CN102539384B - 微粒探测器，系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供，联合图像捕捉设备(14)，例如一个或者更多视频摄像机和/或光学元件使用一种或者多种发射线束(16)，例如激光束，来探测位于开放空间(12)的微粒(30)，例如，烟雾微粒。

Description

微粒探测器，系统与方法
相关申请
本申请是申请日为2005年11月14日、申请号为CN200580046445.2、名称为“微粒探测器，系统与方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种改进的传感器仪器和改进的检测方法。更确切地说，本发明涉及一种改进的微粒探测器和探测微粒的方法。下文将针对使用一束或多束放射型射线束，如激光束，探测位于开放空间中的微粒描述发明，然而，可以理解，本发明不仅只限于此用途。
背景技术
整个本说明书中，使用单数形式的“发明人”，可以认为涉及本发明的一个(单数)或所有(复数)发明人。发明人已确定下列相关技术。在一个区域内探测微粒的方法有多种，例如所述区域为房间、建筑物、封闭空间、或者开放空间。有些方法包括在区域中对空气取样，并使取样的空气通过探测器腔，以此，微粒得到探测，并且对例如在所关注区域中的大量烟雾进行评估。这样的仪器以吸入式感烟探测器为例，如申请人出售的LaserPLUSTM感烟探测器。
其他探测器放置于所关注区域，并利用一个传感器探测传感器附近的微粒。这类探测器的一个例子是点型探测器，其中空气经过发射器和传感器之间，便可直接探测到所关注区域的微粒。
在这两种探测器中，如果微粒未进入取样点(吸入式探测器)，或者未经过电型探测器的发射器和传感器之间，微粒将不能被探测。由于许多建筑物使用从区域抽气的空气处理设备，比如空调，因而不能保证悬浮微粒不通过空气处理管道排放到区域外而被探测到。很难在室外区域或很大的室内场馆使用上述的探测微粒的方法，因为可能没有合适安装点型探测器或取样点及连接管的位置。
用于探测例如烟雾的其它设备包括第3,924,252号美国专利(Duston)中公开的探测器，该探测器利用激光器和光电二级管探测从微粒散射的光。此设备使用角形反射器将光反射到发射器。Duston需要反馈电路探测光束是否被发射或阻滞。
另一种类型的探测器为“束型探测器”，该束型探测器测量来自投射光源的信号强度的衰减，该投射光源由悬浮在投射光里的烟雾微粒产生。这些探测器，即束型探测器和Duston中公开的探测器，具有相对低的敏感度，并且只能测量照射区域的总衰减。
当上述探测器试图在监测区域内，例如室内房间、大型室内场馆和室外区域，利用发射线探测微粒时，上述探测器可能需要解决所面临的许多困难。其中一些困难如下。提供发射线的设备和探测发射线和/或散射线的装置的安装和调试可能是繁重的。特别是，此类设备可能侵入被监测环境，并且可能需要复杂的连接，例如，有线或别的方式向设备提供控制、通信和电力。另外，需要许多具有专门技能的技术人员安装和/或调试设备。一旦安装和/或调试完成，此类设备可能会易受环境条件的影响引起测量误差，该环境条件组成受检测环境的一部分促成漂移、未对准等。此外，与报警条件无关的环境条件和事件可能会一般出现在被监测环境内，并且在探测微粒时，可能会造成误报警。很有必要探测大型房间、区域内的粒子，并且有关物理距离微粒可能会造成增加上述环境条件和事件对探测微粒效率影响的可能性，并且而且，有关距离与射线经过的路径长度有关，其本身需要高灵敏性和容错性的设备。
例如，在没有实际火险发生时，像气载灰尘这样的干扰微粒可能出现在被检测的环境内，并且造成误报警发生。例如，烟雾微粒是由于诸如在闷火中的热分解产生的微粒，然而有害微粒可能在无潜在火险的情况下由像机械的或生物的过程产生。光散射特性与微粒尺寸分布有关；并且存在多种烟雾和多种有害微粒，并且它们的微粒尺寸分布常常是相互重叠的。第3,901,602号(GravattJr)的美国专利公开了使用光散射单元光散射的方法和仪器，用于化学法鉴别诸如浮质中找到的单微粒物质粒子或多微粒物质粒子，而不收集与化学方法分析材料。根据Gravatt，在单微粒分析的情况下，平面偏振光撞击到微粒上，并且测量散射到在指定角范围中的偏振面上的光强度。该强度与微粒吸收系数和微粒尺寸有关。多微粒分析时，同样测量散射到与偏振面正交的平面上的光强度以确定物质的微粒总量。此信息可用于标准化第一散射光束的强度测量。Gravatt提出的感烟探测器作为体现多微粒分析技术的仪器，由此，可以被探测火焰产生的浮质，而不受火焰产生的相似密度的浮质的干扰。
包括本说明书讨论的任何文件、装置、条款和知识来解释本发明的内容。本说明书不承认本资料中的任何材料构成在此说明书和权利要求书优先权日的或之前的澳大利亚或任何其它地方的相关领域内现有技术基础或公知知识的一部分。
发明内容
本发明的目的在于，提供减轻现有技术领域中的至少一种缺陷的方法和仪器。
本发明在一个方面提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域的图像变化，所述图像变化标示微粒存在，其中发射和探测的步骤包括：
根据发射束的能量水平的间接比例关系确定射线束开启周期(ONperiod)和图像捕获设备曝光期。
另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域的图像变化，所述图像变化标示微粒存在，其中方法还包括以下步骤：
减轻所探测图像中的一个或多个变化以及变化的原因，所述变化
对应于除了所关注的粒子存在之外的事件。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域中图像的变化，所述图像的变化标示微粒存在，其中方法还包括以下步骤：
用探测仪探测仪探查发射束用以调试探测步骤。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域中图像的变化，所述图像的变化标示微粒存在，其中方法还包括以下步骤：
将射线束分为多个片段；
确定每一射线片段图像变化；
为控制点提供被确定的每一片段图像的变化，以模拟多个点型微粒探测器
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域的图像变化，所述图像变化标示微粒存在，其中方法还包括以下步骤：
确定被监测区域内空间中预定的图解点(geometricpoint)的位置。
在另一方面，本发明提供使光源与图像捕获设备同步的方法，包括：
允许所述源以预定频率开关振荡；
识别由图像捕获设备捕获的一个或多个视频图像中的源，以及；
不断修正图像捕获设备的帧频率，以保持同步。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射第一射线束，以及；
用第一图像捕获装置探测区域的图像的变化，所述图像的变化标示微粒存在，并且其中图像中的变化对应于反向散射射线。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射第一射线束，以及；
用图像捕获设备探测区域的图像变化，所述图像变化标示微粒存在，其中方法还包括：
提供临近第一射线束的至少一个附加射线束，用以探测进入射线束的逼近侵扰(imminentintrusion)。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化，其中至少一个射线束和探测图像变化的设备适于传递数据。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
补偿被探测图像的畸变。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像中的变化；
对被探测的图像应用权重函数，有选择地解析图像部分。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射多束射线；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
调节所述射线束顺序运作。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像中的变化；
调节射线源和探测图像的设备中至少之一以受控方式被定位。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
其中，图像由位于至少两个位置的图像探测器探测。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
监控(supervise)射线束。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
遮掩被探测束的中心部分，以增强图像变化的探测。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
检查适用于捕获被监测区域中图像的图像捕获设备的运行。
在另一方面，本发明提供探测微粒的方法，包括：
向被监测区域发射射线束；
探测标示微粒存在的区域的图像变化；
评估被探测图像，以补偿被探测的图像的变化带来的干涉。
在另一方面，本发明提供适用于探测微粒的仪器，所述仪器包括：
适用于按预定的指令系统运行的处理器设备，
所述仪器，与所述预定的指令系统一起，适用于执行在此公开的一个或多个的方法。
其他方面，本发明的优选的特点和优势在说明书中公开，并/或在附加的权利要求书中被定义，构成本发明说明的一部分。
从下文给出的详细说明本发明的进一步应用范围将变得更加明显。然而应该明白，尽管表示本发明优选实施例，但仅通过示例性给出详细说明和具体实施例，因为根据该详细说明，多种变化和修改在本发明实质和范围之内对本领域技术人员来说将更加明显。
附图说明
结合附图参考一下优选实施例的说明，本领域技术人员可更好地理解本发明的进一步的公开、改进、优势、特征和方面，其通过示例性给出，而因此不限制本发明的范围，其中：
图1示出了探测器系统的实施例的侧视图示；
图2示出了图1中的探测器系统的图像捕获设备和发射器位置的实施例的俯视图；
图3示出了根据优选实施例的被图2中的图像捕获设备捕获的图像的立体图；
图4示出了根据优选实施例的图1中的探测器系统的信号处理的系统概括工作流程；
图5示出了由图1实施例中的图像捕获设备捕获的数据分割的图形描述；
图6示出了由图1实施例中的图像捕获设备捕获的数据结合的图形描述；
图7a-c示出了根据优选实施例的说明被图1中的探测系统执行的背景消除的图像；
图8示出了在软件实施例中用于计算像素半径的方法的图形描述，该软件结合图1的探测器系统的操作使用；
图9是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图10是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图11a-c是根据本发明的探测器系统的其它实施例的俯视图；
图12示出了图1中的探测器系统的一部分的图示；
图13示出了图1中的探测器系统的图像捕获设备捕获的图像数据的图示；
图14是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图15是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图16是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图17是根据本发明的探测器系统的另一实施例的透视图；
图18是根据本发明的探测器系统的另一实施例的俯视图；
图19是根据本发明的探测器系统的另一实施例的方块系统图；
图20是根据本发明的另一优选实施例的光路装置的图示；
图21是根据本发明的另一优选实施例的光路装置的图示；
图22是根据本发明的另一优选实施例的光路装置的图示；
图23是根据本发明的另一优选实施例的光路装置的图示；
图24示出了根据多激光器操作的包括时间图指示信号的本发明的另一实施例的俯视图；
图25是本发明的另一实施例的立体图；
图26是本发明的另一实施例的立体图；
图27是本发明的另一实施例的立体图；
图28是根据图27中本发明的实施例拍摄的像图；
图29是根据图27中本发明的实施例拍摄的另一像图；
图30是本发明的另一实施例的侧景透视图；
图31是根据图30中本发明的实施例拍摄的像图；
图32是根据图30中本发明的实施例拍摄的另一像图；
图33是本发明的另一实施例的侧视立体图；
图34是根据图33中本发明的实施例拍摄的像图；
图35是本发明的另一实施例的侧视立体图；
图36是本发明的另一实施例的侧视立体图；
图37是根据图36中本发明的实施例拍摄的像图；
图38根据本发明的另一实施例示出了光学元件；
图39根据本发明的另一实施例示出了光学元件；
图40是本发明的另一实施例的束监督装置；
图41是本发明的另一实施例的侧视立体图；
图42是本发明的另一实施例的侧视立体图；
图43和图44根据本发明的实施例示出了使用的束的图像和束轮廓(profile)；
图45根据本发明的另一实施例示出了遮蔽结构；
图46根据本发明的另一实施例示出了遮蔽结构；
图47和图48根据本发明的各个实施例示出了照明器设备；
图49和图50示出了本发明的各个另外的实施例的侧视立体图；
图51和图52示出了根据本发明的另外的实施例拍摄的像；
图53、图54和图55根据本发明的另外的实施例示出了使用的束的区域的图像；
图56是根据本发明的另一实施例拍摄的像；
图57和图58根据本发明的各个另外的实施例示出了光源装置。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中，提供探测微粒的方法和仪器，包括向被监视区域发射射线束和探测标示微粒存在的区域的图像变化。更独特的，本发明的实施例提供微粒位置的指示。本质上，本发明的实施例提供微粒微粒探测系统，该系统提供被探测粒子的可寻址能力，即，可直接探测他们的位置而不用对被监视环境取样，或者不必在微粒探测环境中的有利位置放置探测器。射线束可包括从一个或者多个光源发射的一个或者多个光束，并且被监控区域或者地带的图像的变化可被一个或者多个像摄像机一样的图像捕获设备探测。
在本发明的另一优选实施例中，提供计算机程序产品，其包括：
计算机可用介质，具有微粒包含在所述介质中的计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，用于探测数据处理系统中的微粒，所述计算机程序产品包括：
所述计算机可用介质中的计算机可读代码，其用于执行在此公开的方法步骤。
在特殊方式中，本发明提供探测微粒的方法，其包括向被监视区域发射射线束和探测标示微粒存在的区域的图像变化，其中，该方法还包括调整射线束的步骤。包含优选实施例的方法和特点的另外步骤可包括识别图像中的关注范围，显示被监视区域的相应地带。地带内散射射线可以相应图象的一个或多个片段显示，使得在区域中微粒的位置被识别。微粒的位置可根据发射线的源的位置、发射线的方向和图像探测的点之间的几何关系确定，其中几何关系由图像确定。探测到的变化可能是散射线强度的增量。散射线强度的增量可能参照域值估计。散射线强度的增量可通过图像的平均累计强度值计算。方法可包括为区域中不同空间位置分配不同的阈值。方法可包括沿路径引导射线并且在图像中识别目标，目标表示射线入射在区域中的物体表面上的位置。图像中目标的位置可被监控，并且射线的发射可响应目标的位置的变化而停止。方法可进一步包括识别图像中发射器的位置。此外，方法可包括基于被识别的发射器位置的射线强度确定发射器的运行状况。图像可能作为帧处理，帧分成节，表示被监视区域中的空间位置。同样，方法可包括监视与图像节相关的强度水平，并且为区域内对应相关节的不同空间位置分配不同的阈值。
在另一实施方式中，本发明可提供监视区域的仪器，其包括：
将包括至少一个预定特性的射线束导入区域中的发射器；
获取区域的至少一个图像的图像捕获设备；以及
处理器，用于解析至少一个图像以探测图像之间的至少一个特性的存在或变化，标示区域内微粒的存在。
处理器可适合根据发射器的位置、定向的射线束和图像捕获设备之间的几何关系确定微粒的位置，其中，几何关系由解析的图像所确定。仪器可包括多个发射器，设置为引导射线沿不同的各自束路径。仪器进一步可包括一个或者多个的滤光器以使图像捕获设备适于优先从发射器，而不是从其它源捕获射线。滤光器可能是一个或者多个或者是以下的结合：
时间滤光器
空间滤光器
带通滤光器
偏振光滤光器
图像捕获设备优选包括衰减器。衰减器可包括可变光圈设备。捕获可使用多个图像捕获设备。优选地，图像捕获设备包括照像机。同样优选的是发射器包括激光器。
在另一优选实施方式中，本发明提供探测微粒的方法，其包括以下步骤：确定射线束的路径，包括放置第一图像捕获装置观察射线源和至少一部分射线束的路径；向处理器传递源的位置；放置第二图像捕获装置观察射线束的撞击点；向处理器传递撞击点的有关位置信息；根据源的位置和撞击点的位置信息之间的几何关系确定束的路径。
在另一优选实施方式中，本发明提供探测微粒的方法，其包括以下步骤：确定包含射线束的路径的关注区域，包括定位第一点，于束源的位置，使用图像捕获设备；用图像捕获设备的视场定位第二点与射线束相交，根据第一和第二点确定束径；计算含有所确定束径的重要区域。定位第二点的步骤可用至少一个全部或部分透明的探测仪实现，并且一旦定位，该探测仪优选从束径移开。
在另一优选实施方式中，本发明提供确定所关注区域中至少一个或者多个子区域中的微粒或者，尤其烟雾微粒的水平的方法，其包括：引导区域中的射线束，用图像捕获设备选择至少一部分束径的景象(view)，确定相对于图像捕获设备的射线源的位置，确定相对于图像捕获设备的束的方向，将射线束分成片段，确定片段和图像捕获设备之间的几何关系，调整由每一片段的图像捕获设备接收的光线水平，以便于考虑到几何关系。片段包括至少一个像素，并且微粒片段优选分组形成为粒子探测的子区域。
在优选实施方式中，本发明提供适合探测微粒的仪器，所述仪器包括适合根据预定指令系统操作的处理器设备，所述仪器，与所述指令系统一起，适合执行在此公开的方法步骤。
在本发明的实施例中，提供计算机程序产品，其包括：计算机可用介质，具有微粒包含在所述介质中的计算机可读程序代码和计算机可读系统代码，用于在数据处理系统中探测粒子，所述计算机程序产品包括：所述计算机可用介质中计算机可读代码，用于执行在此公开的方法步骤。
在图1中，示出了微粒探测器10的实施例。探测器10置于将被监视的区域12中。区域可为房间、体育场、走廊，或者其它范围。区域不必是封闭的或者室内的。
图像捕获设备14观察区域12的至少一部分，其包括含有来自发射器16的电磁射线的部分。图像捕获设备14可为摄像机或者一个或多个形成方向性敏感的电磁接收器的设备，例如，该接收器如光敏二极管或者CCD一样。在优选实施例中，图像捕获设备14为摄像机。在本实施例中，摄像机14使用全帧捕获来捕获图像，沿通信链路18向处理器20发送模拟视频信息。使用全帧捕获不是必需的。然而，为了在获取图像上技术简约、性能，以及使安装限制最小化，优选使用全帧捕获。正如本领域技术人员所理解的，可使用像行传输摄像机(linetransfercameras)一样的其他图像捕获设备14，并且可使用补偿无法从行传输摄像机得到的全帧捕获的功效的方法。另一个通信链路22提供发射器16和处理器20之间的连接。处理器20控制发射器16的输出，和/或通过通信链路22接收关于发射器16输出的信息。可选地，发射器16的状态可被摄像机14感知，或者如以下公开的一样自动被确定从而避免需要通信链路22。在优选实施例中，发射器16是产生可见的、红外的或者其他适合的射线的激光器。激光器16可结合透镜21和像视场限流器(restrictor)23一样的空间滤光器。当光束穿越均匀介质时，不存在散射，但当出现不规则介质时，束散射。因此，像烟雾颗粒一样的微粒存在时，会使激光束散射。此外，根据优选实施例，激光器16可以给定序列被调整，例如“激光开”、激光“关”。当没有烟雾存在时，包括激光束的被捕获的图像中的像素强度相同而与激光器状态无关。当烟雾存在时，激光器16开时捕获的图像的强度(因为散射)，对比激光器16关闭时的强度，存在不同。
如图1所示，选择性滤波光器具有偏振滤光器24和带通滤光器26的形式。偏振滤光器24适合允许由发射器16发射的电磁射线穿越，而防止一些背景光线进入摄像机14。有用的是，如果发射器16是发射偏振光的激光器，那么偏振滤光镜24可与激光束的偏振角对准以允许激光的最大传输量，而消除一些典型地来自随机的或者非偏振光源的背景光线。需要注意的是，对于实现这一点，光源不需要是激光。第二个滤光器26为带通滤光器，其试图仅允许预定频率范围内(即，来自发射器16的电磁射线的频率)的光线。例如，干涉滤光器或者彩色凝胶滤光板(colouredgel)可作为带通滤光器26被使用。通过使用带通滤光器(例如，基本仅允许大约640纳米的光，如果使用那个频率的红色激光)，相当大数量的背景光线将被消除，增加区域12内悬浮在空气中的微粒所散射的光线的相对强度。
其他滤光方法包括如下所述的激光器的调节和关于系统部件的位置信息的使用。
图像捕获设备可使用衰减器以控制接收的射线。可使用可控的中灰密度滤光器装置。可选地，衰减器可为用可变光圈控制强度的形式。可选择，可调整的虹膜24a可用于控制曝光水平。其可在安装时手控设置，或者系统可根据入射光水平自动设置曝光量。其原因在于为了至少在用于随后处理中的部分视场中，最小化或者消除摄像机色饱和。虹膜24a可能是机械虹膜或者LCD虹膜或者任意其他减少进入摄像机的光量的设备。一些电子摄像机合并电子快门，并且在这种情况下，可用快门时间代替虹膜24a控制曝光量。同样示出了空间滤光器24b，其可例如包括狭缝以有效遮掩射向摄像机14的入射光。例如，狭缝可遮掩射向摄像机14的入射接收光，以当其投射到摄像机14镜头的平面中时，通常与激光束的形状一致。项目26、24a、24b和24可以种种的次序或者组合物理定位。
在使用中，诸如来自发射器16的红色激光的电磁射线穿越区域12并且撞击壁或者吸收器28。摄像机14的视场包括激光的至少部分光路，并且可选择地，在区域12内的壁上或者其他永久性结构的物体上的撞击点，此时，撞击的是吸收器28。区域内空气中与激光相交的微粒，此时以微粒云30为代表，将导致激光散射。从微粒散射的一些光将指向摄像机14的传感器，并且被探测到。
如图1所示的实施例中，摄像机14向处理器20的视频捕获卡32输出模拟信息。视频捕获卡32将模拟信息转换为数字信息，其后进一步由计算机34处理。该处理由运行在计算机34中的软件36承担。在优选实施例中，为了解释所捕获的图像，即将图像平面对应于或者映射到激光束上的相应位置捕获，执行处理。一旦得到系统的部件的预定的地点或者位置信息，这就可通过相关简单的几何和三角法实现。
在其他实施例中，有可能使用摄像机14捕获数据并且将其数字化传输至处理器20，而无需视频捕获卡32。此外，摄像机14、滤光器24、26、处理器20以及光源16可被整合至一个单独的单元。同样，可使用嵌入式系统以提供至少处理器20的功能。
在此实施例中，可使用许多的摄像机14配置，提供的数据形式的图像信息可被提供给处理器20。
在图1所示实施例中，激光调制器38用以改变发射器16的功率。功率水平可被改变以适应发光条件，达到人眼安全要求并且提供开/关调制。在优选实施例中，克服环境光的高功率激光可用于短脉冲，以满足人眼安全要求。尤其，通过联合更高功率脉冲激光和摄像机相应缩短的快门时间可减少环境光的影响。例如，假定给出1mW的激光功率和40msec开40msec关的普通激光脉冲速率，以及F5.6的焦距比数和每40msec一帧的摄像机曝光时间足够给出所需的室内敏感度。困难在于亮度N倍于室内亮度的明亮阳光要求摄像机缩小光圈以避免降低敏感度的色饱和。在一实施方式中，本发明提供一实施例，其中使摄像机曝光时间减少因数N以及使激光开时间减少相同的因数N，同时使激光功率增加相同的因数N。激光仍可在所述12.5Hz的相同频率上脉动，因此平均激光功率相同。摄像机帧速也可仍为25帧/秒。同样地，光束在大约50Hz上脉动并且帧速可能变为100帧/秒。结果是，减少摄像机的曝光时间可使光圈保持为室内设置，而使阳光环境光的强度变回与室内亮光相同的水平。减少摄像机的曝光时间时，较强的激光功率意味着微粒探测灵敏性与在室内的一样。关于眼睛安全标准，问题仍是较强脉冲功率的激光是否可接受。作为对该问题的回答，本发明可优选的方面是，提供的原光束可有益地被脉冲调制为开，与摄像机快门开放周期同步，其持续时间短于摄像机帧持续时间。这就有利于使用较高输出功率的光，以及增大的摄像机光圈，同时避免因强环境光的摄像机色饱和。这就允许系统在强环境光条件下令人满意地工作，同时保持符合世界各地发布的眼睛安全标准。这些眼睛安全标准规定了可以某种方式用于居民开放区的激光功率，即允许峰值激光功率在减少的占空比增强。举例说明，工业标准允许以40ms的开启时间(ONperiod)运行在12.5Hz(只是摄像机帧速标准25Hz的一半)的二级可见激光达到峰值输出功率1.18mW。在一实施方式中，同一激光在减少的开启时间0.1ms运行，而以2.26mW工作。在这种条件下，可对增强的环境光以大于四倍的容差维持系统的灵敏性。同样，可以设想，开启时间可延长到100ms，或实际上，以很低的峰值输出功率持续大约几秒钟，有选择地，以相对较短的开启时间持续最大激光功率可达500mW。可选形式，光束开启时间可长于或等于摄像机曝光时间。
如图1所示，摄像机14可每秒捕获30帧，发射器16循环一帧开而下一帧关。区域内的光量被每一帧感知，并且激光开时所接收的光总量减去激光关时区域内的光总量。总量可以超过几帧。激光器开时所收到的光总量与激光器关时所收到的光之间的差被认为是区域内发散量的计量。为了用作警报，设定阈差，而且如果超过该差，警报即被激活。以这种方式，探测器10可作为微粒探测器。由于测量来自微粒的散射光被认为是确定区域内是否存在烟雾的方法，探测器10可被用作感烟探测器。
在显示报警或预警状态之前，探测器10可以设定为等待直到在预先设定的时间内被测散射光超过设定阈值。探测器10确定报警或预警状态的方式与腔室中使用激光的吸入式感烟探测器使用的方法相似，如VisionFire&SecurityPty责任有限公司销售的VESDATMLaserPLUSTM感烟探测器。
图2显示图1实施例的顶视图。摄像机14具有视场θ，此时其基本上覆盖所有区域12，它可以是建筑内的一个房间。发射器16的光通常指向摄像机14，但并不直接对着镜头。因此，在摄像机14和发射器16，以及激光束方向之间有假象线对着的角。该角可以如图2中角Z所示的在水平面上，以及/或者如图1中角X所示在垂直平面上。激光束不直接撞击摄像机镜头。然而，激光束路径将如图3所示在摄像机14视场内。
物理系统变化
在一些环境下，需要在系统中使用许多发射器。这可能将符合规则，提供支持，或者与单个发射器所覆盖的范围相比有助于覆盖更大的范围。
如果大范围的覆盖是必需的，有可能使用许多的发射器以便在区域内的许多不同位置可探测到烟雾。图9示出了一种配置，由此摄像机50置于像房间52一样的区域中。如果探测需要穿越大范围，多重激光器54和55可散布在房间的四周以提供覆盖。图9示出了发射器分为两组，组54中的发射器瞄准点56，而发射器55瞄准点57。摄像机50可能看得见点56和57，或者也有可能看不见点56和57。摄像机50可能通过光学装置将点56和57的像投射到摄像机50的视场中进而看得见点56和57，例如，置于摄像机50之前的后视镜(图9中未示)。同样棱镜或者一些其他光学系统可达到此效果。此外，发射器54和55可以都同时开，也可以是循环的，所以如果摄像机50可以探测到射线到达的点，那么摄像机探测的射线可用以检验发射器运行且不阻塞。，如果发射器被顺序或者以任何非线性相关的式样序列转换开和关，有可能单独发射器探测，所以使用计时信息，有可能探测到在任意时间哪个发射器是开的。此外，了解哪个发射器在发射将允许探测器定位有待保护的范围内的子区域，并且确定任意所探测的微粒位于关于子区域的何处。由微粒散射的束可被有效确定。
发射器54和55不需要全部都与目标56和57相交，并且可沿许多目标分布，或者越过彼此到其他目标上。
图10中示出了可供选择的方法，激光器58和59远离摄像机60瞄准，摄像机60能探测撞击点61和62处的壁的激光的光线。如果这些点中任一点消失，那么探测器系统知道不是激光器有故障，就是某些东西阻塞了激光的光路。如果激光被阻塞，通常阻塞激光的物体将同样反射光线，并且因此激光光斑将从已知目标范围即初始点61或62偏移，。摄像机能探测光斑的偏移，并且可发出警报或者关闭激光器。这一点可能是重要的，特别是如果激光器没有考虑人眼安全。另一种可以探测故障的方法是当诸如蜘蛛网一类的假象物体与光束相交时，引起发射线散射。通常当蜘蛛从天花板下到地板时留下蜘蛛丝飘摇不定，这就是一个有干扰物的例子，尽管在正常光线条件下，人肉眼几乎看不见，然而这些干扰物可容易地被本发明的系统探测到，并且容易产生等效于要求报警响应的微粒密度的信号。其它可悬浮在光束里的干扰物质包括常用于从天花板悬挂标记和警示的尼龙线，诸如在销售或圣诞节装饰之类的装饰应用中。如果标记或装饰本身悬挂在光束的高度，这就必然造成要确认和报告警报或故障，但是仅仅因为支撑线而无需报告警报。
任何从像蜘蛛网或其他类似物质上散射回的信号可能会比像烟雾这样所关注的微粒有更明显的空间变迁。同样注意到诸如蜘蛛网之类的细小物体对偏振旋转敏感。在工作时，有可能小量固体物体进入激光束并有效地被固定于其中，造成大量光散射并被误判为由烟雾引起的，因而造成误报警。有几个方法可以解决这个问题：
在一个实施例中，可以使激光束的直径较大，以使细纤维只与小部分光束横截面相交，因此只产生小信号，低于警报阈。如果所述小信号一段时间保持不变(如持续两小时或更长时间)，那么，上述信号可以从由上述位置获得的读数中减去，以维持长期校准精度。
在另一个实施例中，发射光束的偶然运动，例如横向平移发射器，可消除这种散射射线的误探测。发射光束或光束群可以沿与光束传播方向垂直的各个方向平移。特别地，激光束可即刻捕获摇动，以给出在干扰信号位置的横向位移，如50毫米。如果散射由烟雾造成，那么当光束移动时，上述信号变化将很小。如果摇摆的细线之类物体导致信号，那么该信号变化将很强。
图10示出第二摄像机63可以连接到系统上，提供附加视野(view)。与使用一个摄像机相比，使用两个摄像机可提供更精确的定位烟雾范围的方法。同样，额外视野为同一颗粒物质的不同散射角度微粒提供散射信息。该数据可以用于区别具有不同微粒大小分布或散射特性的物质。进而这可用于减小系统对会造成误报警的干扰微粒的灵敏度，例如尘埃之类。利用一个或多个发射器，散射角度变化；发射线的波长；偏振旋转；被观察的散射的偏振面以及改变发射和探测计时，都提供辨别不同类型微粒的方法。
如果大微粒(常与尘埃有关)比较小微粒(一般由烟雾引起)更正向散射，便能够确定微粒的类型。如果对于发射线路径的特殊片段来说正向散射比横向散射显著多，则可以理解为上述特殊片段的微粒密度由大微粒部分构成。将其与其他部分或时间比较可以是有用的，以便确定造成微粒出现在第一个位置的事件的特点。在特定的实施例中，通过使用散射角可实现排除尘埃。在这方面，两个摄像机使用一激光束，一个在非常小的角度(如1度)，另一个在大角度(如30度)。第一个摄像机对大微粒(尘埃)具有较大的灵敏性。其读数的一部分可以从另一个摄像机中减去以减小对尘埃的灵敏度。如果分析由空中微粒散射的光的特性，并与烟雾类型和干扰微粒范围中的已知散射特性比较，可有效降低误报警的发生频率。本发明提供确定这些特性的方法，包括在变化角度对散射光信号强度的测量、偏振面和波长。
图11a中摄像机64查看横跨房间的两个激光器65和66。图11b使用一个反射到摄像机67的激光器，提供更好的房间覆盖，并捕获正向和反向散射光。
在本实施例中，处理器10包括可运行Pentium4芯片和Windows2000操作系统的个人计算机。
本实施例的一方面是信号处理，参照图4下面详细讨论，图4是数据流程图，其布局可以被本领域技术人员所理解。为了容易参考，使用探测器10的软件，通常称为软件，控制本实施例中的信号处理。参照图4应注意，数据流线表示图像数据流(2维数组数据)，数组数据流程(1维数组数据)以及在不同处理阶段的简单数字或结构数据流。因此，上述处理功能可以处理更密集的图像数据，或者随意地，例如不太密集的数字数据。正如本领域技术人员所理解的，工程效率可以通过选择部件和在不同阶段执行处理功能的软件实体来实现。
激光器状态确定
在图4的步骤401中，执行激光器状态的确定。为了确定特定帧的激光的状态，此实施例中的软件依靠在摄像机的视场中有激光源。
所关注的小区域被分派包括激光源射线。区域的中心被设置为激光源光斑的初始位置。计算区域内的平均像素值。然后与阈值比较以判定图像是否记录激光器的开或关。
阈值是平均传输的峰值探测器和谷值探测器的输出的平均值。在新的峰或谷还未形成的情况下，每一个探测器执行指数式衰减至当前平均值。时间常数根据帧设置，优选的值约为10。
此技术证明是相当强劲的。可选择的方法是寻找一个或者多个超出固定阈长方形中的平均值的像素。
在执行中，其中激光器开/关转换较紧密地耦合至帧采集，可以不需要这一功能。然而，其仍可适合仔细的检查激光源不模糊并且具有恰当的强度。
激光器位置
在图4的步骤401中，重心算法估算监控范围内的激光源像素坐标。由于安装架和/或建筑经时间而移动，此位置信息在每个“激光开”图像可随意更新，以虑及或者激光源或者摄像机位置漂移。影响稳定性的因素包括建筑物墙壁的移动，安装点刚性等。
更精确地，可从图像中减去上一步骤(激光状态确定)确定的阈值，反向图像减为零(negativesareclippedtozero)。用于状态确定的相同矩形的中心则得到激光光斑的(x，y)坐标。在本算法中，像素值被当作重力。
可供选择的技术是将上述描述的范围当作图像，并计算大量(大约50)已知“发射器关状态”图像的平均值，然后从已知的由发射机开捕获的最新图像中减去平均值。前述重心算法可用于图像数据而估算光斑位置。
计算所关注的区域和背景取消(backgroundcancellation)
在图4的步骤403中，计算所关注的区域。在图4的步骤404中，执行背景取消。当背景取消时，可以结合使用插值法和帧相减以减少来自图像的时间(temporally)干扰变量以及不变信息。如图5所示，图像被分割成三个关注区域。背景被分割成背景区域101和103，以及综合区域(integrationregion)102。这些区域周期性更新以反映任何所探测到的激光源位置处的变化。关注区域的形状的选择反映散射线的图像的精确位置上的不确定性。在图5中，摄像机无法看见发射线撞击墙壁(发生在图5的左手端之外)的点，并且因此发射线的确切光路是未知的。这样导致关注区域102随着与发射器的距离增大而扩张。人工确定发射线的路径的方法是，通过暂时阻碍射线并检测其位置，然后人工把数据输入到处理器中来测试发射线的位置，。可选地，一个或多个基本透明的探测仪(probe)可插入束中，其中探测仪可以是如板的物体形式。进入和退出板时将出现某些散射，提供一个或多个图像参照点，从中可以计算所需要的综合范围和背景范围。在应用中，探测器可以用于探测例如干净房间里或有害的环境里的微粒，这种封闭环境的窗户可用作基本透明的板，因此，不需要侵入所述环境安装探测系统部件，就可以确定光束的路径。
一般地，用于调试探测器的一个或多个探测仪利用半透明的光线散射体向系统显示沿光束一个或多个点处的激光束的路径。正如所述，这样验证光束经过所计划的路径，并且正确绘制沿光束的位置。同样有用的是，证明系统正确响应，而不用在范围内产生烟雾，这通常是非常不希望的。在应用中，可以使用杆(伸缩的或多部分的)从地面进入光束的位置。适宜地把一张半透明材料(最好是硬的)固定在这样的杆上。比如，为了截取光束并确认系统识别出正确的截取位置的目的，支撑在线结构(wireframe)上的例如一张A4或信纸大小的空白纸即可。在优选实施例中，更复杂有效的方法是使用具有光散射特性的材料，其光散射特性大约与已知密度的烟雾散射特性相似。比如，载有氧化铝微粒的薄片玻璃可用来散射大约1％的入射光，这还允许在那一点上，并且可以推论在光束的所有点上测量探测器的有效灵敏度。由于保持方向已不是问题，那么还可使用三维物体代替平面板，而且在某些情况下可以是优选。比如，为玻璃灯泡或具有适当的壁色和厚度的充气气球。后者甚至可以充氦气并从下面在细绳上进入光束。其中激光束穿过不能轻易从地面进入的空间(如体育馆，或建筑物前庭，其中一些50米而远高于地面)。把散射介质放置到光束中的其他方法也是需要的。比如，可以使用无线电控制的小飞行装置，首选的是适于室内使用的可充电的电子直升机。这种装置不必在光束中静止很长时间(比如大于50msecs)，只要在激光开启时至少穿过光束一次。合适的直升机实例是由中国汕头市ToyYard工业公司生产SkyHawkR/C小型直升机模型HP4034。
狭窄综合范围的用途是要减少来自不产生散射信号的像素的噪音影响，并使得背景区域更接近综合范围，这样可以更好地估算用于修正激光关图像(laseroffimages)上的激光亮度水平的修正因子。
综合区域102包括发射线路径，同时，在背景取消时，可使用背景区域101和103各边的范围。通常，区域是三角形，即离激光源越远越宽。这是必要的，因为当已知射线光斑的位置，而路径的精确角度未知时，如果摄像机看不到射线终端，路径另一端就需要较大的容差。因较多的像素，综合区域较大的部分会有更多的干扰，幸运地，每个像素代表较短的路径长度，因此，每单位长度采样数越大，平均值越大。如果摄像机能够见到射线终点，位置的不确定性就会较小，关注区域不需要像图5所示那样分开。
可选择两个背景区域101和10用于亮度补偿因子的插值，以修正激光关图像中射线路径的任一侧的背景照明的时间变化(temporalvariations)。例如，由于在射线路径的任一侧两个不同且时间独立变化的光源，照明变化。通过沿射线路径长度把三个范围101，102，103细分为各部分，并对各子部分进行计算，这个原理可以延伸用于沿路径而不仅仅只是路径任一侧的变化。
背景取消算法对n个“开帧(onframes)”和m个“闭帧(offframes)”求和，这些帧的序列是任意的。从“发射器开(emitteron)”帧中减去“发射器关(emitteroff)”帧之前，以因子f按比例调节“发射器关”帧以补偿图像照明水平变化。这对人工照明有用，其强度变化迅速。合成图像包括n个“发射器开”和m个“发射器关”图像之间的任何差异。这一点在图6中图形示出。
使用激光开和激光关帧之间的背景变化比，通过插值法确定比例因子f。
f = ( μ on 1 μ off 1 + μ on 2 μ off 2 ) 2
其中，μ为如下标所示的或者激光开帧或者激光关帧的指定背景区域内的像素强度的平均值。
如果处理器运行不够快以跟上全帧速率，就需要一种方案(scheme)以允许处理随机选择的帧。由于n个激光开帧和m个激光关帧用于背景取消，并等待累计帧的数量，可放弃任何多余的激光开帧和激光关帧。
有选择地，可以利用锁步同步技术，以便将关于所捕获到的图像的激光状态的信息输入计算机。在任何情况下，该技术应用需要一个开帧和一个关帧的最小量。
对上述取消方案的替换是只减去激光开和激光关帧。用在减去前和/或后进行求和、求平均值或者滤波，可对许多开帧和关帧求和、或者求平均值、或者低通滤波。
背景取消的结果是图像主要由发射器的散射光、一些剩余的背景光和噪音构成。
帧综合(FrameIntegration)
在图4的步骤405进行帧综合。一些取消背景的帧可求和，求平均值或者低通滤波，以获得噪音减小的散射光图像。通过对一些帧求平均值，可减少与激光开/关转换无关的干扰，而保留需要的(有关的)散射信息。典型地，用于背景q取消和帧综合步骤的帧总量大约为100(即大约3秒的视频)。更长时间的综合或更低滤波截止频率可以产生对噪音率有改善的信号，并在损失响应时间的情况下允许更强的灵敏性系统。
参照图7a至7c，图像顺序显示，探测散射光时，背景取消和综合的效果。图像强度调整为使人眼有更好的可见度。整个光束的微粒遮蔽水平，用由申请人销售的VESDATMLaserPLUSTM探测器测出大约为0.15％每米。图7a显示原始视频，图7b加亮综合区域，7c为背景消除和综合后，烟雾中的散射光。
相对于半径的散射计算(Scattervsradiuscomputation)
在图4的步骤406中，进行计算作为发射器半径的函数的散射。使用这种方法，可以修正因系统几何结构和散射而引起的沿光束的强度的变化。计算数据数组包括作为半径的函数的综合区域的散射光水平，比如，测量从激光光源中捕获的图像的像素。半径弧覆盖综合内的许多像素，在给定半径距离内各像素的强度一起相加。图8是综合区域如何被以发射器为中心的弧分割图形描述。在图8中，三角形80表示预期的综合范围，弧代表相对激光光源不同的半径。位于每对弧之间的综合范围的每一部分使像素相加，其和被输入到散射光数据数组中。对于两弧之间不清晰的像素，对所算得的与这类像素对应的半径舍入或舍位，可用于解决模糊。这类像素的贡献(contribution)可以按相邻范围的总数被分配，而不是被堆积在一个或另一个中。
计算几何结构(Computegeometry)
在图4的步骤408中，确定系统要素/组件的几何结构。如前所描述的每一个像素(或图像点)在散射量(scatteringvolume)上对应于特定几何结构，并且图2中示出了这样的图像点的一般情况。在每一个这样的点或像素上，因而可以确定下列参数：
1.θ-散射角
2.γ-与激光光源的距离(米)
3.D-从摄像机到激光光源的距离
4.L-沿光束的指定点上的一个像素可看到的物理长度
对于真实世界系统，那么确定与指定半径γ对应的像素的修正强度，其中像素强度乘以预定散射增益值，下面在散射角度修正部分讨论，相对于无损各向同性散射计算，与指定半径和指定散射角对应。形成合(resultant)散射数据数组。
散射角度修正
散射角度修正逻辑上根据图4中的步骤409确定。作为输入，程序要求散射数据文件，对于指定的材料，其包括一组散射角度，以及相应的增益。这个文件中的数据由经验校准方法产生，并预定包括各种类型烟雾的平均值。
在上述几何计算所确定的每个散射角度，可导出每个散射角的增益。来自输入散射数据文件的数据可被线形插值，所以对于每个散射角来说可以计算出正向增益的近似值。
计算相对于半径的烟雾(ComputerSmokevsRadius)
在图4的步骤407进行确定对于指定半径的光束的烟雾。为了将散射数据数组转换为烟雾水平..........。可以使用限制几何结构的长度或角度的任意组合。D是从摄像机82到发射器84的距离，θj是由摄像机82到发射器84的连线与对应于来自发射器84的射线的路径的线之间构成的角，以及d是垂直于发射线与摄像机入瞳相交的线的长度。由这个信息，通过三角学和几何学可确定所有其他必要的信息。在图12中可看到这个几何结构。
对于在上述的相对于半径散射的数组的每一元素，计算图12中所示的L、θr以及r值。L为可见的一个摄像机像素的束的长度。
沿束综合以获得昏暗度(Integratealongbeamtoobtainobscuration)
在图4的步骤410，对光束图像扇区进行综合以获得昏暗度。光束长度被分为许多扇区以提供沿光束可寻址，以便区别激光源和激光束散射，激光源位置四周的像素包括作为部分扇区，因为由散射产生的强度不可分辨，尤其对于未瞄准的源，其可能出现的发光对光源四周的像素产生剩余强度。
在摄像机端同样，由于安装的几何结构，摄像机的视场使得光束在摄像机的数米内可视。
为了提供扇区边界之间的平滑过渡，执行简单的滑动平均滤波器(simplemovingaveragefilter)。事实上，光束被分为n+1段，(对两个片段的长度)应用滑动平均得到n扇区。
沿被捕获束的图像的各像素对应于沿束的物理长度，如图8和图12所示。随着束逐渐接近摄像机，此物理长度变得越短。因此，应用如上所述修正法，起始于激光端，并忽略边界外的像素，特定部分的昏暗度，是所有像素强度的和，并分为物理的长度和位置，如其部分所描述。
例如，要确定昏暗度，Or在整个束上，Or设为像素半径r的扇区尺度，r为n到m。
O = Σ r = n m S ( r ) L ( r ) Σ r = n m L ( r )
其中，S为散射光，L为上述指定。
如上所述，束长度被分为许多段以便为有效模拟一些点型探测器的各段确定各个烟雾水平。可以向火警控制面板提供这些理论的点型探测器的输出，然后它能够显示烟雾或火的位置，正如普通的点型探测器一样。上述公式建立此理论上，即发射线每段发射的散射光会为基于从射线路径到摄像机的角度的特定粒子密度提供不同的光输出和每段的像素数量。随着发射线的路径更接近摄像机，即随着图12中r的增大，角θr也增大。由于束在朝向摄像机的方向明显变宽，含有散射光的像素数量将也增加。如图8和图13示出了宽度的增加。图13示出了来自发射器84的发射线。为了清晰射线展开的角度被放大。随着发射线走得离发射器更远(即随着r增大)，与潜在的散射线的位置一致的像素数量增加。在接近发射器的半径86，只有两个像素被确定在由探测器所覆盖的关注区域内，使这些像素的光相加并置于数组90，为scatteredlight(r)(散射光(r))，它包括n倍一数组信息，其中，n为穿过屏幕的像素数量。在半径88，有更多的像素在由探测器覆盖的关注范围之内，它们都被相加以获得在被覆盖的关注区域内得到的散射的量。在数组92可计算散射射线的角度θr，它对每个像素不同。即，当r小时，θr会小，而当r增加时，θr亦增。这个信息是重要的，因为在检测某事件中所关注的粒子根据其大小可具有不同的散射特性。非常细小的粒子(相对于发射线的波长而言)更匀一地散射而与θr(散射角)无关，但是较大的粒子正向散射较多，并且当θr增加时，其强度降低。更常见，在本烟雾粒子的实例中所关注的粒子是相对小的粒子，因此，对特定的散射角θr使用有效的光线输出换算系数表是很有用的。已知这种表用于使用激光腔以探测粒子的感烟探测器。
数组94包括被像素捕获的光的实际半径。数组96包括发射线片段的长度，本例中，其被摄像机的帧中的捕获图像的水平像素包围。此信息被用于确认发射线的量，并被用于帮助计算射线的强度。同时，数组96还包括在各点r上的有关烟雾强度的数据，定义为烟雾[r]。
警报状态
最后参照图4，计算警报状态。按照标准吸式感烟探测器或其他由用户确定的参数，每一扇区的警报状态根据阈值和延迟以及优先编码方案而定。
同样的方法用于地带警报水平，除非最末地带输出是最高扇区或地带水平，无论哪一个较高。
故障探测
系统可提供故障情况的探测，其本质上是图像中缺少激光光斑。基于用在一个背景取消循环中的许多帧可检测激光开/关信号占空比为在33％至66％内。
可选择的实施例
依靠应用和所需的特征，许多选择性的实施例可用。例如，可以许多种方式执行故障探测。
在另一应用中，上述系统能被用在昏暗度测量重要的应用中，例如飞机场，如果能见度降低到某个水平以下，烟雾可引起飞机转向。该系统不需要环境光而工作，并且能因此在晚间无额外光线工作。红外摄像机也能随红外光源使用，如果频率与探测光相同的光源能被循环，因此处理器忽视为安全目的被照亮的帧。
典型的安全摄像机可每秒拍摄25个图像或者帧。烟雾探测可只需要每秒探测1帧或者更少。因此剩余图像可用于安全目的。
为了增加灵敏度，运行在探测子系统(6，7)中的视频处理软件可被用以消除视频信号中干扰变化的影响，干扰变化不在所知的由光束占据的位置。基于软件的系统是公知的，其执行相同的功能即处理视频图像的不同范围，例如在基于视频的安全系统中，如VisionFire&SecurityPtyLtd的ADPROTM产品。
发射器可以是激光器，发射偏振射线。激光器可发射可见光，红外线或者紫外线。射线波长的选择可取决于被测粒子的特性、以及仪器的特性和粒子探测中所使用的方法。其它种类的射线发射器可包括氙气闪光管、其他气体放电管，或者激光二极管或者发光二极管。光线优选被至少某种程度校准，但是如果使用利用关注区域的可选择的范围分离，那么可发射更宽的射线束。
图11c示出了另一实施例，其中使用两个摄像机102和104以及单个激光器106。在此实施例中，一个摄像机可观察发射器，另一个摄像机观察射线撞击墙壁108的位置或者目标。在此种结构中，如果摄像机102、104被连接至相同的处理器或者至少相互通信，则是理想的。此系统提供许多优点，例如确认射线没有被遮挡，并且能被用以更精确地确定发射线相对于探测正向散射光的摄像机104的位置。同样，减少发射线路径的位置不确定性的程度，以及减小关注区域的大小，增加探测器系统的灵敏度。
一方面，本发明提供探测粒子的仪器和方法，包括向被监测区域发射至少一束射线以及探测标示粒子存在的区域的图像变化，其中由至少一个或者多个图像捕获设备探测图像的变化。特别是，可使用对置的摄像机。更特别是，可使用一对相对着的激光器+摄像机对，用来：
为了完整性(正确操作)及对准(alignment)，监视对方的激光源
在红外激光的情况下(使用摄像机观察红外线点)，使得对准更容易
根据敏感性和可寻址性，获取更均匀的覆盖
获取反向散射线
在图14示出的实施例中，第一摄像机31和第二摄像机39被大致相对安装，并且分别以视场320和310相互面对。激光源33被安装在摄像机39的同侧，并且在一实施例中，可安装在同一安装架上或在同一封装内以给予成本效益。激光源33和摄像机39现可被称为“激光器/摄像机对”33&39。
同样地，第二激光源311被安置在摄像机31的同侧，也可安装在同一安装架上或在同一封装内以给予成本效益。因此，激光源311和摄像机31也组成“激光器/摄像机对”311&31。激光源33和311各自提供激光束34和312。
成对(33&39或者311&31)中的每一个激光器和摄像机可在制造时被预对准，以便激光束以固定的角度在摄像机的视中央显示出来。好处在于，在安装时，每一个摄像机的安装和对准只涉及引导激光束指向距相对的摄像机有近似预定距离的点，因而降低安装时间和费用。
如果选择的预置角为θ度而激光器/摄像机对之间的距离为D米，则所需的目标光斑至摄像机间距S为
S＝Dtanθ
例如，如果θ＝2度，而D＝50m，则S为1.75米。在此例中，位置误差，例如+/-100mm对粒子密度测量精度将有可接受的微小影响。
所述布置的另一个好处在于，图14中在313&35处所示的每一光束的到达点在相对的摄像机的视场内，因此可容易地被监视以确保光源正确运行，以及激光束未被遮挡。这是本篇其它地方描述过的“后视”装置的替代形式。
这种布置的另一个好处在于，当使用单束光或单个摄像机的时候，它能缓解可感受到的减小的位置分辨力(resolution)。在那种情况下，远离摄像机的粒子云的精确位置可能不会像靠近摄像机的粒子云一样被精确测量，因为它的图像对着较小的角，从而摄像机图像中的较少的像素。用两个摄象机，位置分辨力在被保护区域的各端部是最精确的，在中央精确度只稍减了些。这种布置的另一个好处在于，它允许来自浓烟流的反向散射容易测得。这种布置的另一个好处在于，便于使用红外线，因为当被对准时，摄象机可用来拍摄其他不可视的目标光斑。
在另一方面，本发明提供探测微粒的仪器和方法，包括向被监测区域发射至少一束射线，以及探测标示微粒存在的区域的图像变化，并且进一步包括确定被监测区域内空间中给定图解点的位置的设备。
其有利于定位或者寻找源，而系统不被“目眩”.在这一方面，正如本篇中其它地方所描述的，为了遮蔽从接受摄像机的激光孔径中散射的光线，优选使用校准器或类似装置来校准激光源，并且使用安装在激光源的LED来使对面的摄像机去定位光源。LED可能与激光器同步闪光，并且根据环境光调节其强度，环境光或者通过光源上的光探测器(photo-detector)或着通过摄像机之一的的反馈测得。
系统能自动全面检查光学几何结构将会也是理想的。这将会包括确定激光源和目标光斑两者的3D方位，其中目标光斑是激光源相对摄像机位置到达的地方。使用摄像机确定空间点的位置的最低要求，可以为具有或者所讨论的点的已知优势点的两个视野(view)或该点的一个视野，及其它测定距离的方式，例如角间距(angularseparation)。物理距离由安装程序提供给系统的软件，这无论如何将被本领域技术人员所认可。
通过在源处相对LED的已知位置定位另一个LED，图像中的角间距就能被测量，可计算从摄像机到LED(从而源)的距离。
另外，通过两个“后视镜(rearviews)”，目标光斑的方位就能被确定。因此，系统再也不会受到目标光斑距离或束/摄像机距离的不恰当设置的影响。完全的自动对准将成为可能。
在可选形式中，摄像机可通过两片玻璃，局部镀银反射镜，或一个厚片捕获图像。结果是叠加的三个图像。第一图像是束的主要图像。第二和第三图像包括临近摄像机墙上的目标光斑。第二和第三图像的两个光斑可以不完全一致。两个光斑间的中心到中心的距离结合图像中的各光斑的位置，已知的反射镜的角度及间距(spacing)已足够计算出3D空间中到激光光斑的实际距离。主要图像可包括一些多重的反射，因此例如源的光斑能看到多次。包含这些点的这条线提供关于根据轴向旋转的反射镜的方位的信息。因此，反射镜能被安装者旋转(仅轴向)从而使得目标光斑处于摄像机的左边，右边，上面或是下面，而不需要任何其它的机构显示旋转。
参照图15，将会提供进一步的描述。为了精确地确定被保护区域内的任何散射点的位置，系统有必要任意时刻内在模拟主要光学元件的3维相关位置和方向；如图15所示为激光源43，摄像机41和激光束路径44。
通过确定源43的位置及任何其他沿光束的一个点或多个点可确定激光束路径44，其中其他点可为例如图15中目标光斑45表示的光束的到达点。
这些位置可通过安装者人工确定，并使用使用任意预先定义的坐标系统(arbitrarypre-definedcoordinatesystem)通过人-机界面提供给系统。然而，既为了安装方便，又为了进行自动检验系统的元件保持正确归位和对准，优选系统能全面地自动确定光学几何结构。为了清楚，在此参照图15针对一个源43和一个摄像机41描述该方法，但可完全等效地用于多源和多摄像头。
为了测定源43相对于处于最简单的执行的摄像机41的角度位置，光源43是正对着摄像机(如图15中角42所示)，并且光源的输出，其会采取光圈、镜头或透明玻璃的形式，发出足够的离轴光线使得摄像机41能在由摄像机41捕获的图像中识别其位置。这种识别能通过以一种方式对光源43调制变得更简便，使得图像处理软件把光源43与没有这种特性的多余环境光源区分开。然而在实践中，可能更需要光源43被高度校准，而因此也许没有足够的反轴光线允许这样。因为有利于防止本区域中的摄像机图像的色饱和，使用视场遮挡(field-of-viewmasks)等，可以慎重设置离轴光线的最小限度。因此，为了使激光源43的位置在摄像机图像中可辨认，有着发射模式受限更少的光源46会与源43放置在一起或与其紧邻。优选地，使用与激光源43有大约相同发射波长的LED46。LED46以某种方式调制，使得图像处理软件能把LED的发射与没有这种特性的多余环境光源区分开，例如，在其最简单的执行中，它能与激光同步闪光。此外，为了减小LED光线对图像的影响，同时为了减小对屋内人员任何潜在的损害，LED46的强度可被调到所要求水平的最小值。这可根据环境光线而变化，环境光线例如在源43处通过光探测器测量。可选择的是，通过使用来自一个或多个摄像机41的图像数据的软件处理，，可调整所要求的LED强度。
通过给源43提供距第一LED46已知间距的另一个LED47，这些点之间的角度间距可通过它们在摄像机图像中的各自的位置被测定，然后简单的几何学将被用来确定摄像机41和光源43间的距离。
此外，两个LED46、LED47被放在垂直的位置上，例如，优选地，各LED46、LED47被安装在相同的高度，以便在它们间所画的线是水平的，使得摄像机41的角倾斜(偏角)也就能确定。
束源43相对摄像机41的相对位置一经确定，有必要确定光束路径44。以下一种或多种方法能实现这个：
a)使得目标光斑45落在摄像机41的直接视域内；
b)或是永久地，或是当需要时，人为地或自动地在光束44路径中放置部分散射的媒介来检测光束的位置，；
c)检测并记录由偶而落在束44的区域内的气载尘埃微粒(小粒子)引起的散射；
d)使用反射或折射的设备使摄像机41能拍摄到落在其直接视场外的目标光斑45；
e)使用另外的图像设备监视目标光斑45的位置。
除以上所述以外，通过两个“后视镜”可确定目标光斑45的位置。
在这些描述的优选实施方式中，本发明提供了用于光源和摄像机之间同步化的方法和仪器，包括允许源以预定速率开关振荡，鉴别摄像机中源的视频图像，然后不断地调整摄像机的帧速率以保持同步。这好处在于可减少例如，源与摄像机间的有线或无线通信的成本。这也允许考虑低成本的系统电力装置，例如，使得通过使用远离摄像机的激光器上的内部电池备用，组件的遥控定位也是可行的。正常情况下，激光电源可由插头组件(plugpack)或者其他低成本电源提供。换句话说，一对AA镍镉蓄电池就足够了。电源支撑的电池应该能满足火灾安全系统的要求，也就是说，UL认证的防火电源。
在一个典型实施例中，源可装有宽发射角度的二次光源(secondarylightsource)，例如如图15中描述的LED。LED可与激光源同步闪光，使摄像机图像中的源的定位更容易。同样，摄像机与其同步时，LED可独立开启或关闭。当使用后备电源时，激光会降低占空比来显示情况，并同时保存能量。
在优选实施例中，摄像机帧速率可被最初控制以与源中自激振荡器大约相同的速率自由运行。当随后鉴别闪光源或LED图像时，两个振荡器间相变化的速率可被鉴别，然后常规的锁相环反馈方法可被用以调整摄像机的帧速率来保持固定相，并且因此保持所需的同步性。通过激光调制或通过附加LED也可传输其它的状态信息附加。
在另一个实施例中，可设置源不按简单的周期性开-关模式闪光，而以更复杂，但可预测的模式，例如伪随机序列。这使得源更容易与其它干扰光源区分开，例如，荧光灯，其周期变化与源调制无关。这既有利于更容易初步定位摄像机图像中的源，又有利于提高在变化的环境光中对烟雾的敏感性。
在另一实施例中，源振荡器的起始频率(primaryfrequency)可改变为AC市电频率(mainselectricityfrequency)(根据地区，通常50HZ或60HZ)，或是其倍数(multiple)，或是其约数(sub-multiple)，并与其相位同步。市电频率可直接由有线市电电源的输入产生(sense)，或可以由电感或电容耦合产生，或可选地可由接收来自范围中的人工光的光线的光电探测器产生。如果没有人工光，那么振荡器可以其默认频率在不损失利益的情况下自由运行。在另一实施例中，起始频率被设置成与AC市电频率非常相近或为其倍数或约数的频率，但同步装置没被提供。
在另一优选实施方式中，本发明提供探测粒子的仪器和方法，包含向被监测区域发射射线束，以及探测标示粒子存在的区域的图像的变化，其中图像的变化对应于反向散射线。特别是，第二激光源以一角度可安装在摄像机上，用于检测该区域的图像，使得发射束穿过摄像机的视场，因此寻找相对发射束稍小于180度的角的反向散射。在这个方面，可以探测反向散射线来测量粒子水平，该粒子可完全阻碍来自第一远距离激光源的的入射光束。在浓烟水平情况下，光束从烟雾事件反方向看可被完全遮挡。此方面在其它地方有更详细的描述。
反向散射几结构
出于说明的目的，“反向散射几何结构”可以是散射角大于90度的装置。因而散射光可按光源的大体方向向后进行。反向系统的实施例可以有激光器(或其他电磁光源)，其建立在与摄像机相同的外壳中，或可选地安装在摄像机附近。与其他类似的正向散射装置相比，在反向散射系统中，摄像机通常可能接收较少散射光。因此，为了高灵敏性通常不优选这种系统，因为需要采用另外的测量来实现与正向散射探测相同的性能水平。然而，当单独使用和作为正向散射的附件时，反向散射装置提供一定的优势。
参照图16，示出了大体物理设置，其包括激光器162、摄像机161、激光束可在其上形成目标光斑163的激光目标164，以及作为标志(marker)的附加光源165。注意当图16示出许多元件来获得下面列出的特殊效益或者功能时，不是所有这些元件都需要存在。摄像机161和激光器162可被安装在相同的外壳中或者至少紧邻。这使得安装简单，因为除光束166本身之外，不需要配线或者功率或者信号来连接被监视空间167的端部。正向散射系统将需要一些给远离摄像机161的光源162供能的设备，而且使光源162与摄像机快门(使用相关技术)同步的设备。正向散射系统能够在远端使用反射镜以使得激光靠近摄像机，但在此情况下，对准将更加关键。
如果激光器162和摄像机161同时被安装在一个相同的框架或者外壳中，那么它们能够被出厂对准。这使得安装更容易，因为安装者只需设置激光器的可视光斑163以落入期望的目标区域164，则摄像机161将被正确的对准。如果使用非可视的射线，那么显示来自摄像机161的图像的监视器可被用以帮助对准。监视器可为带有通过数字数据或者网络连接的监视屏幕的计算机。
在出厂对准的摄像机161和激光器162的情况下，穿过空间的距离不必知道，因为激光视频系统可像确定烟雾微粒的位置一样，使用相同的几何技术自己测量。本质上，该方法是利用已经描述的技术在图像中寻找激光目标光斑163，并且其后使用已描述的几何模型转换此图像坐标为空间坐标。优点在于安装者少做一项工作，或者安装者输入的数据能被系统核对。
在任意烟雾探测系统中，希望为故障条件监视所有功能，所以系统能被适当的维护。考虑到摄像机161，反向散射系统可具有光源目标光斑163。因此光源162的完整性的监视，在其运转和外部阻塞方面都可以低成本被实现。由于之前所述原因，确定光斑163的存在和位置的软件是很可能存在的。
反向散射系统对未对准和对准偏差非常容忍。如果摄像机161和光源162被安装在相同的外壳中尤其如此。实际上，该系统非常容忍以致于不会探测摄像机/激光器161、162单元偏转指向完全不同的方向并因此不再覆盖期望区域的情况。存在一些探测这种情况的技术，其为：
1)使用边缘探测和相关性确定屏幕是否与其原先安装时实质上一样，并且如果不一样，则报告故障。
2)使用易于利用图像处理技术识别的目标164，例如十字形，并且如果目标标记164(图像内)的位置从安装以来移动超过一个阈值，则报告故障。
3)在场内使用一个或多个附加光源165提供标记。超过一个标记164的使用允许摄像机旋转的正探测。这些光源165能够与主光源162同步以简化处理。如果图像内的光源的位置从安装以来移动超过一个阈值，则报告故障。这些附加光源165可以被安装在大致同一范围的其它激光器/摄像机162、161设备上，减少额外连接线的需要。光源165也可以是为了与讨论的摄像机或其它摄像机协同进行微粒探测而开始就存在的光源。
在任何以散射为基础的探测系统中，散射光被中间的微粒进一步的散射和吸收而削弱。在使用弱散射角的正向散射系统情况下，只要出现散射，路径长度实质上是相同的。因此，当微粒浓度超过一定值时，摄像机161接收到的散射光的量开始下降。所以，正向散射系统会需要可选的用于在高浓度时测量微粒浓度的装置。反向散射系统会被用于这一目的，因为路径长度大致与从摄像机161到激光器162的距离成比例。即使微粒浓度非常高，靠近摄像机161的散射仍然可被接收。
除上述情况，路径损耗测定可通过观测图像中目标光斑163的强度并与安装时所记录的值对比而实现。该数据可单独用于评估平均微粒密度。由此得到的数据也可与散射信息和一些修订协同使用，以评估束166部分的平均密度，不论微粒密度是否已超过上述讨论的翻转点。
通过这些测量得到的数据还可以与散射信息协同使用，以区别烟雾类型和干扰微粒。该技术包括计算散射与衰减的比率，以及与已知材料的比率比较。这可以用于整个束166，也可以用于束166的局部。
在包括两个摄像机/激光器对的系统中，维持正向散射的灵敏度优势的同时，可获得上述大部分优点好处。
在另一优选方面中，本发明提供探测微粒的仪器和方法，包括向被监测区域发射一束辐射，探测区域的图像中的变化，所述图像中的变化标示微粒存在，并且还包括，至少一个附加束，临近该束用以探测对该束逼近的侵扰。
功率足够的激光器可造成眼损害，甚至皮肤损害。本发明的系统不希望出现安全危害。拥有安全系统的最简单的方法是使激光功率足够低。但是这会损失系统的灵敏性。一个可选择的办法是凡有暴露于人体组织之类的危险时，切断激光，或切换到安全功率水平。同样重要是，系统没有必要切断激光，因为烟雾探测器连续运转也很重要。
图17表示激光器互锁系统，其中大功率激光器171置于有利眼睛安全的低功率激光器172的环内。外面的束被充分紧密的间隔(如100毫米的距离)，因此，人眼不可能被暴露于来自主激光器171的激光束中，而没有首先阻碍一个或多个外部束。摄像机173感应被目标175散射的激光。进行处理的硬件和软件174处理图像以确定有或无与外面激光器相应的目标光斑176。如果一个或多个目标光斑缺失，进行处理的硬件和软件关闭大功率激光器。直到所有的目标光斑出现在图像里，大功率激光器才再被允许运转。
选择外部束的间隔，为的是以预期的人头部的最快速度，在摄像机和处理系统检测到侵扰并关闭主束之前，人眼没有充分的时间接触到主束。
背景取消
所述的用于减少背景光线影响的技术可用以增强目标光斑176的图像。外部光束可需要为这些技术工作而接通和切断。依靠摄像机和图像捕获和处理系统的延迟，有可能通过以与主束反相地操作外部光束来减少响应时间。
可选地，在大部分时间，外部束可以开着，仅在偶然取图像帧时将外部激光切断用于背景取消处理。在捕获关帧(offframe)时如果互锁响应时间太长，那么在这段时间里主激光器171也可被禁止。
活动的目标(ActiveTarget)
代替使用摄像机采集目标图像，目标可具有安装于其上的光探测器。为了维护或者监视系统对准，此种探测器已经存在。
由于摄像机帧速率限制被移除，此设置有可能具有较短的互锁响应延迟。
笼形传播方向(CagePropagationDirection)
外部的激光束不需要在与主激光相同的方向上传播。这些激光源可安装在主激光目标的周围，并且朝向主激光源传播，落在主激光源周围的目标光斑上。这种设置的优点在于，用于探测主光束中粒子的正向散射的相同的摄像机，同样能用于捕获外部激光束目标光斑的图像。
摄像机激光器对的配置
如其它地方所述，一对摄像机和激光器能被安排以提供相互监督。在这种情况下，它们也能为互锁功能而执行图像采集、处理和主激光控制。
管
保护的束也许是一个光管，而不是分开的束。这种一光管将在目标上呈现为例如圆形或者椭圆形。然后，图像处理软件将需要探测期望的椭圆中的中断或者阴影。存在几种本领域技术人员可理解的能够使用的图像处理技术。
注意管不一定非要是圆的，并且其甚至不一定是空的。实心的圆柱也可工作。然后，期望的目标形状将是填满的圆形、椭圆形或者其它形状。再次，图像处理软件其后将需要探测期望的椭圆中的中断或者阴影。全息图
干涉光栅或者全息图能被用于从单独的激光源创建外部束。单独激光源可为主激光器171，或者独立激光器。
虚拟笼
激光器的真实的笼的可选择的方案是在主激光器周围使用环状光源(不必紧密平行)。安装在接近主束的轴的主束目标处的摄像机观察光源。对于进入主束的侵入，必须首先阻挡外部光源的摄像机观察。前面的设置所需的相似的处理能够在其后提供互锁功能。
视频运动探测
在另一种实施例中，图像处理技术，如VisionFireandSecurity有限公司出售的安全产品中采用的视频运动探测可用来探测实体，例如过于靠近危险的激光束的人。由此发出的信号可以用于关掉束或减少激光功率以达到人眼安全水平。该技术可能在黑暗中并不适用，但由于周围的光线很弱时通常不需要高功率激光，该技术是没用的。
在另一优选方面，本发明提供探测微粒的仪器和方法，包括：向被监测区域发射一束射线，并且探测标示微粒存在的区域的图像中的变化，其中射线束和探测图像中的变化的设备中的至少一种适合传递数据。
在大多数的防护系统中，线路安装是整个系统成本的重要组成部分。基于用于数据通信的无线通信设备的无线系统为系统提供额外成本。
以下是本发明的实施例的探测器系统的不同部分间所需通信的一些数据的列表：
1.摄像机/激光器同步或时间信息
2.系统配置信息
3.激光强度，占空比(dutycycle)和摄像机曝光指令
4.激光器&摄像机对准数据(用于主动对准和/或故障监控)
5.多激光器系统中的激光器启动/禁止(enable/disable)指令。
6.激光器标记激活/去活(activation/de-activation)/占空比/强度控制指令
7.激光偏振或波长变换指令
8.向火警面板或其他外部系统报告的火警状态
光通信可与连接无线电通信一起使用以提高整个通信可靠性。
根据发明的优选实施方式，发射的射线源的光传输提供了在被保护的范围内所有数据处理器间的数据传输通道。其中一个处理器可作为比如火警面板的外部系统的连接点。任意地，两个或更多的有到火警面板的独立数据通道的连接点可用于提供容错报告通道。
特定系统的具体要求在很大程度上取决于系统配置的类型和复杂性。但是，一般来说，可用带宽是用来区分通信解决方案的类别和实用性的标准。使用摄像机的解决方案中，带宽在某种程度上受到摄像机的帧速率的限制，而使用其他一些光传感器的解决方案不会有此限制，原则上具备高的带宽。
图18所示的实例系统包括两个摄像机181a、181b和两个激光器182a、182b，设置为允许激光束完整性的互相检测。这一概念在其他地方会详细论述。两个光探测器183a和183b将部分的入射激光信号转变成电信号。收到的信号被传递到摄像机181内或与其关联的进行处理的电子元件，接下来产生被传递到激光器182的控制信号。为减少背景光的影响，光探测器183会使用带通滤光器如干扰滤光器或有色染料滤光器，如果激光是偏振的，偏振滤光器也可被使用。线性偏振或圆形偏振时也可被使用。
主要干扰源可能是直流电或者太阳光或人造光源的低频性。排除这一干扰的方法是对数据进行频率偏移(shift)远离干扰存在的频率，在这种情况下向上偏移。图19示出了这样的一种设置，其中处理器191将数据传递给调制器192，调制器192又将频率偏移的数据传给激光器193。激光器193根据来自调制器192的信号产生振幅调制激光194。光探测器195将收到的光信号转变回电信号，然后在传给处理器197前传给解调器196。
根据本发明，许多调制技术被使用。下面举出了一些实例。
一种方法是用串行数据流对激光调幅。如果背景光足够暗，它就能工作。数据流的统计也许会导致激光平均功率的变化。反过来，虽然由于效果是可计算的其能被修正，但是这将影响系统的敏感度。数据可能被编码以减少或消除平均功率的变化。例如，数据可能通过与伪随机序列的“异或”操作而被随机化。数据压缩技术也可能被使用，因为它们趋向于使被传送的数据流随机化。
另一方案是曼彻斯特编码，因为它导致稳定的平均功率并且不含直流数据内容。
脉冲位置调制也可被使用。在这种情况下，脉冲可能是短周期的，此时激光被关闭或降到低功率，其间的较长的时间间隔为全功率。此种方案提供近乎不变的平均功率，并且平均功率与峰值功率的比率要比曼彻斯特编码高。
脉冲宽度调制也能被使用，同样情况下，脉冲可能是短周期的，此时激光被关闭或降到低功率，但不是时间位置变化而是持续时间或宽度变化。假设脉冲比其间隔的时间短，那么平均功率与峰值功率的比率将会较高，平均值的变化将会较低。数据能被编码以减少或消除平均功率的变化。例如数据能够通过与伪随机序列异或而随机化或者在脉冲宽度调制之前进行曼彻斯特编码。脉冲宽度调制的变体使用缺席脉冲(absentpulses)而不是非零宽度。这样，在期望时间缺席脉冲代表一个具体数据，与特殊宽度的脉冲代表具体但不同的数据符号的方式相同。
同样，上述技术中的许多可以被结合，并且还能使用的其它技术为频移键控的子载波、相移键控的子载波、振幅偏移键控的子载波和扩频技术。
因为摄像机每帧只能对落在象素上的光水平更新一次，数据速率由帧频限制。这暗示着30Hz的帧速率只有每秒30比特的速率。然而，可使用技术来提高数据速率超过每帧一比特。
环境照明可能是干涉数据通信的噪声源。能够使用上述光学滤波。因为摄像机在用于烟雾探测用途之前就存在，过滤器可能是已经存在。
已被描述的使背景光线对烟雾检测性能的影响最小化的方法一般适用于数据接收，并且这里不再细述。
当接收器为摄像机时，前面提到的许多调制或编码方案同样可以使用。为了缓解帧速率的限制，特别需要数据压缩。
因为大多数摄像机在限定的曝光期内对被接受的光子积分，放射器在曝光期间的工作周期可以变化以获得与变化真实强度相同的结果。在一些情况下将是低成本实施。
利用在图18的实施例中存在的硬件的方法是用数据调制激光的强度。激光必须是摄像机的视场中可见的，并且必须有足够的输出指向摄像机使它克服背景光的变化。这些条件作为监测激光束完整性的一部分，已经在本发明的许多实施例中得到满足。
有很多用于编码数据的方法，以下是一些实例。为了便于阐释，假设本发明的系统不是通过激光器传递数据，激光仅在交替的帧下被驱动而开关。然后，数据传输只是开关的周期或帧的模式的变化，和/或强度变化，然后在接收端摄像机和处理器中鉴别该变化。
以下是一个同步的序列，在施加到激光调制器之前，规则的激光开关驱动与数据流进行异或。用这个方法每两帧传递一比特。这个方法被认为是曼彻斯特编码的一种形式。它的主要优点简单，稳定(robustness)，且激光的平均工作周期不会随数据变化。然而数据速率非常低。数据压缩方法能有助恢复一些带宽。
直接在激光调制器上应用数据流能每一帧传递一比特可实现高数据速率。为了保持平均激光工作周期在烟雾探测操作可接受的极限内，同样需要一些手段限制相同符号的长时间出现，并且随机化和/或压缩技术也可被使用。
通过使用多级编码还可能进一步增加数据速率。例如不同的激光强度如全功率的0％，33％，66％和100％可用于每帧编码两比特。外部光学噪声、摄像机内部噪声，和整个系统增益稳定性将限制能被使用的级别的数量。
代替使用激光单独作为数据发射机，可调制的附加光源也可被使用，如图18中的184a和184b。如果光学滤波被使用在摄像机中，被选择的光源必须发射对应的波长和偏振，或是有足够的强度克服滤光器的损耗。发光二极管(LED)正好能实现这一目标。
例如，一个四LED的阵列能传送的数据是一个单独光源传递的四倍。前面提到的任何编码方法都能采用。LED必须恰当间隔以使其作为独立光源被摄像机区分。
如果使用彩色摄像机，那么摄像机能测量至多三个不同色的LED强度，既使他们出现在图象中的同一点。三个单独的LED可能被使用，或RGBLED可能被使用。这样，每个RGBLED的每一帧传送三比特的数据。同样，先前用于数据编码的任何方法都能使用。例如，采用RGBLED的四级编码方案能用一帧传送6比特。
在另一优选的方面，本发明提供探测微粒的仪器和方法，包括向被监测区域发射一束射线以及探测标示微粒存在的区域的图像中的变化，还包括补偿被探测图像的畸变的装置。
关于探测图像，与针孔透镜相比大多数透镜将产生一定程度的图像畸变。典型的，畸变为畸变中心周围的径向放大，所述畸变中心通常接近，但不必完全在光学中心线上。依靠随着到畸变中心的半径是增加或是者减少，畸变经常被称为“枕形”或者“桶形”畸变。
具有窄视场的透镜，例如少于20度一般不产生足够的畸变以严重影响为了探测微粒的图像捕捉设备的运行。然而，宽视场透镜可产生足够的畸变，微粒探测系统不采取一些措施抵抗畸变可能不能正确运行。
处理透镜畸变
在根据本发明的使用发射的射线和图像探测的微粒探测系统中，如果不尝试纠正透镜畸变，将发生下列效果。
1.综合区域：综合区域可能不完全与图像中束的实际位置相符，因为束假定是直的，但是实际可能出现弯曲。
2.空间精度：对应特定像素的空间中的计算的位置可能有误差。
3.增益误差：对应特定像素的束的长度可能有误差，导致系统增益误差。
根据本发明的优选实施方式，下面的技术可用于防止一些或者所有上面的影响。
低畸变透镜
对于给定视场，复合透镜设计能被优化以带来较少的畸变。使用合适的透镜时，仅需要狭窄的视场的系统不需要为透镜畸变做任何修正。经验的空间标定(EmpiricalSpatialCalibration)
图像中点与空间中点之间的空间标定的关系能被执行。这可通过以下实现：放置引起一些束的散射的物体，然后记录空间中物体的位置和图像中它出现的位置。然后，沿束对多点重复此过程。
所述经验空间标定能用其它地方描述为“调试装置”的装置执行。此装置对于未正确对准而测试安装的系统或许是必要的。在其最简形式中，其包括一片散射一部分碰撞的射线的材料(例如一片透明塑料或者玻璃)，其被安装在杆上以使其容易被操作者或安装者置于束中。
需要的点的最小值将依赖于畸变的程度和随后使用的插值的类型。位于或者靠近束的活动部分的每一端的点应理想地被包括。一种选择为在每一期望扇面的边界记录点。每一扇面可作为分离的“虚拟”，具有其自己的警报逻辑。
然后，记录的数据可被用于以下方式。
1.选择综合区域包括记录的点。插值或者曲线拟合被用于评估点之间所需的综合区域。综合区域被制成在每一点充分的大以允许束发散和两点位置的任何不确定。
2.记录的点能被用作查询表以确定对应于给定像素或像素组的真实空间位置。插值被用于评估落入被记录点之间的值，或者可选择的，如果被记录点是每一扇面的边界，那么有能力使用此数据确定每一像素属于哪一扇面从而用于随后接收的散射光综合运算(integrationoperation)。
这些方法可处理提到的头两个影响。
第三个影响增益误差既可以被忽略，因为在许多情况下，其为相对小的误差，也可以例如通过用均匀照亮的场景(scene)标定摄像机。此类型的标定或者修正也可被需要以修正其它的增益误差源，例如无论何种方式的摄像机虚光(vignetting)。值得注意的是，这种修正对于激光束在宽度上对向至少一个像素的图像的那些部分是正确的，但是，当激光束很窄，修正可能较不精确，因为束是线光源，而不是面——这是修正的基础。
激光束定向(LaserBeamOrientation)
激光束和摄像机能被对准，所以束的图像通过图像中心附近。因为畸变通常是放射状的，所以结果是束仍然显示为直线。这是一种允许以如下方式计算综合面积的方法，只知道沿着束的两个点通过在两点之间画一直线，足够宽以允许射束发散性和两点位置的不确定性。
基于模型的畸变修正
建模
数学模型能够被用于代表透镜畸变。在大多数情况下，径向的畸变模型充分精确。此类模型的例子是：
r′＝M(|r|)·r
其中，
r是代表像素真实位置的矢量，
r’是像素的畸变的位置，以及
M是标量放大因子(scalarmagnificationfactor)，是从畸变中心到像素的距离的函数，并且限制为M(0)＝1
矢量距离全部关于代表透镜系统畸变中心的点P＝(Px，Py)被测量。
模型代表畸变图像平面和非畸变图像平面之间的映射。
各种对于给定透镜得出函数M的方法在本领域技术人员能得到的文献中被讨论。
一种方法为：
使M(r)＝1+ar+br2(或者使用更高/更低次的多项式以达到更高/更低的精度)
记录由在白色背景上的黑点的均匀阵列组成的场景(scene)的图像
选择一个或者更多行的点
确定图像(畸变图像平面)中它们的表面上的中心的坐标。
当对应非畸变图像平面时，使用最小二乘优化以确定最佳匹配系数a、b、Px和Py，使点尽可能落在一条直线上(或者多条直线，如果超过一行被选中时)。
此建模可至少对于根据本发明的优选实施方式的系统中使用的每种透镜被执行，或者优选地对摄像机单元制造时的每个独立的透镜执行。然后，模型系数被永久的存储在相关的处理单元或者与摄像机物理上相关的非易失性存储器中。其它摄像机相关的标准能够被相似的处理，例如，固定模式噪声修正数据和一个个像素的灵敏度数据能够出厂测量，并且存储在摄像机单元或者相关处理器中。
修正
畸变模型能够以几种方式被使用。概念的一种方式为完全“未畸变”整体图像作为从摄像机捕获他们之后的第一处理步骤。
一种方法是在产生的“非畸变图像”中设置每个像素值(灰度)，为原始畸变图像里最近的相应点的值，利用已知模型转换坐标。
由于映射到畸变图像平面后像素坐标经常是小数，更精确的方法可用插值以获得像素的近似值。双线性插值产生好的结果，但是完全的sinc(x)插值会更有用。
修正整体图像计算上是密集的，因此，使用避免修正整体图像的方法是有利的。
优选的方法是进行上所述的所有步骤，并在处理序列中在下述几点进行修正。
1、当计算综合区域时，非畸变已知点的坐标(例如，激光源光斑，目标光斑，如果可见，由委托装置获得的被记忆的图像点)。
2、计算封闭的多边形内的一组像素，所述多边形允许束发散和点位置上的不确定(正如无透镜畸变时一样)。
3、映射每个像素的坐标到畸变图像平面上最近的像素位置上。
4、对背景取消区域，重复上述步骤
5、用于计算“像素半径”(图像中像素离光源显示位置的距离)的所有坐标应首先被映射到非畸变图像平面上。
6、相似地，用于计算所有与结构有关的量(散射角、激光束的相应位置等)所用的坐标应首先被映射到非畸变图像平面上。
这样，综合区域正确考虑透镜畸变，同时也适当修正散射角度和微粒的空间位置，而无需修正全部图像的计算强度非常大的处理。
注意，仍然需要本发明的系统偶尔能够修正全部图像，因为：
1、畸变模型的视觉确认，
2、传递监督图像到外部系统。
另一优选实施方式中，本发明提供探测微粒的仪器和方法，包括向被监测区域发射射线束，以及探测标示微粒存在的区域的图像中的变化，还进一步包括提供权重函数的装置以探测有选择地分辨的(resolving)图像部分。
摄像机的分辨率限制被监测微粒的被测量位置的分辨率或者精确度。使用前向散射结构的系统中，接近摄像机的束的微粒的位置可以高精度地被分辨。但是，对于更远距离的微粒，分辨率变得越来越差。
在图20中，源201在摄像机方向上将光束指向摄像机，摄像机由透镜202和光敏感表面203构成，这样束中的微粒的前向散射可以进入摄像机。两个摄像机像素的视场由角θ1和θ2表示。这些角对于普通透镜大约相同。两个像素视场中可见的束的位置由ΔL1和ΔL1表示。即使没有任何计算，很明显，当离摄像机的距离增加时，对应于一个单独像素的束的长度大大增加。对第一个近似值，长度ΔL与束的部分到摄像机的距离的平方成比例。
实际上，这意味着对于系统来说，最小的所需摄像机分辨率由为确定束远端微粒位置而想要的性能所确定。结果，在近端存在比需要好得多的性能。
低分辨率的摄像机可通过利用透镜系统用于获得设定的系统性能，该透镜系统导致对于观察束的接近部分的像素，像素视场更宽，对于观察远离部分的像素则更窄。注意，当使用故意畸变光学装置时，如其他部分所述的图像处理修正通常需要被应用以维持正确的系统运转。这里描述的故意被畸变的光学装置不能象通常普通透镜所做的那样利用简单的径向畸变模型而被建模，但是，除了确定要用的修正畸变模型之外，处理透镜畸变方法与上述关于透镜畸变所描述的一样。可利用混合模型。在这种情况下，可以使用径像畸变与棱镜模型相结合。
偏移透镜(OffsetLens)
一种技术被公知为偏移透镜。在图21中，由透镜212和光敏面213组成的摄像机检测发源于光源211的散射光。透镜从光敏面的中心被偏移，并且也可能被倾斜以在图像中减少像差。光敏面被设置成大致平行于光束。
棱镜(Prism)
达到相似效果的另一个方法是使用棱镜。图22示出的实施例中，由透镜222和光敏面223组成的摄像机检测发源于光源221的散射光。散射光进入透镜之前穿过棱镜4。棱镜的作用是以依靠进入棱镜的角度而变化的方式扩大或者压缩束的长度的夹角(angularsubtense)。曲面的棱镜也能被用于获得比平面棱镜更夸张的效果。多重棱镜也能被用于增加效果。
曲面镜(CurvedMirror)
另一方法使用曲面镜。图23示出的实施例中，由透镜232和光敏面233组成的摄像机检测发源于光源231的散射光。散射光在进入透镜之前首先被曲面镜234反射。曲面镜的作用是以依靠镜子的入射角而变化的方式扩大或者压缩束的长度的夹角(angularsubtense)。尽管示出的是凸面镜，但是凹面镜或者具有凸面和凹面部分的镜子可以被使用。尽管双曲面镜也可被使用，但是总体上镜子将是单曲的。
在另一优选方面，本发明提供探测微粒粒子的仪器和方法，包括向被监视区域发射多束射线和探测标示粒子存在的区域的图像中的变化，其中束适合于顺序运转。
在优选实施方式中，本发明可通过增加额外的激光束以覆盖更大的区域。如果所有的束和摄像机位于大约一个平面上，那么从摄像机的视角来看这些束是重叠的。这可导致系统灵敏度改善和一台摄像机覆盖面积的增加。多重激光器提供与激光器功率增加相似的灵敏度改善，因为对于一束来说摄像机和背景噪声贡献基本相同。
在一些实施方式中，不必要隔离粒子的位置下至单独的激光束。然而，如果需要，那么仍有可能通过循环激光束开和关而辨别微粒位于何处。
适合提供此结果的方案将让所有激光器运行一帧开和一帧关，如同单个激光器所做的。当粒子被探测到时，系统其后能选择每次仅一束开启的扫描模式。
当“扫描”时允许更高平均功率的更精细的方案如下：每隔一帧关闭所有激光器，而每隔一帧除了一个激光器外所有的激光器工作。在每个激光器开的帧，不同的激光器不工作。任何其它线性无关的激光器状态组合可被使用。可以使用变化的激光器功率而不是完全关闭激光器。然而为了简化此处所描述的方案是优选的，且达到了高激光器工作周期。在一些情况下，可以执行较低工作周期以减少功率消耗并增加激光器寿命。
图24中，摄像机241从激光器L1、L2、L3和L4产生的激光束接收散射光。摄像机的视场为θ。对应像素的视场为Δθ。
图24的时序图示出了激光器的运行模式。如上文中所注释的，其他模式也可被使用。
转换摄像机信号至每一束的单独的散射读数(reading)的数学过程如下：
使：
R为来自摄像机的图像中的一个像素的总接收信号，
Sn为当激光器n是满功率时被激光器n照亮的粒子的贡献，
Ln为第n个激光器的功率，其中1代表满功率，而0代表激光器的关状态，(小数的激光功率0＜Ln＜1也是允许的。)
N为激光器总数
那么，
R = Σ n = 1 N L n S n
现若N帧被拍摄，那么每一个都具有N个线性无关的向量激光器状态[L11...L1N]...[LN1...L1N]，并且我们假定我们要求的散射贡献[S11...S1N]...[SN1...S1N]在数据采集的周期中不变，那么对应的接收信号Rm为：
R m = Σ n = 1 N L mn S n
这可使用矩阵表达：
R 1 · · R N = L 11 · · L 1 N · · · · · · · · L N 1 · · L NN · S 1 · · S N
由任意非常熟知的解决联立方程的方法所解出向量[S1...SN]。
这些运算应使用已经执行背景取消的图像来完成。进一步的综合也已被执行，或者进一步的综合后来被执行。
同样，这些操作需要对选择的综合区域内的每一像素和像素组来完成。后来的处理与单激光器系统一样，除了N组数据被处理。Sn的下标决定特定的S值属于的组。
典型的系统可合并用于故障检测的激光源光斑和目标光斑监控和对准监控或者反馈。假如摄像机以充分线性方式操作，没有过饱和，即使存在图像中光斑的重叠，通过在相关的像素或像素组上使用上述计算仍能够做到。
如果饱和使得不同激光光斑的贡献不可能分离，那么，可选择的是每次仅间断性的开启一个激光器以确定光斑的位置。
在另一优选实施方式中，本发明提供一种探测微粒的仪器和方法，包括向被监测区域发射射线束以及探测标示微粒存在的区域的图像中的变化，其中使至少一个射线源和探测图像的设备适于以被控制方式定位。
在一优选实施例中，光源和接收器之一或者两者都被安装在位置控制机构上，以对准接收器和光源的主轴以及它们的视场。这个的优点在于在手动或者自动的控制下，系统能被得以更接近的检查场景中的感兴趣范围，更好的监督重点区域。这将作为摇摆机构或者倾斜机构或者变焦机构或者三者的任意结合而被执行。例如，平面机构允许可能超过低成本宽角度透镜的视场对感兴趣的宽范围进行监测。
图25示出了系统的一个实施例，其中，摇摆-倾斜-变焦，或者PTZ运行着并且设置为普通用途。系统包括变焦透镜251、摇摆-倾斜机构252、安装支架253、接收器254(优选的以图像捕捉装置的形式，例如摄像机)、光源255(优选的以激光器的形式)。每一接收器具有视场257，而每一源255产生束254。系统被用于监控环境258。
图26示出了图25的实施例系统，以及视场如何为对感兴趣区域进行精密检查而被调整，在本实施例中包括烟气2610。
当光源和接收器其中之一或者两者的主轴改变时，系统标定改变，并且必须在测量过程中对3D空间中感兴趣区域的物理位置及强度和光散射测量的特性予以考虑。这通过直接计算或者等价地使用查询表很容易获得。
PTZ机构为每一接收器和光源提供三个自由度。因此，总共存在六个自由度，可以表达为六维查询表。虽然这做得到，但在大小上不实用。例如，允许在每一摇摆、倾斜和变焦位置上的10个位置，可能的组合为10的6次方或者一百万个组合。
因此，优选的执行能够使用较少的分辨率表。例如，在每一摇摆倾斜和变焦有五个位置，组合降为5的6次方或者15625个可能的组合。如果这是不够的分辨率，有可能额外施加插值以确定位于中间点的位置的值。
空间标定(SpaceCalibration)
为了确定系统感知的空间位置，有必要确定接收器和光源的本征和非本征参数。
本征参数(Intrinsicparameters)
在接收器是使用像CCS或者CMOS传感器一样的面阵列传感器的摄像机的情况下，重要的本征参数有焦距、传感器元件的间距x和y、透镜主轴和图像阵列的重合点以及径向透镜畸变因子。例如图像传感器平面关于透镜主轴的倾角的其它参数和例如切向畸变的高阶效应可被说明，但通常被忽略，因为它们对测量结果的低重要性。
本征参数可在制造时被确定并在场中应用。
非本征参数(Extrinsicparameters)
非本征参数依赖于光源和接收器的安装模式，它们必须在最初的位置被校准。对于每一个光源和接收器，需要测量以完全确定空间位置的参数为光源或者接收器的有效旋转中心X、Y、Z和围绕每一个笛卡尔轴的旋转，alpha、beta、gamma。
如果这些与本征参数一起被了解，有可能对于图像中源光束可见的任意像素，在已知限制内，确定被观察的空间中点的位置X、Y、Z。
在另一优选方面，本发明提供探测粒子的仪器和方法，包括向被监视区域发射一束射线和探测标示粒子存在的区域的图像中的变化，其中图像被位于至少两个位置的探测器所探测。
一个实践中可能出现的问题是，系统可能曲解图像并产生错误的粒子测量。图27示出的实施例中，被探测环境被278标示。图27中示出的移动的人可能产生可能影响散射测量的图像假象。接收器271观察来自束的以及在背景中行走的人的散射。尽管图像相减将减少此类干扰的影响，但是合成图像将如图28中示出的出现。在图28的图像中，存在期望的束位置的范围中亮度的变化。这可能干扰在那点的测量，并且可能导致错误警报。
如图29所示，观察相同场景但从不同的有利位置的第二摄像机可能被用以校验警报，并且抛弃上述种类的干扰。第二图像中的可见干扰不明显的与期望的束位置一致。因为系统没有察觉沿两图像中的线的散射行为，那么它可能抛弃来自第一摄像机271错误信息，从而避免错误警报。
另一个问题是有可能明亮的背景完全盖过来自烟雾事件的光散射，从而引起它被遗漏。图30说明在被监视的环境308中的这种情况。在任何处理可能发生之前，摄像机301被来自沿着部分束路径的窗口302的明亮光线所遮蔽，导致其在获得该区域上的散射时无效。来自摄像机301的未加工的图像在任何处理之前将如图31所示的出现。在此图像中，在束311穿过窗格(windowpane)312时，接收器被饱和并且因此不能探测在图像中遇到窗玻璃312的位置上的由与束重合的烟雾粒子引起的任何另外的散射光。观察相同的场景但从不同的有利位置的第二摄像机可能被用以覆盖第一摄像机错过的区域。例如，第二摄像机图像将由图32所示的图像组成。在此图像中，束径321不与窗户图像322重叠，所以摄像机能够沿束321获取烟雾粒子事件。
如上所述，为了最小化由于例如照明条件的局部变化的干扰效应，希望限制对图象中已知由光源束占据的的区域及其附近区域的图象处理。这同样对减少处理设备的计算负担有好处。根据本发明的优选实施例，有可能以束可见的图像区域为已知的方式来校准接收器和光源。可选择的方法是为了通过束径的已知两点来明确束的位置。一点可以是光源本身，而另一点可为反射的或者透明的目标或者探测器，其以这样一种方式布置使得其保持在接收器的视场内的同时拦截了空间中束的路径。图33示出了这样的实例，其中区域338被检测。
图33的接收器343捕获的图像在图34中被示出。探测器346本质上为散射特征的等价物，比如具有适当的散射特性的塑料片或玻璃片，其以这样一种方式被插入到光束路径342中，来自投射光斑345的束散射对接收器343是可见的。光源孔径341在图像中也可见。注意，来自光源341的光可能是由光源出口圈散射而产生的闪光(glare)，或者是由特别放置的光源，如LED.还应该注意，散射装置(探针)的悬置方法并不重要，只要被投光斑345一直保持在摄像机343的视场内。更进一步，应该注意，被投光斑345可能会被用来监测束路径342，因为光斑345亮度的缺乏或减弱可以表明有障碍物存在，它反过来降低系统的探测性能。
当LED作为光源标记被使用时，另外的特征为LED可以允许高环境光的条件下探测的方式闪现开和关。例如，在包含LED的图像的整体或者一部分中，从“开”图像中减去“关”图像，将改进LED的探测。通过确定源和光束的目的地并分别的，图像中的感兴趣范围可通过线形插值被轻易的查明。在接收器透镜遭受极端透镜畸变的情况下，大多数普通的径向透镜畸变，使用的插值必须是更高(一般二阶)阶的，而不是基于直线的。径向畸变可为如上所述的枕形畸变或桶形畸变中的任一个。在任意一种情况下，为了完全确定穿过图像的束的路径，该值的测量和其他内征参数一样可被要求。
为径向透镜畸变而施加的修正有如下形式：
r′＝r+nr2
其中，r’为修正的半径，r为未修正图像中主点的投影的观测半径，而n为实验得出的常数。在桶形畸变的情况下，n为负常数。在枕形畸变的情况下，n为正常数。此种修正方法为图像处理和图像捕获领域的一般技术人员所知。
有必要监视有关接收器的光源束的方向，以便于能够依靠接收的照度计算烟雾水平。同样希望监视到达的光束以确保其不被阻塞。在一实施例中，监督光束的设备将在接收器附近的表面上观察其投影。这一点在此前被讨论并且进一步在此通过图35示出的可选择的实施例的例子详细阐述。
光源351把光束353投射在一个接近但不直接指向接收器352的区域。靠近接收器的墙上被投射的光斑354不能被接收器352看到。因此，在上面的配置中，接收器352不能用于校验光束未被阻挡的。存在很多种监督光束到达的方法。
一个实施例在图36中被示出，其中后视镜365被置于接收器362的前方，所述其部分视场被转移为后视。如以前，光束投影光斑364落到接收器362的后面，但是反射镜365将它的图像反射到接收器362，因此它是看得见的。接收器362捕捉的图像在图37中被示出。投影光斑364的反射在镜365中是可见的，正如光源361。在可选的实施例中，光斑364可通过特殊设计的光学元件被监督，比如可以观察光斑图像及主要正向图像(mainforwardimage)的透镜。这样的透镜在图38中被示出。在图38中，透镜盒381包括前视镜头383后视镜头384。通过前视镜头383进入的光通过分束镜(beamsplitter)386并且落到图像传感器387。通过后视镜头384进入的光通过镜385被反射，部分由分束镜386反射并且落到图像传感器387。结果是组合的图像显示了接收器后面墙上的光斑和前方的场景。分束镜386可采用众多熟知的形式中的任何一种，比如说棱镜，但是更适宜的是一段平行面的镜子。如果需要这样的镜子可局部镀银以更好地捕获来自透镜384的光，但这不是必需的。
上述方法的不利之处在于两个图像的结合可能会引起一些干涉，这些干涉降低接收器对主要方向上的散射光的灵敏度。
因此，有一种改进把遮光器(shutter)应用到前视或后视光圈中的其中之一或者两者，他们可通过相同的接收器交替的被观察。其实施例在图39中被示出。添加遮光器388和389允许独立观察前向和后向的景象。遮光器可通过电动机或者其它物理驱动装置机械运转，或者可为没有可动部分的固态遮光器，例如液晶遮光器或者磁光遮光器。
这个原理的可选择实施例中，前视遮光器388可省略。当想要通过后视镜头384观测光斑382时，遮光器389被打开，允许光从光斑落到图像传感器。通常光斑会比前视场景中的任何特征有更大的亮度，并且很容易分辨。
在另一个实施例中，可通过活动的图像捕捉系统(activeimagecapturesystem)监督光束。例如，一个专用的摄像机可被用于确定投影光斑的位置和亮度这唯一的意图。这在图40中被示出。接收器405监控投影光斑404的位置和亮度。在一这样的实施例中，后视接收器405可为摄像机，比如CCD或CMOS阵列摄像机或对等物。此原理的另一个实施例中，接收器可为位置敏感二极管，它的输出信号得自它表面光斑的亮度和位置。此原理的另一个实施例中，接收器405可为单个对准的光电二极管用于观察反射光斑和提供基于光斑亮度的信号。光斑的缺乏或衰减会借助于简单的处理装置引起报警信号。
在另一个实施例中，接受器405可为两个或更多光电二极管的阵列，它的比较信号可被用于表示光斑到所需位置的偏差程度。
在以上实施例的任何一种中，后视接收器405和前视接收器402可被结合为一种物理结构以便容易安装和对准。
接收器的束监督
在进一步的实施例中，用于探测散射的相同接收器可监督束的到达。这在图41中示出。在该束监督系统的实施例中，束413周期性转向到直接进入或接近接收器412的镜头的位置415。这可产生很高的信号水平，用于确认光束的到达。确认之后，束被转向返回其正常位置414。这个方法的优点是通过消除对独立束监督元件的需求来降低成本。
另一个监督光束的到达的方法是周期性引导它进入接收器视场中的表面。在图42中两个线426指示接收器422的视场界限。在正常状态中，光源421指引束423射向第一目标位置424。周期性地，该束被转向到第二目标位置425，该位置选在接收器422的视场中。由接收器探测在425处的投射光斑，因此确认束的到达。然后该束返回器正常位置。
本领域技术人员将明白，微粒散射测量，即如前所述，根据光谱和微粒的尺寸分布以及吸收特性，以某方式散射穿过微粒云的光束。图43的图表示出了无干扰微粒存在的束的图像和束轮廓。在该图表中，目标432中存在光斑431。例如沿线433拍摄的强度表示为图434的相对强度。当束基本单色，且微粒分布单一模式，此模式与束的波长相比代表大微粒，边缘式样很容易被观察到。实际上，由于观察距离和微粒大小分布广泛的矛盾，边缘合并造成束明显的延散。在墙上或者其他目标上观察束的光斑时，效果是增强在束周围区域内光的强度，并降低光斑自身的强度，如图44所示。以相对束方向的许多角度设置的通过结合上述用来自接收器的强度信息测得的被观察到的强度分布，有可能形成微粒大小分布评估和由相同环境中标准遮蔽表(obscurometer)得到的更接近的模仿评估，其中接收器相对束方向以很多角度安置。
抑制盘(SuppressionDisc)
为了改进束延展效果的灵敏度，有可能将主光束聚焦在光线吸收结构或者表面或者遮蔽结构上，以便加强由大微粒散射造成的束延展。如图45示出了具有这种特性的适当目标的实例，其中451为标准目标表面，452为光线吸收材料的圆形物。同样注意，452可以是以使光反射回孔径最小化的方式构成的腔。图46中，图表464显示穿过线463所观察到的强度轮廓。由于很亮的中心光斑允许探测调光尾(dimmertails)466，束延展效应更易于被接收器探测到。
测试照明器以检查接收器
可能有必要确定接收器正确运行。当接收器为区域阵列探测器(areaarraydetector)，例如CCD或者CMOS摄像机时，图像阵列表面上的有缺陷的像元素(像素)或者过多的沙尘微粒沉淀物可能引起系统丢失光散射事件。
在一实施例中，检查每一元件运行的方法是提供照明源以使阵列充满光。每一元件可对比接受的标准和做出的通过/失败(pass/fail)评估来被检查。对该测试的改进为存储在生产或安装阶段照明器激活时来自接收器的参考图像(referenceimage)，并使用该存储的帧与随后的照明器测试帧比较，消除在测试期间特别补偿像素到像素的微小变化或照明中的静态空间变化的需要。
检查阵列运行的一种方法是提供外部光源，其周期性设置于接收器前面以投射均匀的光。在图47中，照明器设备474临时设置于透镜箱471前面。照明源476发出的光经过用于使来自照明光源的光发散的可选屏幕475，再通过透镜系统472，射到图像传感器473，所述图像传感器能够空间解析其表面上的强度变化，如CCD或者CMOS阵列。照明器设备474可用在许多使用光源的方法中，例如场致发光板，LED，或用在有充足的环境照明的地方，所述方法组成简单的毛玻璃屏或等效发散已经存在于接收器周围环境中的照明。
图48示出了另一执行测试照明器的方法。图48中，照明源486紧邻接收器探测器阵列设置，在透镜系统482和图像接收器483之间的空间中。该照明器可周期性激活，检测图像阵列的功能。
反向散射以探测浓烟流
当高易燃物点燃时，会出现浓烟，光束可能大大削弱，以致探测不到正向散射。这种情况下，根据本发明的另一实施例，如上文讨论的，使用反向朝光源散射的光来表示空气中烟雾的位置和数量。
图49示出了这一结构的实施例。参照图49，光源491发射光束492穿过空间到达定位于接收器摄像机494附近的点493。烟雾流495具有遮光性(opticalobscuration)，因此束中没有足够数量的光能被接收器摄像机494探测到。但是，另一接收器摄像机496被置于光源491附近以便接收从浓烟中反向散射的光。这允许烟流的探测然后引起警报。
图50示出了同样方法的可选实施，其中，源501发出的光束502被浓烟流506完全遮挡。接收器504旁的二次光源503被迫发出束505，射入浓烟。束505的反向散射被接收器504探测到，从而引起警报。
由于图像中相对背景低的散射光水平，有必要采用算法以减少图像噪音影响来提高系统的探测能力。该过程参照图51解释。没有使用缩放，第一图像511在光源关时捕捉到。在第二图像512中，图像在光源514开和同样的环境光条件下捕捉到。通过从512中减去511所形成的差分图像(differenceimage)513示出了没有背景假象，但使光源散射易于被探测到。接收系统的灵敏度被规律调节以确保所捕捉的图像在其动态范围内。干扰出现时，整个背景强度能区分激光开的图像和激光关的图像。因此，执行图像减法时，背景不能完全去除，而因此背景假象保留在差分图像中。图52中，由于，例如荧光灯闪光，光源关的图像521有较高的整体亮度。从光源524开的图像522中减去光源关的图像521，产生合成图像523。在合成图像523中背景的特征，没有被减去过程消除。由于需要设置较高的探测阈，这会导致错误的探测或者减小系统辨别烟雾的能力。
克服这种情况的方法是使用修正，该修正基于已知从一个图像到下一个图像相等的图像强度。比较背景图像(光源关)和激活图像(光源开)，清楚地看出，两个图像中有不因光束照明而变化的范围。因此，这些范围中的任何变化肯定是因为干扰影响，如荧光灯闪光。图53中，阴影区域531代表光束路径532以外的范围。区域531被叫做背景综合范围，区域532被称作光束综合范围。通过分析531的照明度，有可能调整整个图像以按需求增强或减弱其强度以使参考区域531具有期望的照明度。这被称为自动增益控制形式。因此，当这样处理的图像被用于图像消减时，合成图像更容易显露范围533中光束的散射。
在可选择的执行中，可以在不首先修正图像而相减时调节图像。这会导致运算程序上的节约。该实例如下：
假设存在两个图像I1，I2，其中I1是光束关的图像，I2是光束开的图像。设图像531的参考区域为R1，而I2的参考图像为R2。进一步，设R1中的所有像素的平均强度为V1，R2中的所有像素的平均强度为V2。那么，差分图像Idi通过以下计算得出：
I diff ( x , y ) = I 2 ( x , y ) - V 2 I 1 ( x , y ) V 1
对于每一像素(x，y)
这一步校正了照明中的所有变化，以便差分图像的主要特征是来自光源束中的散射。
该方法的进一步改进是将运算程序限定在光束综合范围。这会减少计算负担，允许更节约的执行。
通过利用在光束位置任一侧的参考区域，可以得到更好的变化测量。图54中，在束区域543任一侧的区域541和区域542被用来寻找图像间的相对变化。因为探测算法优选比较束关闭的图像与束开启的图像，所以因外部光源而有干扰时，这尤其有特别应用，这种干扰相对图像捕获时间不同步。这些干扰例子是荧光和氖信号。当这些干扰源存在时，有可能限定由光源开和光源关拍摄的图像，因此图像相减会更彻底地去除图像背景假象。
束543的路径在探测图像中出现，它两侧的区域541和区域542被用作图像的整体照明的测量。修正公式与以上给出的修正公式相同。
该方法的进一步改进涉及图像范围中干扰不均匀的修正。例如，如果设置有干扰光源以便主要照明被探测区域，不可能有全面的调整。因此，最好采用局部或区域对区域(region-by-region)的修正。
这将参考图55解释。图像被分成束553的位置之上的部分551和之下的部分552。上述类型的修正现应用于区域对区域的基础之上，每个区含有部分551，和其下部分552。每一区域[4]至[12]都含有以下三份，部分551，部分552和存在光束的551和552之间的区域。
然后，计算修正公式，并被应用于一个区域对区域的基础，只用于可应用区域的像素。
应用修正(ratiometric)和后来的背景取消，有四个元素用于计算具有多余噪音成分和所需信号的每个。这些元素是光源开的光束综合范围，光源关的光束综合范围，光源开的背景综合范围和光源关的背景综合范围。
系统噪音主要由接收器图像噪音产生。通过捕获和综合一系列的图像、通过增大综合区域的大小或通过按时增加光源的占空比会减少这些噪音。这些措施可被单独或组合使用，用以增强相对接收器噪音的信号。
为了实现最佳的噪音减小，所选择的计算区域不易于过多的干扰很重要。
视场中的多种物体可产生过多的干扰，如电视，电脑监视器，生物信号等。其他物体也会产生干扰，如在规律的人行交通的视场中，移动的机械，外部窗户中有流动的交通或人行道。
在安装和调试期间，有可能手工指定区域以排除免于处理。因此系统可忽略来自排除区域的数据。
在优选的执行中，在安装和调试期间，排除区域的选择应自动去除手动设置的需要。每个图像成分用一个参数区分，该参数测量它经一段时间的水平变化。该测量可通过计算在一个选定时间段内的像素水平的标准偏离而获得。对给定像素的测量大大超过大多数的像素时，该像素被标记为不适合用在区域计算中。
为了能够预言在所接收的图像中的束路径，需要监控光束源的位置。参照图33，这可如上所述实现，如果知道源束的位置时以及束径中至少一个其他点，可识别对应于穿过图像的束的路径的关注范围。
在观察激光源时出现的严重问题是接收器可能超载，以致所捕获的图像在光源的区域中色饱和。这样的结果是如此影响的区域对散射信息不敏感，因而不能探测烟雾。在图56中，产生光束562的光源561使大部分所接收的图像超载，而这导致区域中感烟探测失效。
通过用某种方法遮蔽光源可减轻该问题，该方法以便遮蔽接收器免受来自光源孔径的直接散射的光。用于遮蔽光源的一个方法是应用符合光源孔径的连续挡板。参照图57，至少一个挡板572放置于光束源571孔径。主光束源573不受阻碍地穿过。离轴光散射574被挡板系统572吸收，并因而对接收器不可视，由575示出了其观察方向。
这种挡板系统的使用大大减少或完全消除了由接收器捕获的光源的图像。
不同于挡板系统的设备可用于达到相同的结果。例如可设置一简单的不透明或半透明板，以便其遮蔽接收器直接观察光源，但不干扰主光束的通过。这在图58中示出，其中板582可截取、吸收和侧置(side)将沿接收器视角585接收的散射534。使用半透明板优势在于，由光从光源至接收器通过板，因而仍可在接收器的图像中识别光源的位置。
尽管结合具体实施例描述了本发明，应该明白能够进一步修改。本申请旨在覆盖一般按照本发明原理的本发明的任意变化用途或者适应、并且包括从本公开范围出发的本发明的领域所公知的或传统的做法，并且也可应用于前述基本特点。
由于本发明可以数种形式具体实施而不脱离本发明基本特性的实质，应该明白，除非另有说明，上述实施例不限于本发明，而在如附加的权利要求所定义的本发明的范围和精神内被宽广的解释。多种修改和等效设置规定为包括在上述的本发明的范围和精神内。因此，说明书实施例将被理解以本发明的原理实行的许多方式照明。在上述说明中，设备-加-功能条款被规定为覆盖执行定义功能的结构，并且不但结构等价物，而且等价结构。例如，尽管在紧固木头部分的环境下，钉子和螺丝钉不是结构等价物，钉子使用圆柱表面与木头部份固定在一起，而螺丝钉使用螺旋状表面与木头部份固定在一起，但是钉子和螺丝钉是等价结构。
当“包括/包含”用在此说明书中时，被用以说明规定的特征、整数、步骤或者成分的存在，但不排出存在或者额外的一个或者更多其它的特征、整数、步骤或者成分或者它的组。

Claims (12)

1.一种探测微粒的方法，包括：
从一个光源向被监测区域发射射线束；
探测摄像机所捕获的区域的图像中的散射射线强度的增量，所述区域的图像中的散射射线强度的增量标示微粒的存在，
其中射线束和可选地探测图像变化的设备适于传递数据；
其中摄像机的视场包括一个激光束的至少部分光路，该激光束不直接撞击摄像机镜头，以及其中所述光源位于所述摄像机的视场内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述射线束包括所述激光束；
所述探测图像中的散射射线强度的增量的设备包括一个或者多个所述摄像机和计算设备；
所述微粒包括烟雾微粒。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述被传递的数据包括以下一个或者多个：
摄像机/激光器同步信息；
摄像机/激光器时间信息；
摄像机/激光器系统配置数据；
激光强度、占空比和摄像机曝光命令；
激光器&摄像机对准数据；
多激光系统的激光器启动/禁止命令；
激光标记激活/去活/占空比/强度控制命令；
激光偏振或波长转换命令；
向火警面板或者其他外部系统报告的火灾警报状况。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用或不使用无线传输设备下，通过光学传输设备传递所述数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
与火灾警报面板传递数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
传递数据，所述数据是被偏移到远离干涉信号频率的频率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个附加射线源适于结合射线束和探测图像中的散射射线强度的增量的设备中的一个或者多个来传输数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一个附加射线源包括LED。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测图像中的散射射线强度的增量的设备包括至少一种颜色敏感装置和束，以及/或适宜传递数据的附加射线源均还适于发射具有三种不同波长之一的射线。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据以下一个或者多个通信技术传递数据：
用串行数据对束调幅；
为束调制而编码数据。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述一个或者多个调制和编码技术包括以下一个或者多个：
使所述数据与伪随机序列异或而使所述数据随机化；
数据压缩数据；
曼彻斯特编码；
脉冲位置调制；
脉冲宽度调制；
频移键控法；
相移键控法；
幅移键控法；
扩展频谱技术。
12.根据权利要求4或9所述的方法，其特征在于：
所述射线束包括所述激光束；所述探测图像中的散射射线强度的增量的设备包括一个或者多个所述摄像机和计算设备；所述微粒包括烟雾微粒。
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