淺談移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)在低空道路監(jiān)控中的應(yīng)用

1、淺談移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)在低空道路監(jiān)控中的應(yīng)用北京市公安局公安交通管理局 趙敬華摘要 移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)是專(zhuān)網(wǎng)形式的移動(dòng)微波通信技術(shù)，在很多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，憑借實(shí)時(shí)、直觀、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)為指揮機(jī)構(gòu)提供第一手的現(xiàn)場(chǎng)音、視頻甚至數(shù)據(jù)資料，為及時(shí)決策提供重要依據(jù)，尤其是在重大活動(dòng)保障、事故救援、自然災(zāi)害、應(yīng)急處突等事件中的作用越來(lái)越突出。移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)多用于地面局部覆蓋，由于受到攝像鏡頭角度以及載體位置和移動(dòng)速度的限制、多徑干擾和衰落影響，傳輸?shù)木嚯x和圖像視角也受到了很大的限制。近些年隨著各種空中移動(dòng)載體在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，視頻圖像采集和傳輸設(shè)備安放在移動(dòng)空中載體上，充分發(fā)揮了移動(dòng)速度

2、快、飛行范圍廣、搜索面積大、采集路面全的優(yōu)勢(shì)，極大的克服地面?zhèn)鬏數(shù)木窒扌浴８鶕?jù)移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)多年的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，本文就從傳輸距離和覆蓋范圍、視頻采集編碼、飛行載體等方面進(jìn)行分析，闡述移動(dòng)圖像傳輸技術(shù)在低空道路監(jiān)控的應(yīng)用。關(guān)鍵字 一、概述從冰雪災(zāi)害到5.12地震救援，從北京奧運(yùn)會(huì)保障到神七飛船返回，移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)已經(jīng)作為一種必備通信方式應(yīng)用在事故救援、重大事件現(xiàn)場(chǎng)保障等活動(dòng)中。其中，移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)將應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行采集后及時(shí)傳輸，以其機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，已經(jīng)成為一種必不可少的通信保障手段。但是，移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)現(xiàn)多用于地面局部覆蓋，采集傳輸?shù)木植慨?huà)面雖然

3、細(xì)致入微，但是對(duì)于大范圍圖像的瞬時(shí)觀察，將受到攝像鏡頭角度以及載體位置和移動(dòng)速度的限制。另外，在地面移動(dòng)圖像傳輸中存在著多徑干擾和衰落，在城市環(huán)境中或復(fù)雜地形中衰落表現(xiàn)的尤為嚴(yán)重，即使采取了其他多種技術(shù)手段，其傳輸?shù)木嚯x和圖像視角也受到了很大的限制。但是如果把攝像機(jī)和傳輸設(shè)備安放在空中移動(dòng)物體上，由于在空中視野非常開(kāi)闊，對(duì)地面進(jìn)行俯拍并傳輸?shù)降孛?，將極大的克服地面?zhèn)鬏數(shù)木窒扌?，因此近些年隨著各種空中移動(dòng)載體在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，移動(dòng)視頻圖像傳輸技術(shù)以其大角度、快速移動(dòng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)上空、較長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)也得到了越來(lái)越廣泛的重視。二、傳輸距離和覆蓋范圍所謂低空是指600米以下范圍的空間，空中過(guò)高圖像的

4、采集已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)，因此移動(dòng)視頻圖像傳輸適合低空使用。移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備的傳輸距離和發(fā)射功率、接收門(mén)限、天線增益、工作頻率、射頻帶寬、電磁和地理環(huán)境等因素有關(guān)的，除以上因素外，對(duì)于機(jī)載移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備來(lái)講，傳輸距離還和飛行載體的飛行高度、飛行的姿態(tài)、飛行速度等因素有關(guān)系，傳輸距離的大小直接決定著該系統(tǒng)的覆蓋范圍。1、專(zhuān)業(yè)的發(fā)射機(jī)功率一般為1-5W,而無(wú)人機(jī)發(fā)射功率由于尺寸和重量限制的緣故通常為幾百毫瓦。采用專(zhuān)業(yè)級(jí)窄帶COFDM接收設(shè)備的接收門(mén)限在-103-107dBm之間，機(jī)載發(fā)射天線為全向天線，不但要求有較高的增益，而且對(duì)尺寸、天線的安裝位置等都有較高的要求；而接收機(jī)的天線可選用增益高全

5、向天線，也可以選用定向加伺服系統(tǒng)，定向天線增益一般比較高，可以提高接收能力，天線安裝位置盡量選在較高的地方。對(duì)于機(jī)載設(shè)備來(lái)講，工作頻率的選擇也非常重要，一般選用 U/L波段的比較多，無(wú)人機(jī)多選用U波段，體積和尺寸可以做的比較小，而直升機(jī)多選用L波段，因?yàn)檫@個(gè)頻段的干擾相對(duì)較小，最重要的是其發(fā)射傳輸性能出色，適合在城區(qū)和空中應(yīng)用，天線也可以做的小一些。射頻的帶寬越寬，傳輸?shù)膱D像質(zhì)量越好，但是射頻帶寬變寬寬，傳輸距離將會(huì)下降，因此可以通過(guò)犧牲一定圖像質(zhì)量的前提下，也就是通過(guò)降低射頻帶寬，來(lái)提高傳輸距離。通常電磁環(huán)境和地理環(huán)境的好壞是無(wú)法選擇的，但是可以通過(guò)選擇工作頻率來(lái)降低復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)傳輸?shù)挠绊?/p>

6、。 2、由于地球的曲率和微波的傳輸特性，機(jī)載天線與接收天線所在位置的可視距離將是機(jī)載設(shè)備傳輸?shù)淖畲缶嚯x。可視距離可以通過(guò)計(jì)算得到。假設(shè)接收天線架設(shè)在距離地面25米的高度，那么機(jī)載天線高度即飛行高度與可視距離簡(jiǎn)略對(duì)照如下：接收天線高度（米）飛機(jī)飛高（米）可視距離 （公里）25100632520070253008025400902550010025600120通過(guò)以上表格不難看出，當(dāng)接收天線高度一定的時(shí)候，飛行高度越高，可視距離越遠(yuǎn)，因此機(jī)載設(shè)備越有可能傳輸?shù)脑竭h(yuǎn)。另外對(duì)于實(shí)際的傳輸距離中，還與以下因素相關(guān)：1）飛行速度。如果速度高，多普樂(lè)頻移效應(yīng)會(huì)增加，降低接收門(mén)限，距離減少。但如果飛行的距離已

7、經(jīng)接近很遠(yuǎn)，儲(chǔ)備偏少的情形下，則穩(wěn)定傳輸?shù)母怕示偷汀?）天線的姿態(tài)。理論上，對(duì)于全向發(fā)射和接收天線都應(yīng)該是保持垂直方向的，這樣，輻射的方向圖才能保證通信的暢通，如果天線姿態(tài)發(fā)生變化，那么將會(huì)影響傳輸質(zhì)量。 實(shí)際上，當(dāng)外界條件發(fā)生變化，如果要想達(dá)到或接近理想的傳輸距離（可視距離），系統(tǒng)就要有充足的系統(tǒng)儲(chǔ)備。系統(tǒng)儲(chǔ)備的多少和發(fā)射機(jī)功率、天線增益、接收機(jī)門(mén)限，系統(tǒng)設(shè)備損耗、空間衰耗等因素有關(guān)。提高系統(tǒng)儲(chǔ)備，增大傳輸距離可以通過(guò)工程設(shè)計(jì)和設(shè)備本身的優(yōu)勢(shì)來(lái)滿足要求。3、COFDM信道調(diào)制COFDM采用編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)有如下：首先適合在城區(qū)、城郊、建筑物內(nèi)等非通視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用，表現(xiàn)

8、出卓越的“繞射”“穿透”能力，該設(shè)備能夠以高概率實(shí)現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小；其次適合高速移動(dòng)中傳輸，可應(yīng)用于車(chē)輛、船舶、直升機(jī)/無(wú)人機(jī)等平臺(tái)；第三適合高速數(shù)據(jù)傳輸，速率一般大于4M bps，滿足高質(zhì)量視音頻的傳輸，COFDM技術(shù)每個(gè)子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，合成后的信道速率一般均大于4M bps，因此，可以傳輸MPEG2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼，接收端圖像分辨率可達(dá)到576720或480720，滿足后期分析、存儲(chǔ)、編輯等要求；第四在復(fù)雜電磁環(huán)境中，COFDM具備優(yōu)異的抗干擾性能；第五在對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號(hào)波形間的干

9、擾性能優(yōu)越，通過(guò)各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。因此，采用COFDM信道調(diào)制技術(shù)是機(jī)載移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備的首選。由于作為廣播電視領(lǐng)域成熟應(yīng)用的視頻編碼術(shù)-MPEG2編解碼方式，可得到傳輸速率可達(dá)2.0M-10Mbps、 圖像更新2530幀/秒、分辨率可達(dá)到720x576、可得到高質(zhì)量的DVD畫(huà)質(zhì)圖像，完全滿足機(jī)載移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備對(duì)畫(huà)面質(zhì)量的要求，因此采用MPEG2的圖像編解碼方式。 機(jī)載移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備另一重要的組成部分是視頻采集設(shè)備，直升機(jī)、固定翼飛機(jī)多采用吊艙，也可以用手持?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行航拍。吊艙其可以360度旋轉(zhuǎn)拍攝，具有紅外攝像功能，吊艙的性能將決定拍攝的畫(huà)面穩(wěn)定性。

10、而無(wú)人機(jī)或其他空中移動(dòng)體多采用攝像機(jī)或攝像頭進(jìn)行拍攝。三、 接收基站1、固定區(qū)域覆蓋； 固定區(qū)域覆蓋，應(yīng)用最多的為城區(qū)覆蓋，對(duì)于中小型城市，一般架設(shè)一個(gè)接收基站就可以實(shí)現(xiàn)城區(qū)覆蓋，對(duì)于大中型城市，則要選擇架設(shè)多個(gè)接收基站來(lái)實(shí)現(xiàn)城區(qū)覆蓋，接收基站的分布要合理，一般城市多選較高的樓定架設(shè)。基站和指揮中心之間一般通過(guò)有線的形式連接，如光纜。2、與移動(dòng)接收站結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的區(qū)域覆蓋 對(duì)于城市之外的多數(shù)區(qū)域，不可能都要架設(shè)基站來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)載無(wú)線圖像傳輸，可以選擇與地面的移動(dòng)載體所攜帶的接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)圖像傳輸，如人可以手提的便攜手持一體接收機(jī)、車(chē)載/船載接收機(jī)等等，如果需要更遠(yuǎn)距離的傳輸，如千里之外的指揮部，還

11、可以通過(guò)靜中通、動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3、可做中繼來(lái)進(jìn)行圖像傳輸 設(shè)想如果機(jī)載設(shè)備安裝的是中繼設(shè)備，那么可以接收地面發(fā)過(guò)來(lái)的無(wú)線圖像信號(hào)，再轉(zhuǎn)發(fā)給異地的無(wú)線視頻圖像傳輸接收設(shè)備，這樣可以解決地面信號(hào)因阻擋或超視距而不能傳輸?shù)膯?wèn)題，增大了地面圖像傳輸設(shè)備的傳輸距離。四、飛行載體通常適合安裝移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備的空中飛行載體有：直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、固定翼飛機(jī)、飛艇甚至熱氣球等等。依據(jù)飛行載體的不同，對(duì)通信設(shè)備有不同的要求，對(duì)機(jī)載圖像傳輸設(shè)備的要求也是一樣，例如直升機(jī)、固定翼飛機(jī)要求機(jī)載無(wú)線圖像傳輸設(shè)備具有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)性、耐連續(xù)震動(dòng)、具備很好的電磁兼容性、接口標(biāo)準(zhǔn)、電源電壓、能夠在一定大氣壓力和空

12、氣濕度下工作、散熱性能優(yōu)異、外殼及接插件要耐鹽霧腐蝕等等；而無(wú)人機(jī)對(duì)機(jī)載無(wú)線圖傳設(shè)備在滿足其傳輸需要的基礎(chǔ)上，還要考慮其有效載荷，要滿足一定的尺寸、重量和功耗要求；飛艇和熱氣球則要求能提供足夠的外部電力供應(yīng)等等。 目前國(guó)內(nèi)的直升機(jī)既有我們本國(guó)生產(chǎn)的也有從國(guó)外進(jìn)口的直升機(jī)，例如：國(guó)產(chǎn)的直系列直升機(jī)，進(jìn)口有歐洲歐直公司和阿古斯塔公司的多型號(hào)直升機(jī)、美國(guó)的希克斯基的黑鷹直升機(jī)以及俄羅斯的米系列的直升機(jī)等等，這些直升機(jī)正在服務(wù)于我們的國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)當(dāng)中，并且我們自己也正在不斷研制更加先進(jìn)的直升機(jī)。其他如固定翼飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、飛艇等等各種空中載體也在不斷的蓬勃發(fā)展之中。五、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用圖片1兩年前組建的目

13、前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)、管理最規(guī)范的北京警務(wù)飛行隊(duì)的警用直升機(jī)（直升機(jī)圖像見(jiàn)圖片1）上面就裝備移動(dòng)視頻圖像傳輸設(shè)備，能將直升機(jī)上360度拍攝的圖像（監(jiān)控圖像見(jiàn)圖片2）傳回到地面指揮中心,在08年北京奧運(yùn)期間，圓滿完成了奧運(yùn)火炬?zhèn)鬟f保衛(wèi)及圖像傳輸、開(kāi)閉幕式國(guó)家體育場(chǎng)備勤、公路自行車(chē)賽及鐵人三項(xiàng)等賽事的巡邏監(jiān)控，以及奧運(yùn)專(zhuān)用道巡邏警戒任務(wù)。奧運(yùn)后，飛行隊(duì)著手進(jìn)行空地協(xié)同執(zhí)勤實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，建立空中警務(wù)指揮平臺(tái)，空中指揮和地面指揮將結(jié)合起來(lái)。警務(wù)平臺(tái)啟用后，當(dāng)警方發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，可以調(diào)動(dòng)直升機(jī)趕赴現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)傳回的圖像資料，由地面指揮中心判斷所需調(diào)動(dòng)的各個(gè)警種。必要的時(shí)候，指揮員也會(huì)登機(jī)，直接在空中進(jìn)行

14、指揮。如首都的巡邏布控、反恐處突、對(duì)犯罪分子實(shí)施目標(biāo)跟蹤、搜索和抓捕；在交通管理領(lǐng)域，在城市交通高峰時(shí)段，警用直升機(jī)監(jiān)測(cè)一些重點(diǎn)區(qū)域道路，協(xié)助地面指揮部門(mén)進(jìn)行疏導(dǎo)。警用直升機(jī)已擔(dān)負(fù)了周一早高峰和周五晚高峰的交通狀況監(jiān)控。 圖片2 一些重大交通事故，往往造成交通嚴(yán)重?fù)矶?，地面交管、救援等力量短時(shí)間內(nèi)無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。警用直升機(jī)將在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)，將現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸給地面指揮系統(tǒng)，作為決策依據(jù)。 若某個(gè)區(qū)域刑事案件高發(fā)、治安狀況出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，警用直升機(jī)可以在高發(fā)案的時(shí)段、地區(qū)，配合地面警車(chē)進(jìn)行立體的巡邏控制。警用直升機(jī)裝備的攝像系統(tǒng)能辨認(rèn)到幾公里范圍內(nèi)車(chē)輛的車(chē)牌。一旦發(fā)生突發(fā)事件，警用直升機(jī)可對(duì)犯罪嫌疑人、車(chē)輛進(jìn)行搜索，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后根據(jù)地面指揮中心的要求，進(jìn)行空中跟蹤，為地面警力指明目標(biāo)，必要時(shí)，機(jī)載特警可對(duì)嫌疑人實(shí)施抓捕。六、展望我國(guó)幅員遼闊，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)與