CN101958033B - 被动毫米波隐藏火源探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于被动毫米波辐射探测的隐藏火源探测系统，通过对目标区域被动毫米波辐射的探测实现该区域内隐藏火源探测的目的，可应用于城市消防和森林防火。在本发明中，利用毫米波对非电解质材料的穿透性以及火源和非火源的毫米波辐射强度存在很大差异的特性，通过对目标区域的毫米波辐射探测，获得辐射强度并反演出目标区域内的实际平均温度范围；同时温湿传感器获取现场的温度和湿度参数，利用预设模型计算获得目标区域内无火源时的正常平均温度范围；将目标区域探测获得的实际平均温度范围和模型计算获得的正常平均温度范围进行比较，最终可实现对被探测的目标区域的隐藏火源探测。

Description

被动毫米波隐藏火源探测系统

技术领域

本发明主要涉及基于被动毫米波辐射探测的隐藏火源探测系统，尤其是利用火源的毫米波辐射特性和穿透性，实现对火源，特别是隐藏火源的一种探测系统，属于毫米波辐射探测与应用领域。

背景技术

火源探测技术是人类依靠科学技术与火灾做斗争的有效手段之一。从19世纪40年代到20世纪40年代，这漫长的100年，感温探测器占主导地位，火灾自动报警系统处于初级阶段。最早的火源探测技术当推1890年英国人研制的感温探测器，开创了历史上火源探测技术的先例。这一时期的火灾探测技术主要是根据感温探测器采集的温度信号，判定它是否超过某一阈值。从上世纪50年代到70年代这三十年中，感烟火灾探测器登上舞台，将感温火灾探测器排挤到次要地位。这一阶段火灾信号传输采用多线制，一般要求每个火灾探测器采用两条或更多条导线与火灾报警控制器相连接，以确保从每个火灾探测点发出火灾报警信号。从上世纪80年代开始至今，总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起。在此之前，由于电子器件的落后，人们研究总线制火灾自动报警系统的设想很难实现。随着单片机技术的普遍应用，同时也因为多线制系统的工程安装布线和维修都很不方便，人们开始将单片机技术用于火灾报警控制系统中，并采用了总线制的信号传输方式。

到目前为止，火源探测报警技术已发展成为一门多学科、多专业的综合应用科学，它已成为人类同火灾作斗争的重要手段，在预防火灾、保护国家经济建设和人民生命财产安全方面发挥了巨大的作用。现代火源探测系统已全面向集成化、智能化、多功能化及总线传输化的方向发展。火源探测技术开始从单元探测向多元复合探测过渡，一种新型的多功能、高可靠性的多元复合探测技术正在蓬勃兴起，并取得较大进展。

在火源探测系统中，是以物质燃烧过程中产生的各种现象为依据，以实现早期发现火灾为前提。因此，根据物质燃烧过程中发生的能量转换和物质转换所产生的不同火灾现象与特征，产生了不同的火灾探测方法。目前主要的探测方式主要是基于火源燃烧产生的温度、特定气体含量、烟尘颗粒和声音上的变化来判断，相应的产生了各种火源的探测器。目前应用最为广发的一种用于室外火源探测的方法是红外探测器，由于其对于温度具有很高的灵敏度，被广泛的应用于森林防火系统中。另一种火源探测器是在办公楼内普遍采用的烟雾探测器。这些火源探测系统的使用使得人们可以及时发现和处理，大大降低了火源导致的火灾而产生的巨大破坏。

在上述红外火源探测系统，可见光视频监控系统，或者烟雾探测系统中，都很难对曾在遮挡的隐蔽的火源的探测。在森林火源探测系统中，由于红外线和可见光都无法穿透高大浓密的树林，因此无法对其中的微小火源进行有效探测。而在城市中，由于各类墙体，板材，窗户，室内家具等都会让我们无法发现其背后存在的火源，特别是在消防员进行扑灭火源的时候，由于无法及时发现隐蔽的火源，会导致非常严重的后果。

由于毫米波具有本发明提出的基于被动毫米波隐藏火源探测系统则可以有效的解决上述问题。毫米波波段是介于光波和无线电波之间的波段，其频率范围是30GHz～300GHz，相应的波长为10mm～1mm。随着相应技术的发展以及在一些重要应用场合下红外或可见光技术不能提供最佳的解决方案，毫米波由于其区别于普通微波(厘米波)和红外以及可见光的特点(即能穿透云，雾及烟尘，以及某些非电介质板和墙体)，其潜在的研究和应用价值日益突出，所以近年来对毫米波的研究掀起高潮。近年来，毫米波目标探测技术在汽车防撞系统、飞机着陆导航设备、无损检查仪器等新兴应用领域日益显示出其优越性。

毫米波目标探测技术可以认为是把人们十分熟悉的红外和光学目标探测方法推广到毫米波波段。根据毫米波准光学技术的研究，毫米波兼具无线电波和光波的特点。利用毫米波辐射测量得到的物体信息与可见光和红外方法获得的信息是有所不同的，它能够帮助人们更全面地了解和研究物体的特性。尽管一般物体的毫米波辐射强度远远低于其红外辐射强度，但是由于毫米波探测系统的接收性能的不断改善，接收机高频前端具有较低的噪声系数、较高的功率增益和较宽的频率带宽，毫米波探测系统的探测灵敏度已经明显提高，在一定程度上也弥补了其不足之处。众所周知，由于毫米波的波长是红外、可见光的数百甚至数百万倍，毫米波探测系统分辩目标物体外形和大小的能力不及红外或可见光系统，但是毫米波由于其独特的个性所产生的特定条件下的应用也弥补了红外或可见光在应用上的不足。

被动毫米波目标探测是近年获得广泛注意的一项新型目标探测技术，其系统自身不发射毫米波波束，只是接收目标物发射或散射的毫米波辐射，能够很好的克服目标的角闪烁效应。被动毫米波探测器又叫毫米波辐射计，它由一部毫米波接收机和天线组成，可以利用体积相对较小的设备获得较好的辐射测量能力。在火源探测方面，正是由于毫米波具有的特殊性质，使得被动毫米隐藏火源探测系统成为火源探测的一种更加有效途径。

发明内容

本发明涉及一种新型被动毫米波隐藏火源探测系统，用于森林、城市的火灾监控，以及在火灾现场中发现隐藏的火源，并发出警示。被动毫米波隐藏火源探测系统接收来自目标区域的毫米波辐射信号，经处理以获得目标区域内的实际平均温度范围，并与正常平均温度范围进行对比从而做出火源探测结果和对应警示，同时采用噪声注入校正技术对被动毫米波隐藏火源探测系统进行实时校正。

本发明主要利用毫米波的特殊性质和噪声注入校正技术实现了被动毫米波隐藏火源探测系统，采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的被动毫米波隐藏火源探测系统，其基本过程如下：毫米波天线接收目标区域辐射的毫米波信号后进入隔离器，经低噪放大器放大后进入毫米波探测器，采集卡将探测到的毫米波信号转换为数字信号输入到信号处理器中；在信号处理器中，利用目标区域模型库和温度反演算法，根据采集卡输出的数字信号和温湿度探测器输出的环境参数，可计算出目标区域的实际平均温度范围和正常平均温度范围，在信号处理器中同时对实际平均温度范围和正常平均温度范围进行比较，最终做出隐藏火源的探测结果并通过报警器发出相应的声音和灯光提示，同时将探测结果通过数据传送器发送出去；本发明中采用噪声注入校正法对被动毫米波隐藏火源探测系统进行实时校正，通过信号处理发出指令给噪声控制器来控制噪声源中噪声信号的产生，该噪声信号通过毫米波耦合器进入隔离器，最后被探测进入信号处理器中，结合噪声信号可修正温反演算法，最终实现对毫米波接收探测子系统的实时校正。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)毫米波天线：接收来自目标区域的毫米波辐射，其中心工作频率根据应用背景选择，在森林火源探测系统中，考虑到探测距离较远，应该尽量选择大气窗口的波段。

(2)耦合器：将噪声源产生的噪声信号耦合到毫米波接收探测系统中。

(3)隔离器：避免低噪放大器的反射信号对天线接收信号和噪声信号产生影响。

(4)低噪放大器：由于天线接收的目标毫米波非常微弱，其量级在fW到pW之间，毫米波探测器无法直接探测到，必须进行放大才能探测到。

(5)目标区域模型库：针对本发明的不同工作环境，建立相应的目标区域模型，以及毫米波探测强度和目标区域平均温度范围关系，一般经过大量实验获取数据和经验公式。

(6)噪声源：产生确定温度的热辐射的一个噪声信号，该噪声信号是确定已知的，因此与探测结果进行比较就可以实现探测系统的校正。

(7)噪声注入校正：由于探测系统会随着时间和环境的变化，系统噪声会发生变化，为了准确测量出毫米波天线接收的毫米波信号，必须对系统进行校正。本发明中通过对探测系统注入噪声信号，由于该噪声信号是已知设备发出的已知噪声信号，经过探测系统后，可以对比探测结果和已知噪声信号，从而获得探测系统误差，该误差可以在温度反演算法中加入相应的偏置量予以校正，因此在随后的探测中就消除了误差的影响，上述噪声以一定的频率注入到探测系统中，就实现了实时校正。

本发明的主要特色：主要利用毫米波辐射与传输的特殊性质、噪声注入校正技术、以及预先建立的目标区域模型库，三种技术实现了被动毫米波隐藏火源探测与报警系统。

本发明的效益与应用前景：(1)森林防火：可以成为目前森林防火系统中的可见光探测和红外探测的一种重要补充，可以在浓雾、浓烟和沙尘等特殊天气条件下，以及浓密森林遮蔽下的火源实现有效的探测；(2)城市消防：本发明提出的系统可以集成到一个小型的毫米波集成电路上，安装到消防设备中，用于火灾现场对火源的探测，以及时发现隐藏火源，降低危险并减少经济损失。

附图说明

图1为本发明被动毫米波隐藏火源探测系统图

具体实施方式

如图1所示的被动毫米波隐藏火源探测系统中：

毫米波接收探测子系统用于接收和探测目标区域辐射的毫米波信号并转换为数字信号。毫米波天线1可以选用具有大气窗口的35GHz，94GHz，140GHz，220GHz波段附近的喇叭天线或微带天线，这样可以使系统具有数十公里的探测距离。在浓烟的火灾现场或火源被隐藏在障碍物背后的情况下的目标区域，隐藏火源辐射的毫米波信号可以穿透各种障碍物到达毫米波天线并被接收，后进入耦合器2和隔离器3。隔离器3是一个单向输入器件，目的是避免低噪放大器反射毫米波信号影响测量结果。隔离器3后面的经低噪放大器4主要实现对探测的被动毫米波辐射信号进行放大以便进行探测，毫米波探测器5正是用来探测该放大后的信号。本实施方式中的毫米波相关器件都可从WiseWaveTechnologiesd Inc.公司根据工作频率购买得到。最后，采集卡6将探测到的毫米波信号转换为数字信号输入到信号处理子系统中。

信号处理子系统主要处理毫米波接收探测子系统输出的数字信号，给出目标区域的实际平均温度范围和正常平均温度范围，并对二者进行比较获得隐藏火源探测结果。信号处理器11可以选择廉价的C8051系列处理器；目标区域模型库10则通过针对混凝土墙，木板，复合材料板，树林等背景建立其对应函数关系库；温湿度传感器9则可以选用常温下广泛使用的廉价温湿度计。在信号处理器11中，利用目标区域模型库10和温度反演算法，根据采集卡6输出的数字信号和温湿度探测器9输出的环境参数，可计算出目标区域的实际平均温度范围和正常平均温度范围，比较二者即可获得隐藏火源探测结果。

在探测结果处理子系统中，探测结果通过数据传送器13被发送出去。同时，通过探测结果还通过报警器12发出声音和灯光提示。

噪声注入校正子系统中，通过噪声注入校正法对信号处理子系统中温度反演算法进行修正，以实现对毫米波接收探测子系统进行实时校正。本发明中通过信号处理器11发出指令给噪声控制器8来控制噪声源7中噪声信号的产生，由于该噪声信号是已知噪声信号，由于该噪声信号经耦合器2进入毫米波接收探测系统后被探测到，在信号处理器11中可以通过对比探测结果和已知噪声信号，从而获得探测系统误差，该误差可以在温度反演算法中加入相应的偏置量予以校正，在随后的探测中就消除了误差的影响。上述噪声以一定的频率注入到毫米波接收探测系统中，就实现了实时校正。

Claims (5)

1.一种被动毫米波隐藏火源探测系统，其特征是：所述被动毫米波隐藏火源探测系统包括毫米波接收探测子系统，信号处理子系统，探测结果处理子系统，噪声注入校正子系统，所述各子系统协同工作：毫米波接收探测子系统用于接收和探测目标区域辐射的毫米波信号并转换为数字信号；信号处理子系统负责处理毫米波接收探测子系统输出的数字信号，获取并比较目标区域的实际平均温度范围和正常平均温度范围，并给出隐藏火源的探测结果；探测结果处理子系统负责将探测结果通过数据传送器发送出去，并通过报警器发出声音和灯光提示；噪声注入校正子系统中，通过噪声注入校正法对信号处理子系统中温度反演算法进行修正，以实现对毫米波接收探测子系统进行实时校正。

2.根据权利要求1所述的被动毫米波隐藏火源探测系统，所述毫米波接收探测子系统由毫米波天线、隔离器、低噪放大器、毫米波探测器和采集卡组成，其特征为：目标区域辐射的毫米波信号被毫米波天线接收后进入隔离器，经低噪放大器放大后进入毫米波探测器，采集卡将探测到的毫米波信号转换为数字信号输入到信号处理子系统中。

3.根据权利要求2所述的被动毫米波隐藏火源探测系统，所述信号处理子系统由目标区域模型库和温度反演算法，信号处理器，温湿度传感器组成，其特征为：利用目标区域模型库和温度反演算法，可根据采集卡输出的数字信号和温湿度探测器输出的环境参数，在信号处理器中计算出目标区域的实际平均温度范围和正常平均温度范围，并对实际平均温度范围和正常平均温度范围进行比较，最终做出隐藏火源的探测结果。

4.根据权利要求1所述的被动毫米波隐藏火源探测系统，所述探测结果处理子系统由报警器和数据传送器组成，其特征为：信号处理子系统所得的隐藏火源探测结果通过报警器发出相应的声音和灯光提示，同时将结果通过数据传送器发送出去。

5.根据权利要求3所述的被动毫米波隐藏火源探测系统，所述噪声注入校正子系统由噪声控制器、噪声源和毫米波耦合器组成，其特征为，信号处理器发出指令给噪声控制器来控制噪声源中噪声信号的产生，该噪声信号通过毫米波耦合器进入毫米波接收探测子系统后输入到信号处理器，结合噪声信号可修正温度反演算法，最终实现对毫米波接收探测子系统的实时校正。