2024年4月7日发(作者：凤禄)
高铁线路高清长焦激光摄像机关键技术指标 于格 等
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
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
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
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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。
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。
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，
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，
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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。
表1 目标观察等级与像素数关系
观察
等级
探测
（发现）
分类
识别
认清
含义
在视场内发现目标
可大致区分目标类型
（如坦克、人）
可将目标细分
（如坦克、卡车）
可区分目标的型号及特征
（如T-72坦克、豹Ⅱ坦克）
所需线对数/对
（100%概率）
2.0±0.5
2.8±0.7
8.0±1.6
12.8±3.0
对应所需
像素数/个
4.0±1.0
5.6±1.4
16.0±3.2
25.6±6.0
光学三角形公式有：
H
=
， （1）
D
f
变换后，则有：
f
h
D
=
H
h
式（2）为计算作用距离的理论公式，只要知道目标
。 （2）
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
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
=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：
750
=0.5×=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
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。
表2 国际能见度（气象视距）与大气衰减系数
天气
状况
重浓雾
气象
视距/m
<50
50
200
500
1 000
衰减
系数/km
-1
>78.200
78.200
19.600
7.820
3.910
天气
状况
霾
轻霾
晴
大晴
极晴
气象
视距/km
2
4
10
20
>50
衰减
系数/km
-1
1.960
0.954
0.391
0.196
0.078
D
=
H
f
的作用距离理论值为2 966 m，即约为3 km。
H
镜头
CCD传感器
浓雾
中雾
h
v
V
2
ω
轻雾
薄雾
考虑在实际应用中，我国当前雾霾较严重，城市一
D f
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
图1 几何光学成像示意图
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
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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
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，
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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。
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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]
。
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
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。
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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。
（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]
。
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].
摄像机测试[J]. 中国铁路，2016(10)：81-85.
[7] 李春杰，吴云鹏. 高铁线路视频监控高清长焦激光
[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].
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。
责任编辑 卢敏
收稿日期 2016-09-28
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2024年4月7日发(作者：凤禄)
高铁线路高清长焦激光摄像机关键技术指标 于格 等
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
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
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
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高铁线路高清长焦激光摄像机关键技术指标 于格 等
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。
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。
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，
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，
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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。
表1 目标观察等级与像素数关系
观察
等级
探测
（发现）
分类
识别
认清
含义
在视场内发现目标
可大致区分目标类型
（如坦克、人）
可将目标细分
（如坦克、卡车）
可区分目标的型号及特征
（如T-72坦克、豹Ⅱ坦克）
所需线对数/对
（100%概率）
2.0±0.5
2.8±0.7
8.0±1.6
12.8±3.0
对应所需
像素数/个
4.0±1.0
5.6±1.4
16.0±3.2
25.6±6.0
光学三角形公式有：
H
=
， （1）
D
f
变换后，则有：
f
h
D
=
H
h
式（2）为计算作用距离的理论公式，只要知道目标
。 （2）
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
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
=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：
750
=0.5×=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
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。
表2 国际能见度（气象视距）与大气衰减系数
天气
状况
重浓雾
气象
视距/m
<50
50
200
500
1 000
衰减
系数/km
-1
>78.200
78.200
19.600
7.820
3.910
天气
状况
霾
轻霾
晴
大晴
极晴
气象
视距/km
2
4
10
20
>50
衰减
系数/km
-1
1.960
0.954
0.391
0.196
0.078
D
=
H
f
的作用距离理论值为2 966 m，即约为3 km。
H
镜头
CCD传感器
浓雾
中雾
h
v
V
2
ω
轻雾
薄雾
考虑在实际应用中，我国当前雾霾较严重，城市一
D f
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
图1 几何光学成像示意图
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
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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
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，
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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。
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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]
。
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
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。
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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。
（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]
。
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].
摄像机测试[J]. 中国铁路，2016(10)：81-85.
[7] 李春杰，吴云鹏. 高铁线路视频监控高清长焦激光
[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].
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。
责任编辑 卢敏
收稿日期 2016-09-28
CHINA RAILWAY 2016/11
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