基于无线激光通信技术的视频监控系统

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科技信息
○科教前沿○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２０ 期
通过采样激光器工作的电流和电压， 再经过放大处理， 可以保证激光 器能在预先规定的工作环境和工作指标中工作， 从而为系统提供稳定 的直流偏置， 保护激光器不会因电流过大而损坏。
３．２ 信道编码 由于激光的传输媒质是大气， 大气中的自然现象 如雨、雪、雾， 以及 正 常 情 况 下 的 大 气 湍 流 都 会 对 激 光 信 号 产 生 影 响 ， 使信号脉冲展宽， 信噪比降低， 误码率增加。为了保证在任何天气条件 下 系 统 有 较 好 的 传 输 性 能 ， 在 该 系 统 中 加 入 了 ＲＳ（ １５， ９） 纠 错 码 技 术 ［４］， 这是一种差错控制编码技术， 可以纠正 ３ 个符号的错误。差错控制 编码的基本实现方法是由发送端的信道编码器在信息码元序列中增
３．实现的关键技术
基 于 无 线 激 光 通 信 技 术 的 视 频 监 控 系 统 能 实 现 高 速 率 、大 容 量 的
图 １ 无线激光视频监控系统
视频信息传输， 其实现的关键技术包括：
监控前端： 在现场关键部位安装相应的监控摄像机（ 彩色或黑白、 固定或活动云台、定焦或变焦） ， 可配备云台、防护罩及云台控制器等。 每 个 视 频 采 集 点 各 匹 配 一 台 视 频 服 务 器 。视 频 服 务 器 负 责 把 摄 像 机 的
４．系统传输的实验结果 在无线激光传输系统的发送端输入 ＰＰＭ 调制信号， 该信号被半
导 体 激 光 器 转 换 为 光 信 号 。光 信 号 经 大 气 传 输 到 达 接 收 端 后 由 光 探 测 器转换为电信号， 再经过放大判决之后恢复出调制信号。在实验中， 用 数字示波器的一个探头接系统发送端的 ＰＰＭ 调制信号， 另一个探头 接输出端， 可以在输出端得到输入 ＰＰＭ 调制信号， 如图 ４ 所示。示波 器显示屏的上半部分是系统输入的 ＰＰＭ 调制信号， 显示屏的下半部 分时经过无线激光系统传输后输出的信号。由图可以看到， 输出端的 信号和输入端的信号相同。
１．引言
包括发射天线和接收天线。发射天线的主要功能是压缩光束发散角，
视频监控作为安全防范系统的重要组成部分， 是集通信技术、网 络技术和图象处理技术为一体的综合系统。随着通信技术的发展， 视 频 监 控 传 输 方 式 经 历 了 有 线 传 输 和 无 线 传 输 两 种 方 式 。传 统 的 无 线 传
核心， 负责接收显示各站监控终端送来的视频监控信号， 以及对各监 控终端及监控设备的管理和控制。控制部分包括对视频信号的控制 （ 控制远端视频分割器的视频信号输出） 及对摄像设备的控制（ 控制远
会受到其它电磁信号的影响。基于无线激光通信的多种优点， 跟踪国 内外在无线激光通信领域的研究， 将无线激光通信技术与视频压缩处 理、点对点通信 技 术 结 合 在 一 起 ， 本 文 设 计 了 一 个 用 于 实 现 远 程 视 频 监控的无线激光传输系统。
统 和 大 气 信 道 。 激 光 发 射 器 由 调 制 电 路 、放 大 电 路 和 半 导 体 激 光 器 的 组成， 主要功能是将电调制信号转换为光信号， 为光学发射天线提供 发 射 光 信 号 。 激 光 接 收 器 由 激 光 探 测 器 、放 大 电 路 和 数 剧 判 决 器 等 组 成， 主要作用是汇集光学接收天线接收到的光信号， 然后将光信号转 换为电信号。光学天线系统是无线激光通信的重要组成部分， 该系统
加一些监督码元， 这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则 相互关联（ 约束） 。接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之 间的关系， 一旦传输发生差错， 则信息码元与监督码元的关系就受到 破 坏 ， 从 而 接 收 端 可 以 发 现 错 误 乃 至 纠 正 错 误 。 该 系 统 中 加 入 ＲＳ （ １５， ９） 纠错码后， 系统误码率优于 １０－ ５， 明显改善了传输性能。
信号并将其转换成数字电信号， 数字信号通过数据线传输到监控中
心， 监控中心能同时查看多路实时图像， 并录制。由于 ＭＰＥＧ－ ４ 编码标 准占用的带宽较低， 为了充分保证每个监控点的带宽， 所以在该系统
图 ２ 光发射机原理框图
中采用 ＭＰＥＧ－ ４ 的编码标准。 无线激光传输子系统： 包括激光发射器、激光接收器、光学天线系
２．系统的组成
无 线 激 光 视 频 监 控 系 统 对 监 控 区 域 进 行 全 天 候 实 时 监 控 。无 线 激 光视频监控系统的组成如图 １ 所示。该系统包括现场监控前端、无线 激光传输子系统和监控中心三部分。
发出的报警信号做出响应。管理服务器是整个系统运行的管理核心， 控制着整个系统数据 的 流 向 ， 提 供 各 种 数 据 的 访 问 、备 份 、删 除 、检 索 权 限 的 设 置 与 验 证 。数 据 存 储 服 务 器 用 于 保 存 从 各 监 控 点 传 回 的 实 时 图像数据， 提供实时录像、定点定时录像和录像数据检索回放功能。存 储服务器可根据设置实行自动擦写循环录像， 做到全天无人值守。管
３．３ 光接收机 光接收部分是整个系统的关键。光通信系统要求 光 接 收 机 的 增 益 、带 宽 、功 耗 和 噪 声 指 数 都 比 较 理 想 。它 包 括 前 置 放 大 器、主放大器、时钟恢复、数据判决等部分。其系统框图如图 ３ 所示：
信噪比［６］。在本系统采用卡塞格伦天线。它是一种双反射面天线， 主镜 是旋转抛物面， 次镜是旋转双曲面。这种光学天线的优点是对材料要 求不太高， 重量轻， 成本低， 光能损失小和不存在色差等。
系统采用的半导体激光器， 其工作波长为 ８５０ｎｍ， 阈值电流２０ｍＡ， 输出功率 １００ｍＷ。该器件的调制速率高， 输出功率大， 可以实现远距 离、多业务通信。驱动电路驱动 ＰＰＭ 调制信号输入功放电路。功放电 路保证能够为激光器提供足够大的功率 。 采 用 ５Ｖ 电 源 输 入 ， 稳 压 电 路采用线性低压差稳压器， 通过电容滤除杂波得到稳定的 ３．３Ｖ 直流 电源， 保护电路采用 ２Ｖ 稳压二极管。功放电路内部构成负反馈结构，
图 ４ 系统输入、输出信号比较
图 ３ 光接收机原理框图
为了提高接收灵敏度， 从理论上讲， 应该采用外差探测法。但外差 探测要求发射激光和接收机本地振荡激光的频率必须非常稳定， 稳定 度至少达到 １０－ １１， 这种要求使其实用化受到限制。因此直接探测 仍 是 唯 一 可 采 用 的 光 电 检 测 方 法［５］， 本 系 统 采 用 强 度 调 制／直 接 探 测 法 。 光探测器 ＰＤ 将激光传来的微弱光脉冲信号转换为 电 流 脉 冲 信 号 ， 并 通过一个前置放大器将其转换为电压信号， 主放大器电路将前置放大 器 输 出 的 电 压 小 信 号 放 大 至 限 幅 。主 放 大 器 的 输 出 电 压 脉 冲 的 幅 度 应 该足够大， 以便驱动后续的时钟恢复和数据判决电路。时钟恢复和数 据判决电路用来实现信号的再生。本系统探测器采用 ＧＴ１０１Φ２ 光电 二极管， 它具有响应度高、响应速度快、噪声低、稳定可靠、单电源工作 等特点。接收电路通过 ＭＡＸＩＭ 公司的互阻 前 置 放 大 器 ＭＡＸ３７６０ 和 限 幅 放 大 器 ＭＡＸ３７６１ 来 实 现 其 放 大 整 形 功 能 。 其 中 ＭＡＸ３７６０ 为 ６２２Ｍｂｐｓ 的 低 噪 声 前 置 放 大 器 ， ＭＡＸ３７６１ 为 低 功 耗 、６２２Ｍｂｐｓ 限 幅 放 大器， 并带有无抖动功率检测输出。
３．１ 光发射机 光发射机包括调制电路、放大电路和半导体激光 器， 用于将电信号经调制后转换成光信号由光发射天线发射出去。光 发射机系统的原理框图如图 ２ 所示：
模拟视频信号转变成数字信号， 同时进行数字视频压缩， 通过数据线
连接到激光调制器上， 光发射机（ 即激光调制器） 将数字电信号转换成
光信号经大气信道后传输到对应的激光探测器上， 激光探测器接收光
的无线通信技术。它是利用激光束作为信息传输的载体， 以大气为传
监控中心： 包括监控服务器、管理服务器、数据存储服务器和管理
输介质在空间中直接进行语音、数据、图像等信息的双向传送［１］。无线 员操作主机。监控服务器配置在调度中心， 监控服务器是监控系统的
激光通信既具有施工成本低、工程周期短、架设灵活便捷的特点， 又具 有频带宽、速率高、容量 大 、保 密 性 好 、功 耗 小 、重 量 轻 的 优 点 ， 最 主 要 的是激光通信不需要占用电磁波频率资源， 无需申请可用频段， 更不
对光束进行准直和扩束； 接收天线的作用是接收微弱光信号并汇集到 检测器表面， 增 大 检 测 器 的 有 效 接 收 面 积 、光 学 天 线 性 能 的 优 劣 直 接 影响到通信的可靠性。当激光的在大气中传输时， 由于外界环境的影
输方式主要以微波传输为主， 施工成本较大， 容易受强电磁信号的干 响致使系统的误码率较高。为了保证该系统具有良好的可靠性， 采用 扰。本文介绍的无线激光通信技术是近几年来才发展起来的一种新兴 ＲＳ 码来进一步降低系统的误码率。
端云台控制器） 。管理服务器配有数据库管理系统， 对监控人员的管 理、登录、浏览、控制、删除、复制、备份等的权限， 及各个网络摄像机的 登 录 、录 像 、浏 览 、控 制 权 限 级 别 进 行 统 一 管 理 。 管 理 服 务 器 还 负 责 报 警信号的处理与保存， 根据预定的报警方式， 准确及时的对各监视点
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○科教前沿○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 ２０ 期
基于无线激光通信技术的视频监控系统
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吴鹏飞 黄 蕾 （ 西安理工大学自动化与信息工程学院 陕西 西安 ７１００４８）
【摘 要】对激光通信技术在视频监控系统中的应用进行了研究。在介绍了采用无线激光传输技术实现的视频监控系统的组成及功能以后， 详 细的阐述了其实现的关键技术， 并利用实验进一步说明了该系统的可行性。实验结果表明， 该系统在视距通信条件下应用， 具有传输速率高、电 路制作简单和成本低廉等优点。
【关键词】激光通信； 视频监控； ＰＰＭ 信号； Ｒ Ｓ 纠错码 Ｖｉｄｅｏ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｗｉｒ ｅｌｅｓｓ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｗｕ Ｐｅｎｇｆｅｉ Ｈｕａｎｇ Ｌｅｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒ ｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ， Ｘｉ＇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒ ｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ＇ ａｎ ７１００４８， Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】ｗｅ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ， ｓｅｔｓ ｆｌｅｅｔｌｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｓｔ ｉｓ ｌｏｗ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｖｉｄｅｏ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＰＰＭ ｓｉｇｎａｌｓ ＲＳ
理员操作主机主要是系统管理员进行系统管理用， 能进行系统配置、
数据维护、权限设置等。监控服务器是基于 ＰＣ 机的终端设备， 可接收
来自各监控点送回的视频数据流， 并进行解压显示。同时也可作为系
统管理终端， 通过登录管理服务器， 完成监控管理的各项功能设定， 是
监控人员与监控系统进行人机对话的一个主要设备。