目标，防止移动目标脱离视场。

目前重载云台的最高旋转速度为15°/s左右，过高的速度容易造成精度误差。

而且高精度民用安防用云台必须采用变速度，这样可以在长焦时间低速旋转，广角时高速旋转，始终保持画面扫描平顺。

（3）解码器：内置解码器，支持多种协议。

（4）预置位精度≤0.1°。

因为最长焦距时，视场角只有0.3°左右，保证调预置位时，目标不至于偏出视场，因此精度要求越小越好。

目前主流厂家的重载云台精度一般在0.1°以内，能够满足要求。

（5）俯仰角度变换范围：+45°～-45°。

一般的重载云台都做不到-90°，因此向下会存在一定盲区。

但一般50 kg重载云台都能向下到-45°，因此盲区范围很小，通常为安装高度的范围，如果再考虑成像镜头有一定的视场角，一般广角为15°～30°，因此盲区会更小，只有30 m以内。

一般增加一个红外球机即可。

18号文中也要求：“每个杆/塔下应安装一台红外球形摄像机， 监视激光摄像机在铁塔下区间线路侧覆盖的盲区。

”
（6）预置位≥255个。

（7）主要功能：支持镜头变倍聚焦、预置位与激光数字化随动变角度，具有自动巡航、断电记忆等功能。

6 一体化护罩
（1）防护等级：IP66。

（2）功能：全天候防护罩，一体化双视窗设计；带支撑杆、自动风扇、自动加热器、遮阳罩及不锈钢锁扣；雨刮器，可编程延时和停止（选配）。

野外用，防护等级必须满足IP66以上。

以上要求也是护罩必须具有的功能，才能保证在野外长时间稳定使用[4-6]。

7 接口与协议
（1）1路IP网络接口，不低于10M/100M自适应以太网口。

（2）防护罩外与云台的链接线缆插头采用航空防水插头，整机出线接口：1路RJ45和1路电源线。

（3）兼容TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、DDNS、RTP等多种协议，支持ONVIF协议。

8 环境适应性
（1）系统宜采用双电源滤波器、备用光圈驱动、交直流双模电源等冗余设计，增强系统可靠性、稳定性。

（2）工作温度。

北方：-40～55 ℃（低温启动时，预热时间低于5 min）；
南方：-10～65 ℃。

（3）供电AC/DC 24 V±20%，以适应铁路电源环境的宽幅电压波动。

（4）防护要求。

防浪涌：电源6 000 V，信号2 000 V；
抗风等级：不低于20 m/s。

（5）平均无故障时间（MTBF）：不低于50 000 h （不含激光器）。

以上环境适应性根据TB 10006《铁路运输通信设计规范》《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁总建设［2007］39号）、GB 50348《安全防范工程技术规范》等铁路和安防相关文件提出，以满足铁路环境应用的基本要求。

根据中关村轨道交通视频与安全产业技术联盟组织的综合测试结果[7]，不低于以上技术规格的高清长焦激光摄像机能满足18号文对铁路区间线路视频监控设备的要求[8-10]。

该结论目前仅供总公司相关部门、各铁路局和设计院参考，并根据总公司整体要求进行持续更新。

参考文献
[1] 铁总建设［2016］18号 关于发布设计时速200公里
及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准的通知[S].
[2] GB 7247.1—2012 激光产品的安全[S].
[3] IEC 60825-1—2007 Safety of Laser Products[S].
[4] GB 16796—2009 安全防范报警设备：安全要求和试
验方法[S].
[5] GB 4208—2008 外壳防护等级[S].
[6] GBT 15412—1994 应用电视摄像机云台通用技术条
件[S].
[7] 李春杰，吴云鹏. 高铁线路视频监控高清长焦激光
摄像机测试[J]. 中国铁路，2016(10)：81-85.
[8] TB 10006—2005 铁路运输通信设计规范[S].
[9] 铁总建设［2007］39号 铁路防雷、电磁兼容及接地
工程技术暂行规定[S].
[10] GB 50348 安全防范工程技术规范[S].
责任编辑 卢敏
收稿日期 2016-09-28。