一种矿用高清视频采集系统及方法.pdf

本发明公开了一种矿用高清视频采集系统，包括：视频采集单元；辅助光源和本安电源；辅助光源，用于在外部低照度时，为视频采集单元提供补充光源；本安电源，与视频采集单元和辅助光源均连接，并用于为视频采集单元提供电能，且用于在照度低于设定值时启动辅助光源，并为其提供电能；视频采集单元，包括：光学镜头，以及与光学镜头依次连接设置的MCCD图像传感器、数字信号处理器和视频输出。本发明还公开了一种采集方法，采用MCCD传感器结合红外激光管作为辅助光源的方案，能够实现全黑环境下的高清视频采集，且符合本质安全原理，设备整体功耗低、重量轻、体积小、成本低，维护简便。

1.  一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，包括：视频采集单元(1)；辅助光源(2)和本安电源(3)；
所述的辅助光源(2)，用于在外部低照度时，为视频采集单元(1)提供补充光源；
所述本安电源(3)，与视频采集单元(1)和辅助光源(2)均连接，并用于为视频采集单元(1)提供电能，且用于在照度低于设定值时启动辅助光源(2)，并为其提供电能；
所述视频采集单元(1)，包括：光学镜头(4)，以及与所述光学镜头(4)依次连接设置的MCCD图像传感器(5)、数字信号处理器(6)和视频输出(7)；
其中，所述光学镜头(4)，用于获取外部环境图像信息，并将所述图像信息发送至MCCD图像传感器(5)；所述MCCD图像传感器(5)，用于接收光学镜头(4)发送的所述图像信息，并将所述图像信息转换成图像电信号后，发送至所述数字信号处理器(6)；所述数字信号处理器(6)，用于接收所述MCCD图像传感器(5)发送的图像电信号，并将其转换成模拟的全电视信号，并通过视频输出(7)输出。

2.  如权利要求1所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述辅助光源(2)为红外激光管。

3.  如权利要求2所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述的红外激光管发射的激光的波长为940nm。

4.  如权利要求2或3所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述红外激光管的激光发射端设有用于均匀扩散所述激光光源的凹透镜。

5.  如权利要求4所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述的凹透镜的透光率为95％。

6.  如权利要求1或2所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述本安电源(3)包括用于启动辅助光源(2)并为其提供恒流源的驱动电路，所述的驱动电路包括同步降压-升压恒流芯片XZ3442，所述的芯片XZ3442通过第一接口插座(J1)连接输入电压正负极，所述的芯片XZ3442通过第二接口插座(J2)和第四接口插座(J4)均连接有光敏电阻，所述的芯片XZ3442通过第三接口插座(J3)连接辅助光源(2)；
所述两个光敏电阻，为接入驱动电路的可变电阻，其中一个光敏电阻用于控制所述辅助光源(2)的连接与断开，另一个光敏电阻用于控制所述辅助光源(2)的亮度。

7.  如权利要求6所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述的驱动电路具体为：包括同步降压-升压恒流芯片XZ3442，所述芯片XZ3442的第一管脚经过第二电容(C2)接地，所述芯片XZ3442第二管脚经过第二电感(L2)与第三管脚连接，所述芯片XZ3442第四管脚接地，所述芯片XZ3442第五管脚一路接第四电容(C4)正极，另一路接第三接口插座(J3)的第二管脚，所述第四电容(C4)负极接地，所述芯片XZ3442第六管脚一路接第一接口插座(J1)的第一管脚，另一路接第二接口插座(J2)的第一管脚，所述第一接口插座(J1)的第二管脚接地，所述芯片XZ3442第七管脚一路经过第四电阻(R4)连接第二接口插座(J2)的第一管脚，另一路连接第一三极管(Q1)的第三管脚，所述芯片XZ3442第七管脚还有一路经过第一电容(C1)接地，所述第二接口插座(J2)的第一管脚另一路经过第三电容(C3)接地，所述第一三极管(Q1)的第二管脚接地，第一管脚经过 第三电阻(R3)连接第二接口插座(J2)的第二管脚，所述第二接口插座(J2)的第二管脚另一路经过第一电阻(R1)接地，所述芯片XZ3442第八管脚一路接第三接口插座(J3)的第一管脚，另一路接第四接口插座(J4)的第一管脚，所述第四接口插座(J4)的第二管脚连接第四电容(C4)的正极，所述芯片XZ3442第八管脚还有一路经过第二电阻(R2)接地。

8.  如权利要求1或2所述的一种矿用高清视频采集系统，其特征在于，所述的本安电源(3)还包括为视频采集单元(1)提供电源的控制电路，所述的控制电路包括DC/DC降压转换器MP2359，所述DC/DC降压转换器MP2359的第五管脚一路接正12V电源，另一路经过第一八电容(C18)接地，所述DC/DC降压转换器MP2359的的第四管脚经过第七电阻(R7)接正12V电源，所述DC/DC降压转换器MP2359的第二管脚接地，所述DC/DC降压转换器MP2359的第一管脚一路经过第三二极管(D3)接正5V电源，另一路经过第一七电容(C17)接第六管脚，所述DC/DC降压转换器MP2359的第六管脚一路经过第四稳压二极管(D4)接地，另一路接第三电感(L3)，所述第三电感(L3)的另一端一路经过第一九电容(C19)接地，另一路接正5V电源，所述DC/DC降压转换器MP2359的第三管脚一路经过第九电阻(R9)接地，另一路经过第八电阻(R8)接正5V电源。

9.  如权利要求1至8中任意一项所述一种矿用高清视频采集系统的采集方法，其特征在于，由所述光学镜头(4)采集外部环境图像信息，并经过所述MCCD图像传感器(5)转换成量化后的数字图像信号输出给所述数字信号处理器(6)，数字信号处理器(6)经过数字处理转换成模拟的全电视信号通过视频输出(7)向外输出。

10.  如权利要求9所述一种矿用高清视频采集方法，其特征在于，当外部 照度低于设定值时，所述本安电源(3)提供大小可调的恒流电源给辅助光源(2)，用于为光学镜头(4)提供辅助照明以获取低照度下的高清视频信息。

一种矿用高清视频采集系统及方法
技术领域
本发明属于视频采集技术领域，涉及一种矿用高清视频采集系统及方法。
背景技术
近年来在矿井等环境比较暗的地方由于视频监控不到位，使得一些故障未能得到及时的发现而酿成事故，使用矿用低照度视频采集设备能够获取低照度甚至全黑环境下的高清视频图像，便于及时发现事故隐患点。
现有的矿用视频采集设备体积大且笨重，现有使用的方案是CCD图像传感器结合阵列式红外LED辅助照明，常常以增加红外数量来获取更清晰的视频图像，使得功耗加大且不易后期维护，此外价格也较为昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿用高清视频采集系统及方法，以解决在一些矿井的低照度甚至全黑环境下，采集到的视频质量不高的情况。
本发明所采用的技术方案是，一种矿用高清视频采集系统，包括：视频采集单元；辅助光源和本安电源；
辅助光源，用于在外部低照度时，为视频采集单元提供补充光源；
本安电源，与视频采集单元和辅助光源均连接，并用于为视频采集单元提供电能，且用于在照度低于设定值时启动辅助光源，并为其提供电能；
视频采集单元，包括：光学镜头，以及与光学镜头依次连接设置的MCCD 图像传感器、数字信号处理器和视频输出；
其中，光学镜头，用于获取外部环境图像信息，并将图像信息发送至MCCD图像传感器；MCCD图像传感器，用于接收光学镜头发送的图像信息，并将图像信息转换成图像电信号后，发送至数字信号处理器；数字信号处理器，用于接收MCCD图像传感器发送的图像电信号，并将其转换成模拟的全电视信号，并通过视频输出输出。
进一步的，辅助光源为红外激光管。
进一步的，红外激光管发射的激光的波长为940nm。
进一步的，红外激光管的激光发射端设有用于均匀扩散激光光源的凹透镜。
进一步的，凹透镜的透光率为95％。
进一步的，本安电源包括用于启动辅助光源并为其提供恒流源的驱动电路，驱动电路包括同步降压-升压恒流芯片XZ3442，芯片XZ3442通过第一接口插座连接输入电压正负极，芯片XZ3442通过第二接口插座和第四接口插座均连接有光敏电阻，芯片XZ3442通过第三接口插座连接辅助光源；
两个光敏电阻，为接入驱动电路的可变电阻，其中一个光敏电阻用于控制辅助光源的连接与断开，另一个光敏电阻用于控制辅助光源的亮度。
进一步的，驱动电路具体为：包括同步降压-升压恒流芯片XZ3442，XZ3442的第一管脚经过第二电容接地，芯片XZ3442第二管脚经过第二电感与第三管脚连接，芯片XZ3442第四管脚接地，芯片XZ3442第五管脚一路接第四电容正极，另一路接第三接口插座的第二管脚，第四电容负极接地，芯片XZ3442第六管脚一路接第一接口插座的第一管脚，另一路接第二接口插座的第一管脚，第一接口插座的第二管脚接地，芯片XZ3442第七管脚一 路经过第四电阻连接第二接口插座的第一管脚，另一路连接第一三极管的第三管脚，芯片XZ3442第七管脚还有一路经过第一电容接地，第二接口插座的第一管脚另一路经过第三电容接地，第一三极管的第二管脚接地，第一管脚经过第三电阻连接第二接口插座的第二管脚，第二接口插座的第二管脚另一路经过第一电阻接地，芯片XZ3442第八管脚一路接第三接口插座的第一管脚，另一路接第四接口插座的第一管脚，第四接口插座的第二管脚连接第四电容的正极，芯片XZ3442第八管脚还有一路经过第二电阻接地。
进一步的，本安电源还包括为视频采集单元提供电源的控制电路，控制电路包括DC/DC降压转换器MP2359，DC/DC降压转换器MP2359的第五管脚一路接正12V电源，另一路经过第一八电容接地，DC/DC降压转换器MP2359的的第四管脚经过第七电阻接正12V电源，DC/DC降压转换器MP2359的第二管脚接地，DC/DC降压转换器MP2359的第一管脚一路经过第三二极管接正5V电源，另一路经过第一七电容接第六管脚，DC/DC降压转换器MP2359的第六管脚一路经过第四稳压二极管接地，另一路接第三电感，第三电感的另一端一路经过第一九电容接地，另一路接正5V电源，DC/DC降压转换器MP2359的第三管脚一路经过第九电阻接地，另一路经过第八电阻接正5V电源。
本发明所采用的第二种技术方案，一种矿用高清视频采集系统的采集方法，由光学镜头采集外部环境图像信息，并经过MCCD图像传感器转换成量化后的数字图像信号输出给所述数字信号处理器，数字信号处理器经过数字处理转换成模拟的全电视信号通过视频输出向外输出。
进一步的，当外部照度低于设定值时，本安电源提供大小可调的恒流电源给辅助光源，用于为光学镜头提供辅助照明以获取低照度下的高清视频信 息。
本发明的有益效果是，采用MCCD传感器结合红外激光管作为辅助光源的方案，MCCD具有更高的可见光及红外灵敏度，低照度下的信噪比也较为优良，使用时配以激光红外管，能够获取低照度甚至全黑环境下的高清视频图像，且符合本质安全原理，设备整体功耗低、重量轻、体积小、成本低，维护简便。
附图说明
图1是本发明一种矿用高清视频采集系统的模块连接图；
图2是本发明一种矿用高清视频采集系统的辅助光源驱动电路原理图；
图3是本发明一种矿用高清视频采集系统视频采集单元供电电路原理图。
图中，1.视频采集单元，2.辅助光源，3.本安电源，4.光学镜头，5.MCCD图像传感器，6.数字信号处理器，7.视频输出。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种矿用高清视频采集系统，如图1所示，包括：视频采集单元1；用于在外部低照度时提供补充光源的辅助光源2；以及与视频采集单元1和辅助光源2均连接，并为其提供电能的本安电源3，该本安电源3还用于在照度低于设定值时启动辅助光源2并为其提供电能。
如图1所示，视频采集单元1，包括：光学镜头4，以及与光学镜头4依次连接设置的MCCD图像传感器5、数字信号处理器6和视频输出7；
光学镜头4，用于获取外部环境图像信息，并将图像信息发送至MCCD图像传感器5；MCCD图像传感器5，用于接收光学镜头4发送的图像信息， 并将图像信息转换成图像电信号后，发送至数字信号处理器6；数字信号处理器6，用于接收MCCD图像传感器5发送的图像电信号，并将其转换成模拟的全电视信号，并通过视频输出7输出。
视频采集单元1完成视频的采集与输出，辅助光源单元2为视频采集单元工作在低照度甚至全黑环境时提供辅助照明，本安电源单元3为整个设备提供电源供应，装备整体设计符合本质安全原理。
视频采集单元1主要包括光学镜头4、1/2英寸的MCCD图像传感器5和DSP数字信号处理器6，视频采集单元1所采用的图像传感器为MCCD图像传感器，能够采集到远达30m外全黑环境下的高清视频图像，辅助光源为940nm的激光红外辅助照明，输出的视频信号为模拟全电视信号，采用高灵敏度感光的1/2英寸MCCD图像传感器，双滤光片日夜自动切换，低照度下自动开启红外激光辅助光源，以便于获取低照度下的高清视频。
辅助光源2为可以调节亮度的红外激光管并对应设置有用于扩散光源，均匀照射环境的凹透镜，使辅助光源能够均匀照射环境，照射时画面范围广、均匀且无亮斑，从而更好的获取低照度下的高清视频。辅助光源2为940nm的红外激光管，红外激光管为贴片式红外激光管，便于焊接安装在铝基板上，在红外激光管的外部安装一个凹透镜用以扩散光源。使辅助光源能够均匀照射环境，照射时画面范围广、均匀且无亮斑，从而更好的获取低照度下的高清视频。当达到弱光环境时自动切换至工作状态，辅助光源2开启，并根据光照的不同，红外激光管的驱动电路提供不同大小的电流，从而调节红外激光管的亮暗程度。
本安电源3输入端采用磷酸铁锂蓄电池。本安电源单元3通过磷酸铁锂蓄电池供电，提供12V直流电压，通过高效DC-DC电路设计给整个设备供 电，其中红外激光管的驱动电源为恒流源，整个电路设计符合本质安全原理。
如图2所示，本安电源3还包括为辅助光源2提供可调的恒流源的驱动电路，驱动电路具有电路结构简单，外围电路简单，采用双光敏电阻，能够使红外激光管的光照到达更好的调节，使得视频图像质量更高，而且输入电压小，功耗少，能够实现为红外激光管提供恒流源。
驱动电路具体包括同步降压-升压恒流芯片XZ3442，芯片XZ3442第一管脚经过第二电容C2接地，芯片XZ3442第二管脚经过第二电感L2与第三管脚连接，芯片XZ3442第四管脚接地，芯片XZ3442第五管脚一路接第四电容C4正极，另一路接第三接口插座J3的第二管脚，第四电容C4负极接地，芯片XZ3442第六管脚一路接第一接口插座J1的第一管脚，另一路接第二接口插座J2的第一管脚，第一接口插座J1的第二管脚接地，芯片XZ3442第七管脚一路经过第四电阻R4连接第二接口插座J2的第一管脚，另一路连接第一三极管Q1的第三管脚，芯片XZ3442第七管脚还有一路经过第一电容C1接地，第二接口插座J2的第一管脚另一路经过第三电容C3接地，第一三极管Q1的第二管脚接地，第一管脚经过第三电阻R3连接第二接口插座J2的第二管脚，第二接口插座J2的第二管脚另一路经过第一电阻R1接地，芯片XZ3442第八管脚一路接第三接口插座J3的第一管脚，另一路接第四接口插座J4的第一管脚，第四接口插座J4的第二管脚连接第四电容C4的正极，芯片XZ3442第八管脚还有一路经过第二电阻R2接地。
电源控制芯片为XZ3442，红外激光管焊接在散热功能优良的铝基板上，通过外部环境光照的不同控制红外激光管的光照亮暗程度，并在红外激光管的外部装上一个凹透镜，从而达到最佳的辅助照明效果。
其中，芯片XZ3442通过第一接口插座J1连接输入电压正负极，芯片 XZ3442通过第二接口插座J2和第四接口插座J4均连接有光敏电阻，芯片XZ3442通过第三接口插座J3连接辅助光源2。
该驱动电路中，两个光敏电阻为接入驱动电路的可变电阻，随着光照降低，第二接口插座J2所接的光敏电阻阻值减小，由第二接口插座J2和第一电阻R1所组成的分压电路中，第一电阻R1端电压值达到第一三极管Q1的导通电压值，第一三极管Q1导通，芯片第七管脚为低，芯片XZ3442工作。芯片XZ3442的第五管脚输出电压值。由第三接口插座J3所接红外激光管和第四接口插座J4所接光敏电阻共同组成分流电路。采用双光敏电阻控制，其中一路第三接口插座J3接红外激光管灯板，用于控制红外激光管的开启与关断，第四接口插座J4接另一路光敏电阻进行分流，用于控制红外激光管的亮暗程度，使视频采集图像画质更佳。
当光照照度大于设定值时，第二接口插座J2所接光敏电阻阻值较大，由第二接口插座J2和第一电阻R1所组成的的分压电路中，第一电阻R1端电压值尚未达到第一三极管Q1的导通电压值，第一三极管Q1截止，此时芯片XZ3442第七管脚为高电平，芯片XZ3442不工作。
如图3所示，本安电源3包括为视频采集单元1提供5V电源的控制电路，具体包括DC/DC降压转换器MP2359，DC/DC降压转换器MP2359的第五管脚一路接正12V电源，另一路经过第一八电容C18接地，DC/DC降压转换器MP2359的的第四管脚经过第七电阻R7接正12V电源，DC/DC降压转换器MP2359的第二管脚接地，DC/DC降压转换器MP2359的第一管脚一路经过第三二极管D3接正5V电源，另一路经过第一七电容C17接第六 管脚，DC/DC降压转换器MP2359的第六管脚一路经过第四稳压二极管D4接地，另一路接第三电感L3，第三电感L3的另一端一路经过第一九电容C19接地，另一路接正5V电源，DC/DC降压转换器MP2359的第三管脚一路经过第九电阻R9接地，另一路经过第八电阻R8接正5V电源。采用磷酸铁锂蓄电池为供电电源，电压为DC12V，通过一个电流型控制的BUCK变换器MP2359将输入的12V转换成5V给视频采集单元1提供电源，采用高效LDO电路，电路设计符合本质安全原理。
本发明还提供了上述一种矿用高清视频采集系统的采集方法，由光学镜头采集外部环境图像信息，并经过MCCD图像传感器转换成量化后的数字图像信号输出给所述数字信号处理器，数字信号处理器经过数字处理转换成模拟的全电视信号通过视频输出向外输出。其中，当外部照度低于设定值时，所述本安电源提供大小可调的恒流电源给辅助光源，用于为光学镜头提供辅助照明以获取低照度下的高清视频信息。
本发明的一种矿用高清视频采集系统的工作原理是，在低照度甚至全黑环境时，打开辅助光源2，即红外激光管的驱动电路工作，红外激光管自动开启，在红外激光管的辅助照明下，通过光学镜头4与MCCD图像传感器5完成低照度时的视频采集，得到量化后的数字图像信号，然后通过DSP数字信号处理器6处理得到模拟全电视信号，整个设备总供电由磷酸铁锂蓄电池供电，整个电路设计符合本质安全原理。整个系统采用MCCD结合红外激光管的方案，MCCD图像传感器5是具有超高的可见光及红外感度的图像传感器芯片，而且红外激光管发出的光源无红暴现象，功耗低，便于维护。
本发明的具有以下优点：
1、采用MCCD图像传感器与红外激光管结合的方式，能够在低照度以及全黑环境下的矿井底下获取到高清的视频图像。MCCD图像传感器的红外感度最大能达到940nm，使得获取的图像更为清晰且无红曝现象。
2、把凹透镜安装在红外激光管的激光射出端部，能够使得红外激光管的反射光能够均匀反射回来，使得摄像头采集的视频面更宽，视频图像更为清晰，其中，使用凹透镜后激光照射的发散角度为60度，凹透镜的透光率为95％，材料为光学级PMMA，直径为10mm，高度为11mm。
3、采用恒流源作为红外激光管的驱动电源，能够显著有效的增加红外激光管的使用周期，电流大小为300～700mA可调电流，采用双光敏电阻控制，其中一路控制红外激光管的开启与关断，另一路控制红外激光管的亮暗程度，使视频采集图像画质更佳。将红外激光管焊接在铝基板上，能够有效散热，从而保证红外激光管的使用寿命。
4、整体装置符合本质安全原理，能够在矿井低照度可靠使用。
本发明的一种矿用高清视频采集系统，能够实现全黑环境下的高清视频采集，且符合本质安全原理，设备整体功耗低、重量轻、体积小、成本低，维护简便，辅助光源2为940nm的激光红外管，无红暴现象，采用的辅助光源驱动为恒流源驱动，工作电压低，易于本安化，辅助光源驱动电路新颖，双光敏电阻控制，一路控制日夜切换，一路控制电流大小，使功耗减小且图像清晰，便于在矿井等一些低照度环境下推广使用。