CN101388134A - 红外火灾探测系统 - Google Patents

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CN101388134A CNA200810171454XA CN200810171454A CN101388134A CN 101388134 A CN101388134 A CN 101388134A CN A200810171454X A CNA200810171454X A CN A200810171454XA CN 200810171454 A CN200810171454 A CN 200810171454A CN 101388134 A CN101388134 A CN 101388134A
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Abstract

本发明涉及红外火灾探测系统。一种可记录一段时间内场地的不同视域中温度变化的红外探测系统。该系统可使用长波红外探测器阵列以检测早期或晚期火灾。系统可以检查多个视域。每个视域具有固定的透镜。每个透镜具有其在阵列上聚焦的各自的视域。每次可以遮住或关闭除了一个透镜外的所有透镜中以探测其相应视域。系统可以具有带有存储器的处理器以记录一段时间内来自阵列的温度。某点或另一视域的温度变化可以是即将发生火灾或其他关注情况的提示。

Description

红外火灾探测系统
本申请是2007年5月1日申请的申请号为US11/742654的美国专利申请的系列申请。
2007年5月1日申请的号为US11/742654的美国专利申请在此引用作为参考。
技术领域
本发明是关于探测系统，尤其是关于火灾探测系统。更具体地，本发明关于红外火灾探测系统。
发明内容
本发明是一种可记录一段时间内在场地的不同视域中温度变化的红外探测系统。
附图说明
图1是红外火灾探测系统的框图；
图2a，2b和2c是提供不同视域的透镜的结构图；
图3a和3b是显示探测器阵列与透镜结构之间的关系图；
图4是具有探测器阵列的传感器和具有覆盖场地不同视域的遮光器的透镜结构图；
图5是具有探测器阵列的传感器的侧视图与透镜和遮光器结构的半球型式图；
图6是具有图5中具有半球透镜结构的探测系统图，该系统具有可移动的半球形外壳代替遮光器，该外壳具有符合半球形透镜结构的前部形状和适合半球形透镜结构的前部的孔；以及
图7a，7b，7c，8a，8b，9，10和11是具有分别比图2，2b，2c，3a，3b，4，5和6更复杂的透镜结构的探测系统图。
具体实施方式
具有早期报警能力的低误警率火灾探测系统可以允许在最早时刻探测到火灾。这样火灾可能处在较低水平或者在燃烧的早期阶段。然而，这样的火灾也有可能燃烧成大型火灾。很难探测到阴燃火灾，因为对中波红外(MWIR)探测器来说，阴燃没有足够多的气体或烟以及温度相对较低。MWIR可以为大约3-8微米。
本系统可包括使用多个装在墙壁上的长波红外(LWIR)辐射热探测器，可以排成阵列，以探测燃烧比较轻微的火灾。LWIR可以为大约8-15微米。传感器具有二维(2D)阵列的红外探测器。阵列尺寸可以很小(例如：50*50像素)，从而相对较大区域阵列具有较低的价格。通过使用多个安装在环绕在阵列周围的半球或其他结构中的透镜或小透镜维持覆盖范围。此时在任意一点，除去一个之外的其余所有透镜被覆盖，因此到达阵列的红外线只能够来自一个空间位置，因为只有一个透镜是打开的。相比较于红外鱼眼透镜和大型2D阵列，该系统可以以较低的成本提供更好的解决办法。遮光器结构可以覆盖所有透镜中除去一个之外的其余全部。遮光器可以是卷轴、叶子、线状层的形式或安装在第二旋转台或半球上的遮光器阵列的形式，所有遮光器中除去一个其余均覆盖着透镜。
计算显示，适当数目的透镜将提供30英尺处远小于一平方英尺(例如，每个线性尺寸为3-6英寸)的空间分辨率。对于不同应用的分辨率可以不同。阵列可以探测轻微的温度升高，甚至在低f/停止数目的透镜(例如8个)，因此能够察觉到阴燃火。存储器可以记载每个场地的温度并注意指示不希望的火的温度变化。温度的变化可以是一段时间内关于一个区域或者一个点和/或关于其他区域或点的变化。在特定环境下视域可以定义一个区域或点。例如，在着火点，通过相应透镜的视域，与适当的硬件和软件结合，观察或聚焦的探测像素可以被训练为知晓该源头是目标着火点或一个小关注点。通过在像素外涂覆吸收性金属涂层，阵列中同样具有对MWIR和LWIR射线敏感的交替像素。本系统的红外传感器可用在探测外观不可视处的火灾的防火帽上以探测火灾。
本系统可以是壁挂或永久固定安装的火灾探测系统。固定列透镜的视野可以提供固定视域的阵列或场地的一部分，因此可以在没有注册或特定场地数据情况下基于逐个像素地察觉温度变化。可能有公知的热点(例如，火炉、热水管、或壁炉)，这些地点不是一定要关注的点可以被系统忽略。该阵列可以包括一个或多个调制至8-12微米段的辐射热测量计。
探测系统可以具有使用小型低成本阵列的相机。该相机可以很慢，因为火灾探测不需要视频速率。甚至带有小透镜的慢速相机可以具有高的温度分辨率。因为视频速率可以很慢，所以每次具有一个透镜打开的透镜阵列能够提供没有移动部分的固定图像组，除了打开和关闭遮光器的那部分之外。一个或多个伴随相应透镜组合的像素注意和记录在一段时间内的温度变化，这在观测空间例如房间内可以提供点或区域的温度历史。根据视域，透镜的半球和探测像素阵列可为红外观测不同空间或房间层而设计。
探测系统的相机可以具有阵列大小为50*50像素，每个像素大小为100微米(0.004英寸)。阵列尺寸可以约为0.2*0.2平方英寸面积。阵列尺寸将导致每6英寸晶片的近100个芯片。半球尺寸约为0.8英寸。30英尺处空间分辨率约为3英寸。透镜的视域约为17度。透镜直径约为50密耳，透镜间距约为0.125英寸。透镜f/#可以约为8。探测系统的温度分辨率小于5摄氏度。相机的帧速率是每透镜为一赫兹。本说明仅是示范性示例。为了特定应用，可以选择和设计特定技术规范至系统。可设计透镜上的遮光器设置以使每次打开不超过一个透镜。
由于相机或探测器阵列的不同参数，可以获得不同温度分辨率。对于像素大小为50微米，透镜f/1和30赫兹帧速率，分辨率可以约为0.2摄氏度。与50微米、f/8和30赫兹的参数相对应，可以产生的分辨率大约为30摄氏度。50微米、f/8和0.3赫兹的参数可以导致分辨率为3摄氏度。100微米、f/8和0.3赫兹的参数可以导致分辨率为1摄氏度。
图1显示一种红外火灾探测器系统10。可以有具有探测器阵列18的模块11和透镜结构(图3a)。阵列18可以具有一个或多个探测器元件。具有视域(FOV)透镜选择器的模块12可连接至模块11。具有带有存储器的处理器/计算机的模块13可以连接至模块11和模块12。探测器阵列18可以包括处于透镜或小透镜的半球后面的辐射热测量计或其他1R传感器阵列，每次只选择和打开一个透镜或小透镜，在探测器阵列上投射场地的一个特定视域。因此，在这种配置中，每次只在阵列18上投射仅一个视域。每个视域相对于其它视域都是唯一的。可以通过模块12提供透镜或视域选择。选择受到遮光器配置或其它允许仅一个透镜在阵列上传送或投射图像的机械装置的影响。在模块13的存储器中可以记录特定FOV的图像。一个FOV在一段时期的系列图像可以指示在该FOV处温度是否变化。可以以类似的方式探测和记录其他视域。没有必要注册、登记或校准。每个点可以与关注变化的一个或多个像素匹配。对于可能关注的火灾或其他危害，可以审查现场的一个或多个FOV中的温度变化。为了审查和分析，处理器可以将探测器信息描绘成地图或场地的图示形式。不同FOV的透镜选择可通过模块13提供至模块12。
图2a、2b和2c显示结构14，其可以包含和保持用于提供不同视域的透镜或小透镜15。结构14可以具有圆形或半球形或其他形状。图2a是结构14中的一组透镜15的图表。可以具有比所显示的那些更多或更少的透镜，因为图2a、2b和2c构成一个用于示范说明的例子。图2b是为场地的某一视域的多个透镜15中单挑出的透镜16的图。图2c是显示遮光器17(也就是暗点)的结构14的图，遮光器覆盖或关闭全部透镜15，除了一个透镜15之外，该透镜可设计为与透镜16一样，透镜16用于或将用于投射其场地的视域至IR探测器阵列18上。
图3a和3b是显示探测器阵列18与结构14和其透镜15之间关系的图。在图3a中，例如结构14的透镜16可投射视域19至探测器阵列18上。其他透镜15由遮光器17遮蔽以防止其他视域同时投射到探测器18上。在图3b中，作为前述已经提及的结构14的透镜15，作为另一个例子，其他透镜21可以投射不同的视域22至探测器阵列18上。相似地，包括透镜16的其他透镜15由遮光器17(由点或虚线表示)遮蔽以防止其它视域同时投射至探测器阵列18上。每次可执行一个或多个线性遮光器覆盖多个透镜。
图4是带有模块11的区域23的图，模块11具有探测器阵列18，结构14和带有遮光器17的透镜15。模块11从较小的壁挂模块11沿箭头24的指向放大。未被遮住的透镜25可以提供视域26至探测器阵列18。视域26可以覆盖出口27，该出口27可能会意外地变得很热；尤其是如果存在一些短路或过载，例如，电器的反向制动。其他视域28，29，31和32以虚线表示；然而，它们相应的透镜可通过遮光器17被关闭。探测器阵列18上的视域28可以揭示热点但并不是关注项目，因为其被识别为带有炉火34的壁炉33，其被理所当然的承认为正常热点。然而，视域29可以覆盖位于地面36上的热点或阴燃煤块35。当视域投射至阵列18而且相应信号发送至模块13的存储器和处理器(图1)时，通过模块13的处理器可以指示可能危险情况的警报，并引起操作者的注意。视域31和32是附加实施例；然而，相应于各自透镜15的其他视域可以提供场地23的彻底覆盖。
图5是具有探测器阵列18和带有透镜15和遮光器17的结构14的模块11的侧视图。在图5中显示半球型式透镜结构14。通过连接器41和电线或其他形式连接器42，由FOV模块12的透镜选择器控制透镜15的遮光器17。所有的遮光器17可以通过线、电线或连接器42连接，尽管连接器42的一部分未在图10中显示。可能仅需要少量电线或连接器42，因此遮光器17可选择为代码、栅格排列、多路复用等等。图5中，已选透镜可以为透镜37，透镜37带来视域38，以及聚焦在阵列18上的可视图像38光线39。透镜的数目和视域可以由于应用或其他原因而不同。
图6是具有图5的半球透镜结构14但没有遮光器17和它们相应的控制结构的系统10的图。代替遮光器，模块11可以具有半球形外壳44，其在形状上符合和适合半球形透镜结构14的前部。外壳44可以是不透光的，除了一个孔径45以外，为了特定视域该孔径移向结构14的多个透镜15中的所选透镜上。由外壳44遮住的透镜15用点或虚线画出。在图6的示例中，可选择透镜37以提供视域38至探测器阵列18。从结构14至外壳44的距离46为了示例的目的被放大。距离46可以大约为毫米级；即，该距离或行距可以足够小以阻止光线从为特定透镜设计的孔径45进入与该特定透镜邻近的透镜到干扰系统10的操作的程度。外壳44可通过FOV模块12的透镜选择器在不同方向上旋转以在结构14上选择特定透镜。FOV选择器模块12可以从模块13中接收透镜选择信息。模块13可以从阵列18中接收信号用以记录和分析。
探测系统10可以只具有少量透镜和相应视域，或者可以具有较多透镜和相应视域，范围达到几百或更多。图7a、7b、7c、8a、8b、9、10和11是具有分别比相应的图2、2b、2c、3a、3b、4、5和6中示出的系统10更多透镜装置的探测系统10的图。相应图中相同的部件通常具有相同的参考标号。
阵列18可以具有LWIR探测器。阵列18可为LWIR和MWIR设计。可以为LWIR使用一个滤波器，为MWIR使用另一个滤波器。没有滤波器而只有MWIR时敏感性不充分。系统10可以用LWIR开始目标探测。随着目标越来越热，随后系统可以用MWIR继续它的探测。
在本说明书中，尽管以其他形式或时态说明，一些情况可以是假设或预示性质的。
尽管本发明已经关于至少一个实施例进行了描述，对本领域技术人员来说，当读到本说明书时，显而易见可以想到有很多变化和修改。因此所附的权利要求书意欲在现有技术中尽可能广泛地解释以包括全部这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于探测轻度燃烧的系统(10)，包含：
传感器(18)；和
与传感器(18)相连的结构(14)，其用于每次从多个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)中提供一个视域至该传感器(18)；和
其中该传感器(18)用于探测LWIR射线。
2.如权利要求1的系统(10)，进一步包含：
连接至结构(14)的视域选择器(12)；以及
连接至传感器(18)和视域选择器(12)的处理器(13)；
其中该传感器(18)用于提供视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的图像至处理器(13)；和
处理器(13)用于加亮一段时间内或关于其他视域(19，22，26，28，29，31，32，38)在温度上显示变化的任意视域(19，22，26，28，29，31，32，38)。
3.一种火灾探测系统(10)，包含：
具有多个透镜(15，16，21，25，37)的结构(14)；
与该结构(14)相连的传感器(18)；和
连接至该结构(14)的透镜选择器(12)；和
其中每个透镜(15，16，21，25，37)用于提供视域(19，22，26，28，29，31，32，38)至传感器(18)；和
透镜选择器(12)用于选择一个透镜(15，16，21，25，37)以提供视域(19，22，26，28，29，31，32，38)至传感器(18)。
4.如权利要求3的系统(10)，进一步包含具有存储来自传感器(18)的视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的图像的存储器的处理器(13)，其中该处理器(13)用于组合多个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的图像为场地(23)图。
5.如权利要求3的系统(10)，其中透镜选择器(12)包含用于每次只允多个透镜(15，16，21，25，37)中的一个透镜提供视域(19，22，26，28，29，31，32，38)到传感器(18)的遮光器机构(17)。
6.如权利要求3的系统(10)，其中
该结构(14)具有半球形表面；和
多个透镜(15，16，21，25，37)分布在半球形表面上。
7.如权利要求6的系统(10)，其中
该结构(14)包含邻近于半球形结构的半球形外壳(44)；
半球形外壳(44)具有孔径(45)；
该外壳(44)被移动以使孔径(45)与从多个透镜(15，16，21，25，37)中选择的一个透镜对准，以允许视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的图像到达传感器(18)；和
该外壳(44)用于阻止光线进入多个透镜(15，16，21，25，37)的其它透镜中。
8.一种红外火灾探测器，包含：
传感器(18)；和
机构(14)，用于每次从场地(23)中提供一个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)至传感器(18)；和
其中传感器(18)用于从视域(19，22，26，28，29，31，32，38)中检测红外图像；和
用于每次提供一个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的所述机构(14)具有透镜(15，16，21，25，37)配置，该透镜配置用于提供场地(23)的两个或多个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)。
9.如权利要求8的探测器，进一步包含：
连接至用于每次提供一个视域(19，22，26，28，29，31，32，38)的机构(14)的视域选择器(12)；和
带有存储器的处理器(13)，用于从传感器(18)中接收图像并且将该图像输入至存储器中以用于当前或随后的评估；和
其中视域选择器(12)用于按顺序排列机构(14)以根据预定形式通过场地(23)的视域(19，22，26，28，29，31，32，38)每次提供一个视域。
10.如权利要求8的探测器，其中
传感器(18)包含对LWIR或LWIR和MWIR射线敏感的元件阵列；
LWIR射线经常在轻度或早期燃烧中被探测；和
MWIR射线经常在比轻度燃烧更高等级中被探测。
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