CN107564234A - 一种均衡响应黑、白烟的火灾探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均衡响应黑、白烟的火灾探测方法及系统，包括：通过至少三个通道的散射光信号，至少三个通道对应两个入射光，两个入射光对应的散射光分别携带烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息；通过至少三个通道的散射光信号，反演出包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子；通过至少三个通道的散射光信号、包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子确定火灾烟雾的体积浓度和表面积浓度，并以此作为是否触发火灾报警系统的判别参数。本发明具有报警延时低、准确率高、结构简单、成本低廉等优点。

Description

一种均衡响应黑、白烟的火灾探测方法及系统

技术领域

本发明涉及消防报警技术领域，更具体地，涉及一种均衡响应黑、白烟的火灾探测方法及系统。

背景技术

光学感烟火灾探测器是一种通过光学方法响应燃烧或热解产生的固体或液体微粒的火灾探测器，其核心为其中的光学采样部分。光学感烟火灾探测器利用烟雾粒子对光线产生散射或吸收的原理制成，即通过接收装置接收烟雾粒子对光线发射装置发出光线的散射光强弱来判定烟雾浓度的大小，一旦浓度达到探测系统设置的阈值就触发报警系统，从而达到火灾报警的目的。由于它能探测物质燃烧初期所产生的气溶胶或烟雾粒子浓度，是一种能实现早期预警的火灾探测器而且价格低廉结构简单，因此被广泛地应用于家庭和工厂的火灾探测中，在保护人们生命财产安全免受火灾伤害的工作中发挥了巨大作用。

目前市面上有很多采用类似机制的火灾探测器。光学感烟火灾探测器关键需要准确地根据烟雾粒子对光线的散射光强反演出烟雾浓度，而后与触发报警的浓度门限做大小对比，以此来决定是否触发报警。但是，根据调查统计，在火灾发生初始阶段往往只有一种燃烧物，燃烧产生单一形式的低浓度烟雾。根据烟雾粒子对入射光的折射率差异，可以划分为黑烟和白烟两类。然而由于黑色的烟雾粒子对光线的吸收效应，同等浓度的黑烟粒子对入射光的散射光强远低于白烟粒子对入射光的散射光强，在通过散射光强反演黑烟烟雾浓度时就会有很大偏差。因此传统的火灾探测器对同等浓度黑、白烟的响应会有很大差异，其对黑烟的浓度响应远小于实际的烟雾浓度，如此就有可能造成探测器不能及时报警的情况。再者，可能由于火灾出烟量较少，探测器甚至无法起到报警的作用。这对于通过设置烟雾浓度阈值作为报警机制的火灾探测系统而言无疑是很大的技术漏洞，其将会给国家、社会和人民群众的生产生活带来巨大的损失。

现有的感烟探测器如申请号为CN201610477660.8的发明专利是一种采用红外发射装置以及红外接收装置的烟雾探测器，其根据红外接收装置接收到的红外光电信号的强弱程度来估测烟雾浓度。该装置虽结构简单，成本低廉，但是功能还不够完善。例如，当火灾烟雾为黑烟时，其需要累积更多的烟雾量才能达到触发报警阈值，也就是说需要更长的时间才能触发报警，甚至可能由于黑色的烟雾粒子对光线的吸收效应较强，使得无法触发报警系统，存在一定的探测盲区。

综上，现有光学感烟火灾探测器将散射光信号强度和浓度当作线性关系，未考虑相同浓度的黑、白烟会因为对入射光的折射率差异而产生不同强度的散射光的情况，因此，现有光学感烟火灾探测器无法根据黑烟和白烟烟雾粒子对入射光的折射率差异，准确及时通过散射光强反演出黑烟或白烟的烟雾浓度，无法对黑、白烟做出均衡响应，可能造成探测器不能及时报警，甚至造成漏报警的情况。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有光学感烟火灾探测器无法根据黑、白烟雾粒子对入射光的折射率差异，准确及时通过散射光强反演出黑烟或白烟的烟雾浓度，无法对黑、白烟做出均衡响应，可能造成探测器不能及时报警的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种均衡响应黑、白烟的火灾烟雾浓度确定方法，入射光经过烟雾粒子的散射后，发出的散射光携带烟雾粒子的浓度信息，包括：确定至少三个通道的散射光信号，所述至少三个通道对应两个入射光，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，所述观测角为入射光与散射光的空间夹角，所述两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息；通过至少三个通道的散射光信号，反演出所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子，所述体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子均包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息，所述烟雾粒子包括黑、白烟粒子，所述黑、白烟粒子的折射率不同，使得黑、白烟粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子不同；通过所述至少三个通道的散射光信号、所述体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度；根据所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度确定是否发生火灾，当确定发生火灾时，触发火灾报警。

其中，至少三个通道的散射光信号可通过双波长、至少两个观测角的组合得到。

本发明根据两种入射光经过至少三个通道经过烟雾粒子的散射后得到的至少三个散射光的信息反演得到烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度，不同于现有技术把散射光信号强度和浓度当作线性关系，即现有技术将烟雾粒子的折射率等参数当作固定不变的，因此无法对黑烟和白烟做出均衡的响应。

本发明通过引入烟雾粒子折射率的影响，反演出包含烟雾粒子折射率信息的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子，进而准确快速求出烟雾粒子的浓度。本发明通过多个通道的散射光信息可以准确反演出烟雾粒子的浓度转换因子，其中，反演得到的烟雾浓度转换因子准确携带烟雾粒子的折射率等信息，可以均衡响应不同折射率的黑、白烟粒子。相比现有技术，本发明得到的烟雾粒子的浓度的准确度大大提高，本发明可以准确计算出黑、白烟的烟雾浓度，具有良好的应用前景。

本发明通过至少三个通道的散射光信息确定包含烟雾粒子的折射率信息的浓度转换因子，求得烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度，可以消除黑烟折射率低的影响，能够对黑、白烟做出均衡响应，准确及时探测黑烟、白烟的烟雾浓度，一旦达到探测系统设置的浓度阈值即触发报警。

可选地，经过烟雾粒子散射后的散射光信号的强度与烟雾粒子折射率和粒径分布函数之间的理论关系式为：

P_理论＝ΩC_num∫f(x)q(x,m,λ,θ)dx

式中：P_理论表示散射光信号强度的理论值，Ω表示入射光的探测区域，C_num表示烟雾粒子数量浓度，C_num＝C_V/∫f(x)x³dx，C_v表示烟雾粒子的体积浓度，q(x,m,λ,θ)表示单一烟雾粒子对单色光的散射光强，λ表示入射光的波长，θ表示观测角，m表示烟雾粒子的折射率，x表示烟雾粒子粒径大小，f(x)表示烟雾粒子粒径分布函数，其由中值粒径μ和标准分布偏差σ确定。

可选地，通过以下公式确定所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子：

式中：T_v表示烟雾粒子的体积浓度转换因子，T_s表示烟雾粒子的表面积浓度转换因子。

可选地，从可能的烟雾参数取值中选取一组候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]，并结合每个通道的入射光波长λ和观测角θ，分别代入所述散射光信号的强度与烟雾粒子折射率的理论关系式，求得每个通道对应的散射光信号强度理论值，μ₁为候选烟雾参数中的中值粒径取值，σ₁为候选烟雾参数中的标准分布偏差取值，m₁为候选烟雾参数中的折射率值；

当所述至少三个通道的散射光信号的强度中每个通道的散射光信号的强度值与根据所述候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]求得的该通道的散射光信号强度理论值的偏差均小于预设偏差值时，所述候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]中的折射率值m₁即为反演得到的所述烟雾粒子的折射率，中值粒径值μ₁和标准分布偏差值σ₁即为反演得到的所述烟雾粒子粒径分布函数中的中值粒径取值和标准分布偏差取值。

将反演得到的所述烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]代入所述烟雾体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子计算公式，求得所述包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子。

可选地，对于反演所述烟雾参数时可能出现的多值问题，将反演得到的满足要求的多组烟雾参数分别代入所述烟雾体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子计算公式，将求得的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子的平均值作为所述包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子。

可选地，所述两个入射光的波长范围分别为：280nm-490nm和830nm-1050nm。

可选地，当入射光波长范围为830nm-1050nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的体积浓度C_v存在如下关系：C_V＝P/T_V；当入射光波长范围为280nm-490nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的表面积浓度C_s存在如下关系：C_S＝P/T_S。

可选地，当所述烟雾粒子的体积浓度超出第一阈值，和/或所述表面积浓度超出第二阈值时，确定发生火灾。

第二方面，本发明提供了一种实现上述目的的简单系统构型：一种均衡响应黑、白烟的火灾探测系统，包括：两个双波长发光二极管、至少一个光电二极管及处理模块；

所述两个双波长发光二极管位于空间中的不同位置，用于发射两种波长的入射光；

所述光电二极管与所述两个双波长发光二极管的空间夹角不同，所述至少一个光电二极管用于接收所述入射光经过烟雾粒子的散射后，发出的携带烟雾粒子的浓度信息的至少三个通道的散射光信号，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，所述观测角为入射光与散射光的空间夹角，所述两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息；

所述处理模块用于通过所述至少三个通道的散射光信号的强度，反演出所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子，所述体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子均包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息，所述烟雾粒子包括黑、白烟粒子，所述黑、白烟粒子的折射率不同，使得黑、白烟粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子不同；通过所述至少三个通道的散射光信号、所述体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度；根据所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度确定是否发生火灾，当确定发生火灾时，触发火灾报警。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过设置双波长、至少两个观测角的组合即至少三个通道来接收火灾烟雾的散射光信号，消除黑烟折射率低的影响，能够对黑、白烟做出均衡响应，准确及时探测黑烟、白烟的烟雾浓度，一旦达到探测装置设置阈值即触发报警，避免了不能及时报警的情况。同时，本发明具有报警延时低、准确率高、结构简单、成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明提供的烟雾浓度确定方法流程示意图；

图2为本发明提供的烟雾浓度和火灾探测系统结构示意图；

图3为本发明提供的LED发射的入射光与PD接收的散射光的空间角关系示意图；

图4为本发明提供的黑、白烟的散射信号强度对比示意图；

图5为本发明提供的火灾探测系统结构示意图；

图6a为本发明提供的1通道时探测器反演表面积浓度转换因子效果对比图；

图6b为本发明提供的2通道时探测器反演表面积浓度转换因子效果对比图；

图6c为本发明提供的3通道时探测器反演表面积浓度转换因子效果对比图；

图6d为本发明提供的4通道时探测器反演表面积浓度转换因子效果对比图；

图6e为本发明提供的5通道时探测器反演表面积浓度转换因子效果对比图；

图7为本发明提供的探测器对黑、白烟的浓度反演效果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，本发明实施例中提及的探测器即为本发明提供的均衡响应黑、白烟的火灾探测方法对应的装置。以下不再做特别说明。

图1为本发明提供的烟雾浓度确定方法流程示意图，如图1所示，包括步骤S101-步骤S104。

S101，确定至少三个通道的散射光信号，所述至少三个通道对应两个入射光，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，所述观测角为入射光与散射光的空间夹角，所述两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息。

火灾烟雾浓度可以通过体积浓度C_V和表面积浓度C_S这两个参数来表征。根据散射光信号随粒径尺寸和入射光波长之间相对关系改变而变化的规律，当入射光波长和烟雾粒子尺寸接近时，从散射光信号中可反演出烟雾体积浓度，而当入射光波长远小于烟雾粒子尺寸时，从散射光信号中可反演出烟雾表面积浓度。而通常，物质燃烧产生的火灾烟雾粒子尺寸小于1um，而水蒸汽、灰尘等非火灾烟雾粒子尺寸大于1um。

因此，综合发光器件的可得性和成本等因素的限制，本发明可分别选用波长在280nm-490nm范围内作为测量烟雾表面积浓度的入射光光源，以及波长在830nm-1050nm范围内作为测量烟雾体积浓度的入射光光源。另外，本发明可选用观测角的范围为40°—140°。

进一步地，例如可选择分别发射出λ₁＝950nm的红外光和λ₂＝450nm的蓝光的双波长发光LED(Light-Emitting Diode，LED)，作为入射光光源，这种LED不仅有良好的发光效率，有益于提高信噪比，而且用同一个光电二极管(photo diode，PD)就能接收这两种波长的散射光信号，降低了火灾探测器件的结构复杂度。再结合仿真实验，综合考虑其他条件，探测系统接收光散射信号角度可以定为后向45°和前向140°(空间角为45°和140°)。具体结构如图2所示。具体地，LED发射的入射光与PD接收的散射光的空间角关系参照图3所示。

如图2或图3所示，则至少三个通道可以从140°-950nm、45°-950nm、140°-450nm以及45°-450nm四个通道中来选择。即PD可共接收4个通道的散射光信号，可仅选取其中3个通道的信号强度做为浓度演算的参考数据。另外，根据实际需要，还可通过在其他位置增加LED，以获取更多通道的散射光信号，提升浓度计算的准确率。本发明不再对此做任何限定。

需要说明的是，光学感烟探测器的基本原理即把火灾烟雾散射光信号的强弱作为烟雾浓度高低的判定标准。通过仿真实验结果，如图4所示，可以清楚地看到黑烟的散射信号强度比白烟的散射信号强度低得多，因此也导致烟雾探测器只能对高浓度黑烟作出响应，可能造成报警延时甚至漏报警。

因此，能及时、准确地对火灾进行报警关键在于能根据接收到的散射光信号正确地反演出火灾烟雾浓度，不管黑烟还是白烟，并以此作为是否触发报警的判定参数。烟雾浓度的两个表征参数体积浓度C_V和表面积浓度C_S可通过下式计算：

C_V＝P/T_V,C_S＝P/T_S (1)

式中：P表示探测器接收到的散射光强信号，C_V表示体积浓度，C_S表示表面积浓度，T_V表示体积浓度和散射光强之间的转换因子，T_S表示表面积浓度和散射光强之间的转换因子。

在反演烟雾表面积浓度和体积浓度的过程中，最重要的就是根据接收到的散射信号特征反演选取对应合适准确的浓度转换因子，从而准确计算得出火灾烟雾的浓度值。

S102，通过所述至少三个通道的散射光信号的强度，反演出所述包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的浓度转换因子。

其中，所述体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子均包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息，所述烟雾粒子包括黑、白烟粒子，所述黑、白烟粒子的折射率不同，使得黑、白烟粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子不同。

本发明提供的至少三个通道的烟雾浓度探测方法之所以能对黑、白烟的浓度做出准确反演，本质上来讲是通过找出黑、白烟或者不同特征的黑烟之间和白烟之间在至少三个通道的光散射信号差异，有差异就能区分出黑、白烟，然后就可以根据对应的携带烟雾粒子实际折射率信息的浓度转换因子来反演出烟雾浓度。

具体可通过以下公式反演确定最终的浓度转换因子：

式中：minΔP_N表示第N个测量通道的最小散射信号偏差，P_测试表示探测器接收的第N个测量通道的散射光信号强度，P_测试也可简化为P，P_理论表示根据烟雾参数[μ,σ,m]计算的第N个测量通道的散射光信号强度，Δ_tN表示散射光信号容差阈值，其中，Δ_tN即为预设偏差值，由测量系统误差决定，N表示通道数。

其中，任何一种烟雾可以通过烟雾参数：中值粒径μ、标准分布偏差σ以及折射率m来确定。而对于每种可能出现的烟雾，其对应的浓度转换因子可通过中值粒径μ，标准分布偏差σ和折射率m由公式(4)计算得到，由此得到浓度转换因子数据库。

P_理论＝ΩC_num∫f(x)q(x,m,λ,θ)dx (3)

C_num＝C_V/∫f(x)x³dx (5)

式中：P_理论表示散射光信号强度的理论值，Ω表示光学系统(即入射光)探测区域，C_num表示烟雾数量浓度，x表示粒径大小(积分范围为100nm-2500nm)，λ,θ分别表示入射波长和观测角，m表示烟雾折射率，q(x,m,λ,θ)表示单一粒子的散射光强，f(x)表示粒径分布正态函数，其由中值粒径μ和标准分布偏差σ确定。

探测器在各个通道的理论散射信号P_理论可通过公式(3)得到，根据不同的烟雾参数[μ,σ,m]就会计算得到不同的P_理论。

对于通道1：当出现某种散射信号P_测试时，将其和浓度转换因子数据库中的所有体积浓度转换因子代入公式(1)，得到所有可能的体积浓度C_V。再将计算得到的体积浓度分别代入公式(5)，计算得到所有可能的烟雾数量浓度，而后将其代入公式(3)，计算得到所有可能的P_理论。将所有的P_理论和测试得到的P_测试代入公式(2)，找到满足公式(2)要求的P_理论，从而可以知道出现该散射信号时对应的烟雾信息，继而从浓度转换因子数据库中得到对应的浓度转换因子。但很显然，只有一个通道时，对于一个P_测试，满足公式(2)要求的可能不只一个P_理论，也即是说一个通道无法对烟雾进行分类，因此可以继续增加通道数，以得到最精确的烟雾参数值。

对于通道2：和通道1中所述同理，对于通道1中无法分类的烟雾再次进行划分。加入通道3和通道4也是如此，加入的通道越多，识别分类也就越准确，但同时结构复杂度和成本也随之增加。综合考虑成本和性能要求，该发明方法提出采用至少3个通道。

经过测试，3通道的散射信息已经能够对烟雾进行很好的识别分类(详细可参见下述图6a—6e分析)。为了提升本发明检测的烟雾浓度的准确度，对于仍不能有效识别分类的烟雾，可以取一个折中，将其对应的浓度转换因子的平均值作为最终选定的浓度转换因子。

S103，通过所述至少三个通道的散射光信号的强度、包含烟雾粒子折射率和粒径分布函数信息的浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度。

当入射光波长范围为830nm-1050nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的体积浓度C_v存在如下关系：C_V＝P/T_V；当入射光波长范围为280nm-490nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的表面积浓度C_s存在如下关系：C_S＝P/T_S。

因此，本发明通过两种入射波长，可以分别求得烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度，作为火灾判断的两个参考指标。具体地，若一种入射波长(如830nm-1050nm)对应多个观测角的散射光信号，则可能会求出多个浓度值(如体积浓度)，则可根据实际需要取多个浓度值的最大值、最小值或均值等，作为该浓度参数的最终参考结果。本发明不再对此做任何限定。

相应地，图5为本发明实施例提供的火灾探测器基本结构示意图，如图5所示，包括：两个双波长LED、至少一个PD以及处理模块。其中，LED与PD之间通过光路连接，PD与处理模块通过电路连接。

两个双波长LED位于空间中的不同位置(位置1、位置2)，用于发射两种波长的入射光(λ₁，λ₂)。

需要说明的是，本发明用于提供两种入射光光源的器件可不限于双波长LED，例如通过两种不同波长的单波长LED也可以实现，由于使用双波长LED可以大大简化系统的结构、位置关系，使得系统可以简单布置，更具有实用性。

PD与两个双波长LED的空间夹角不同，至少一个PD用于接收入射光经过烟雾粒子的散射后，发出的携带烟雾粒子的浓度信息的至少三个通道的散射光信号，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，观测角为入射光与散射光的空间夹角，两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息。

处理模块用于通过至少三个通道的散射光信号的强度，反演出包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子；通过所述至少三个通道的散射光信号的强度、所述体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度；

S104，根据所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度确定是否发生火灾，当所述火灾烟雾的体积浓度超出第一阈值，和/或所述表面积浓度超出第二阈值时，确定发生火灾。当确定发生火灾时，触发火灾报警。

本发明提供的系统的各模块的工作原理可参照前述图1-图4所示的实施例，在此不做赘述。

根据调查统计，在火灾发生初始阶段往往只有一种燃烧物，燃烧产生单一形式的低浓度烟雾。随着空气的流动温度较高的火灾烟雾扩散到烟雾探测器的光室中，光室中设有光线发射装置即两只双波长发光二极管和烟雾散射光信号接收装置即一只光电二极管，如图5所示。火灾烟雾进入到光室后，由于受到烟雾的散射，二极管发出的光线被烟雾粒子散射到四周，从而被光电二极管接收采集。

在一个具体的示例中，以4个通道为例，上述系统的工作流程为：

第一步：烟雾进入火灾光学探测系统中，探测系统得到四个通道上的光散射信号P＝{P₁,P₂,P₃,P₄}。P₁-P₄分别为四个通道的散射光信号强度值。

第二步：根据公式N＝1,2，3,4对该烟雾进行识别分类，确定得到该烟雾的参数[μ,σ,m]。

第三步：根据确定得到的烟雾参数[μ,σ,m]，从浓度转换因子数据库中选取对应的浓度转换因子。

第四步：将4通道散射信号和对应的浓度转换因子代入公式(1)，即可计算得到烟雾浓度。

第五步：将反演得到的浓度值与系统设置阈值作比较，判断是否需要触发报警。

另外，为了分析探测器通道数对测量精度带来的影响，如图6a-图6e以表面积浓度转换因子为例，对比分析通道数为1-5时，探测器确定的表面积浓度转换因子与烟雾的实际表面积浓度转换因子之间的关系。

如图6a-图6e所示。图中的点代表了不同粒径分布、不同折射率的444种火灾烟雾，其中“O”代表白烟，“X”代表黑烟。为方便理解，以T_Sd表示探测器每种通道下采用的表面积浓度转换因子，T_S表示烟雾的实际表面积浓度转换因子。

图6a中探测器的测量通道数K＝1(K表示通道总数)，测量通道为：[450nm-65°]，类似于普通的火灾探测器。这种探测器不具有区分黑、白烟火灾烟雾的能力，探测器对任一烟雾采用的表面积浓度转换因子T_Sd均为所有火灾烟雾转换因子的均值，是一个常数，图中将其归一化为1。然而，烟雾的实际表面积浓度转换因子T_S则随着烟雾折射率和粒径分布改变，因此在图6a中形成一条“直线”。

图6b中探测器的测量通道数K＝2，测量通道为：[450nm-115°；950nm-140°]，测量精度得到了有效的改善。从图6b中可以看出，探测器采用的表面积浓度转换因子T_Sd不再是一个常数，探测器能够根据烟雾种类粗略地调节T_Sd，图中将其范围归一化为0至1。从图6b中也可以发现T_Sd随T_S的变化趋势大致可以分为2类，分别对应了白烟和黑烟。这说明探测器通过双通道已经能够根据折射率和粒径分布粗略地调节烟雾的浓度转换因子，但由于缺乏更多的约束条件，还未能完全区分黑、白烟雾的折射率。

图6c中探测器的测量通道数K＝3，测量通道为：[450nm-40°；450nm-75°；950nm-85°]。从图6c中可以看出，探测器采用的表面积浓度转换因子T_Sd与烟雾本身的表面积浓度转换因子T_S之间具有较好的线性关系，但仍有少数离散点。这说明3个测量通道的探测器根据烟雾的粒径分布和折射率变化，相应地修正了T_Sd以减小表面积浓度的测量误差。

图6d中探测器的测量通道数K＝4，测量通道为：[450nm-45°；450nm-140°；950nm-40°；950nm-140°]。4测量通道探测器的T_Sd与T_S的线性度进一步提高，所有的点都集中在T_Sd＝T_S附近。更少的离散点意味着探测器对烟雾的识别能力进一步提高，表面积测量误差更低。

图6e中探测器的测量通道数K＝5，测量通道为：[450nm-40°；450nm-60°；450nm-140°；950nm-40°；950nm-140°]。图6e中显示了探测器测量通道数K＝5时，T_Sd与T_S的关系。对比图6d和图6e可知，5测量通道的探测器与4测量通道的探测器采用的浓度转换因子T_Sd与T_S的关系基本一致，可见5测量通道的光学结构对探测器的测量精度已经没有太多的提升空间，但光学系统却更加复杂。

综合图6a-图6e的仿真结果来看，3-4个测量通道的探测器测量白烟和黑烟的表面积浓度最为合适。

为了验证该发明所述方法是否有效和准确，我们又开展了若干实验。将探测器对黑、白烟的浓度测量得到的数据和实际浓度数据进行对比，结果如图7所示。从图7中可以看出探测器对黑、白烟的体积浓度和表面积浓度的测量准确度较为可观，最大误差出现在对黑烟的体积浓度测量时，但误差也仅为13.01％，充分说明了本发明提供的火灾探测方法的可行性。

因此，本发明通过设置双波长、至少两个观测角的组合即至少三个通道来接收火灾烟雾的散射光信号，消除黑烟折射率低的影响，能够对黑、白烟做出均衡响应，准确及时探测黑烟、白烟的烟雾浓度，一旦达到探测装置设置阈值即触发报警，避免了不能及时报警的情况。同时，本发明具有报警延时低、准确率高、结构简单、成本低廉等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种均衡响应黑、白烟的火灾探测方法，入射光经过烟雾粒子的散射后，发出的散射光携带烟雾粒子的浓度信息，其特征在于，包括：

确定至少三个通道的散射光信号，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，所述观测角为入射光与散射光的空间夹角，所述两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息；

通过所述至少三个通道的散射光信号，反演出所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子，所述体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子均包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息，所述烟雾粒子包括黑、白烟粒子，所述黑、白烟粒子的折射率不同，使得黑、白烟粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子不同；

通过所述至少三个通道的散射光信号、所述体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度；

根据所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度确定是否发生火灾，当确定发生火灾时，触发火灾报警。

2.如权利要求1所述的火灾探测方法，其特征在于，经过烟雾粒子散射后的散射光信号的强度与烟雾粒子折射率和粒径分布函数之间的理论关系式为：

P_理论＝ΩC_num∫f(x)q(x,m,λ,θ)dx

式中：P_理论表示散射光信号强度的理论值，Ω表示入射光的探测区域，C_num表示烟雾粒子数量浓度，C_num＝C_V/∫f(x)x³dx，C_v表示烟雾粒子的体积浓度，q(x,m,λ,θ)表示单一烟雾粒子对单色光的散射光强，λ表示入射光的波长，θ表示观测角，m表示烟雾粒子的折射率，x表示烟雾粒子粒径大小，f(x)表示烟雾粒子粒径分布函数，其由中值粒径μ和标准分布偏差σ确定。

3.根据权利要求2所述的火灾探测方法，其特征在于，通过以下公式确定所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>V</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Omega;</mi> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>6</mn> </mfrac> <msup> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </msup> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Omega;</mi> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>&amp;pi;x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中：T_v表示烟雾粒子的体积浓度转换因子，T_s表示烟雾粒子的表面积浓度转换因子。

4.如权利要求3所述的火灾探测方法，其特征在于，通过所述至少三个通道的散射光信号，反演出所述烟雾粒子的体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子，包括：

从所有候选烟雾参数取值中选取一组候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]，并结合每个通道的入射光波长λ和观测角θ，分别代入所述散射光信号的强度与烟雾粒子折射率的理论关系式，求得每个通道对应的散射光信号强度理论值，μ₁为候选烟雾参数中的中值粒径取值，σ₁为候选烟雾参数中的标准分布偏差取值，m₁为候选烟雾参数中的折射率值；

当所述至少三个通道的散射光信号的强度中每个通道的散射光信号的强度值与根据所述候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]求得的该通道的散射光信号强度理论值的偏差均小于预设偏差值时，所述候选烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]中的折射率值m₁即为反演得到的所述烟雾粒子的折射率，中值粒径值μ₁和标准分布偏差值σ₁即为反演得到的所述烟雾粒子粒径分布函数中的中值粒径取值和标准分布偏差取值；

将反演得到的所述烟雾参数[μ₁,σ₁,m₁]代入所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子计算公式，求得所述烟雾粒子的体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子。

5.如权利要求4所述的火灾探测方法，其特征在于，当所有候选烟雾参数取值中存在多组候选烟雾参数满足：所述至少三个通道的散射光信号的强度中每个通道的散射光信号的强度值与根据每组候选烟雾参数求得的该通道的散射光信号强度理论值的偏差均小于预设偏差值时，根据多组候选烟雾参数求得多组体积浓度转换因子和多组表面积浓度转换因子，并将多组体积浓度转换因子的平均值和多组表面积浓度转换因子的平均值分别作为所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子。

6.如权利要求1至5任一项所述的火灾探测方法，其特征在于，所述两个入射光的波长范围分别为：280nm-490nm和830nm-1050nm。

7.如权利要求1至5任一项所述的火灾探测方法，其特征在于，当入射光波长范围为830nm-1050nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的体积浓度C_v存在如下关系：C_V＝P/T_V；

当入射光波长范围为280nm-490nm时，其实际测得的散射光信号强度P与烟雾粒子的表面积浓度C_s存在如下关系：C_S＝P/T_S。

8.根据权利要求1所述的火灾探测方法，其特征在于，当所述火灾烟雾的体积浓度超出第一阈值，和/或所述表面积浓度超出第二阈值时，确定发生火灾。

9.一种均衡响应黑、白烟的火灾探测系统，其特征在于，包括：两个双波长发光二极管、至少一个光电二极管及处理模块；

所述两个双波长发光二极管位于空间中的不同位置，用于发射两种波长的入射光；

所述光电二极管与所述两个双波长发光二极管的空间夹角不同，所述至少一个光电二极管用于接收所述入射光经过烟雾粒子的散射后，发出的携带烟雾粒子的浓度信息的至少三个通道的散射光信号，不同通道对应的入射光波长和/或观测角不同，所述观测角为入射光与散射光的空间夹角，所述两个入射光的波长与所述烟雾粒子尺寸的大小关系不同，使得所述两个入射光对应的散射光分别携带所述烟雾粒子的体积浓度信息和表面积浓度信息；

所述处理模块用于通过所述至少三个通道的散射光信号的强度，反演出所述烟雾粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子，所述体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子均包含烟雾粒子的折射率和粒径分布函数信息，所述烟雾粒子包括黑、白烟粒子，所述黑、白烟粒子的折射率不同，使得黑、白烟粒子的体积浓度转换因子和表面积浓度转换因子不同；通过所述至少三个通道的散射光信号、所述体积浓度转换因子以及表面积浓度转换因子确定所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度；根据所述烟雾粒子的体积浓度和表面积浓度确定是否发生火灾，当确定发生火灾时，触发火灾报警。