CN108010254A - 一种基于四波段红外火焰探测器及其火焰识别算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四波段红外火焰探测器及其火焰识别算法，旨在提供一种具有提高了探测精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的，减少误报率的优点的一种基于四波段红外火焰探测器及其火焰识别算法，其技术方案要点是：包括相互电连接的火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块、微处理器模块、外部参数设置模块、4‑20mA电流环输出模块和继电器输出模块，提高了红外火焰探测器的精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的。

Description

一种基于四波段红外火焰探测器及其火焰识别算法

技术领域

本发明涉及火焰探测器领域，具体涉及一种基于四波段红外火焰探测器及其火焰识别算法。

背景技术

近些年来，石油、化工、燃气等行业的工业现场火灾事件频频发生，影响了工厂生产的正常运作，甚至威胁到国家和人民的生命和财产安全。随着消防工业的快速发展，以及一些特殊领域的消防意识的加强，火灾预警的问题引起了广泛的关注。

火灾是由物体在空气或氧气中发光、发热的一种燃烧现象，多指发出热、烟、火焰的燃烧现象，火灾初期开始火焰燃烧表现出特有的特征，即火焰中含有肉眼无法辨别的不同波长的紫外线和红外线，通过收集和分析这种紫外线、红外线，就能够及时发现火灾是否存在，加强人们生命、财产安全的保护。

目前市面上应用于工业行业的三波段红外火焰探测器，虽然已经开发了来希望降低火焰假报警的各种技术，有部分改进，但对于日光、水、工业设备、背景建筑和车辆之类的表面反射光来说，改进效果不明显，假报警率仍高于预期。

目前，公开号为CN106408843A的中国专利公开了一种具备自动校准功能的三波段红外火焰探测器，它包括电源单元，用于供电；

红外探测单元，设有三个红外管，用于分别将从工作环境中探测到的火焰、人工干扰源和背景辐射的红外光线转换为红外数字信号，并将红外数字信号发送到下一级；

与三个红外管分别配对的三个红外校准灯，用于红外校准和故障自检，每个红外校准灯的光线直接入射到与各自配对的红外管；

PIC微处理器，用于控制红外校准灯的点亮或熄灭，并对三路红外信号进行综合分析，通过火焰识别算法实现火焰信号的检测。

这种具备自动校准功能的三波段红外火焰探测器虽然在一定程度上缓解了现有技术不能有效区分干扰信号、适应能力弱的技术问题，但是由于对火焰探测器来说，火焰识别算法是它的“灵魂”，识别算法的优劣对其灵敏度、抗误报特性有着决定性作用。目前对于火焰探测的识别算法，主要有持续时间法、闪烁频率分析法、信号间的数学相关分析法、与储存的频带曲线对照分析法和基于神经网络和模糊逻辑的火焰识别算法等。

其中，前5种方法都是目前火焰探测器上较常用的方法，这些方法在火焰峰值辐射波段的信号强度衰减到和背景辐射波段信号强度相同甚至还要弱的情况下，降低漏报和误报率上的效果非常有限。基于神经网络和模糊逻辑的智能火焰识别算法，需要使用已知的训练样本和相应的输出模式对识别火焰的判别规则进行反复调整。

但影响火灾的因素众多且随机出现，实际应用中无法获得所有状态的样本且由于网络训练时初始权重和阈值是随机的，因此这种方法的漏报和误报率都较高，实用性也不强，配合三波段的红外火焰探测器使用，其探测灵敏度较低，误报率较高。

发明内容

本发明的一目的是提供一种基于四波段的红外火焰探测器，其具有提高了探测精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的，减少误报率的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于四波段的红外火焰探测器，包括相互电连接的火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块、微处理器模块、外部参数设置模块、4-20mA电流环输出模块和继电器输出模块，火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块均包含依次顺序连接的红外传感器、信号预处理电路、二级前置放大电路、二阶巴特沃斯带通滤波电路和采集信号模数转化电路，且火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的采集信号模数转换电路的输出端和微控制器模块相连。

通过采用上述技术方案，外部参数设置模块是指探测器灵敏度设置、报警和预报警延时参数设置；本发明是基于四波段红外设计，火焰探测器灵敏度设置是指四通道火焰探测器有5级报警灵敏度，对应5个报警响应阈值，它们分别与5个时间特征值相对应。

报警和预报警延时参数设置是指为了降低误报率，待检测到火焰报警后，在设定的延时时间里，再进行观察火焰信号是否一直存在，以确保报警或预报警的准确度。

4-20mA电流环输出模块是指探测器通过4-20mA电流环输出接口，将现场采集的实时信号变送输出给PLC、DCS等控制系统，以实现过程控制的目的。

由四个波段的红外探测器对火焰信息进行分析，能够提高红外火焰探测器的精准度和适应环境的能力，实现了对火灾的高可靠和远距离探测的目的。

进一步设置：第一参考红外传感器模块中红外感应器为2.2±0.18μm波长的红外热释电传感器。

进一步设置：第二参考红外传感器模块中红外感应器为3.9±0.18μm波长的红外热释电传感器。

进一步设置：第三参考红外传感器模块中红外感应器为4.8±0.2μm波长的红外热释电传感器。

通过采用上述技术方案，以2.2μm、3.9μm、4.26μm和4.8μm四个探测波段的红外探测器对火焰信息进行分析。对任意一个红外辐射源来说，其在这四个波段的光谱特性的数学关系是惟一的，通过分析比较这四个波段光谱特性的数学关系，进一步提高了红外火焰探测器的精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的。

进一步设置：微处理器模块的核心为微处理器STM32F427，用于完成火焰识别算法。

进一步设置：继电器输出模块包括故障继电器输出电路、预报警继电器输出电路和报警继电器输出电路。

通过采用上述技术方案，一旦检测到故障、火焰报警、预报警状态，相应的继电器就开始动作，能够保证火焰探测器运行的及时性，进一步提高火灾报警的警报速率。

本发明的另一目的是提供一种火焰识别算法，其具有提高了探测精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的，减少误报率的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种火焰识别算法，包括如下步骤

a.分别获取火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号，并计算四个传感器模块输出信号的平均功率和真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率；

其中，信号平均功率的表达式为：

(1)

四波段红外火焰探测器四路信号平均功率为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：k 表示采集信号的个数；x(i)为每次采集电压信号；为权重系数(0<<1)；分别代表火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号。

b．依据设定的火焰探测器灵敏度，将上述4.26μm波段的平均功率值与相应的报警阈值按下式进行比较；

（6）

式中：，分别表示五个时间特征值下对应的报警阈值，且。

c．依据火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块和第三参考红外传感器模块的输出信号的平均功率，以及真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率，判断是否满足火焰报警不等式，进而控制4-20mA输出和继电器模块输出。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明采用了2.2μm、3.9μm、4.26μm和4.8μm四个探测波段的红外探测器对火焰信息进行分析。通过分析比较这四个波段光谱特性的数学关系，采用数学相关分析法和信号平均功率法建立了四波段火焰识别算法，提高了红外火焰探测器的精准度和适应环境的能力，实现了对火灾高可靠和远距离探测的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是实施例1的整体结构示意图；

图2是实施例2的主流程序示意图；

图3是实施例2的火焰识别算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明所采用的技术方案是：

实施例1，一种基于四波段红外火焰探测器，如图1和图2所示，包括相互电连接的火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块、微处理器模块、外部参数设置模块、4-20mA电流环输出模块和继电器输出模块。

火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块均包含依次顺序连接的红外传感器、信号预处理电路、二级前置放大电路、二阶巴特沃斯带通滤波电路和采集信号模数转化电路，且火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的采集信号模数转换电路的输出端和微控制器模块相连。

第一参考红外传感器模块中红外感应器为2.2±0.18μm波长的红外热释电传感器；第二参考红外传感器模块中红外感应器为3.9±0.18μm波长的红外热释电传感器；第三参考红外传感器模块中红外感应器为4.8±0.2μm波长的红外热释电传感器。

微处理器模块是以微处理器STM32F427为核心构建的电路模块，该模块将完成火焰识别算法的实现，外部参数设置模块是指探测器灵敏度设置、报警和预报警延时参数设置。

火焰探测器灵敏度设置是指四通道火焰探测器有5级报警灵敏度，对应5个报警响应阈值，它们分别与5个时间特征值相对应。报警和预报警延时参数设置是指为了降低误报率，待检测到火焰报警后，在设定的延时时间里，再进行观察火焰信号是否一直存在，以确保报警或预报警的准确度。

4-20mA电流环输出模块是指探测器通过4-20mA电流环输出接口，将现场采集的实时信号变送输出给PLC、DCS等控制系统，以实现过程控制的目的。继电器输出模块包括故障继电器输出电路、预报警继电器输出电路和报警继电器输出电路。一旦检测到故障、火焰报警、预报警状态，相应的继电器就开始动作。

实施例2，一种火焰识别算法，如图2和图3所示，包括如下步骤

a.分别获取火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号，并计算四个传感器模块输出信号的平均功率和真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率；

其中，信号平均功率的表达式为：

(1)

为了调节平均功率的变化率，引入了权重系数(0<<1)。平均功率的表达式改变为：

(2)

四波段红外火焰探测器四路信号平均功率为：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：k 表示采集信号的个数；x(i)为每次采集电压信号；为权重系数(0<<1)；

上式中，分别代表火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号，0<<1，是权重系数，影响着平均功率积分计算值的大小，越接近1，平均功率表达式的积分过程越平滑也越。越趋近0，平均功率表达式的积分过程就越快，但误差也越大。

本发明的四波段红外火焰探测器设置有5级灵敏度，它们分别与5个时间特征值的k值相对应。为保证探测器抗误报特性和可靠性，时间特征值k 越小，对应报警阈值需越高。在同一标准火焰条件下，判断时间越短，响应速度越快，时间越长，抗干扰能力越强。

b．依据设定的火焰探测器灵敏度，将上述4.26μm波段的平均功率值与相应的报警阈值按下式进行比较；

（7）

式中：,,,,分别代表5 个时间特征值下的平均功率值，，分别表示五个时间特征值下对应的报警阈值，且。报警阈值是依据有火条件下采集火焰数据确定的，阈值要小于真实火焰条件的有效数据，同时满足抗误报要求。

c．依据火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块和第三参考红外传感器模块的输出信号的平均功率，以及真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率，判断是否满足火焰报警不等式，进而控制4-20mA输出和继电器模块输出。

根据四个监测波段信号特点，本发明假设四个传感器的监测的信号都包含真实火焰信号、日光干扰信号、人工热源干扰信号和背景辐射干扰信号，并且可以表示为四者的线性叠加，即：

(8)

(9)

(10)

(11)

其中表示真实火焰的红外辐射强度，表示日光干扰的红外辐射强度；表示人工热源干扰的红外辐射强度,表示背景干扰的红外辐射强度。系数a分别表示选取的四个波段对不同的红外辐射的加权因子，代表着真实火焰信号、日光干扰信号、人工热源干扰信号，背景干扰信号对每个通道传感器的影响。

先给出如下行列式：

,,,

, (12)

依据式（12），可以计算分离得到真实火焰信号强度、日光干扰信号强度、人工热源干扰信号强度、背景干扰信号强度：

,,, (13)

依据式（2）和式（13），可以计算出真实火焰信号、日光干扰信号、人工热源干扰信号，背景干扰信号的平均功率分别为：、、和。

引入六个平均功率阈值、、，、和，给出四波段火焰识别算法的判据为：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

通过前面四波段火焰识别算法设计的基本思路可知，算法具体实现前需要根据火焰探测的实际数据来对系数a以及、、，、、进行优化，以获得最近似的模型参数。

本发明根据经验数据给出各个加权因子的最佳近似数值：

a=e=i=0.3；b=f=j=0.66；c=g=k=1.1；d=h=l=0.9 (21)

、、，、和代表着系统对特征火焰红外信号的敏感程度，其值越大，则系统敏感度越低，准确性越高，反之敏感度越高，准确性越低。为了使系统获得较好的综合性能，根据经验数据，此处本发明设置：

(22)

根据平均功率的表达式(2)，可知权重系数决定了平均功率计算的积分速度和精确度，应使权重系数趋近于l，本发明设定。

以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：包括相互电连接的火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块、微处理器模块、外部参数设置模块、4-20mA电流环输出模块和继电器输出模块，所述火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块均包含依次顺序连接的红外传感器、信号预处理电路、二级前置放大电路、二阶巴特沃斯带通滤波电路和采集信号模数转化电路，且火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的采集信号模数转换电路的输出端和微控制器模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：所述第一参考红外传感器模块中红外感应器为2.2±0.18μm波长的红外热释电传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：所述第二参考红外传感器模块中红外感应器为3.9±0.18μm波长的红外热释电传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：所述第三参考红外传感器模块中红外感应器为4.8±0.2μm波长的红外热释电传感器。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：所述微处理器模块的核心为微处理器STM32F427，用于完成火焰识别算法。

6.根据权利要求5所述的一种基于四波段的红外火焰探测器，其特征在于：所述继电器输出模块包括故障继电器输出电路、预报警继电器输出电路和报警继电器输出电路。

7.一种火焰识别算法，其特征在于：包括如下步骤

分别获取火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号，并计算四个传感器模块输出信号的平均功率和真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率；

其中，信号平均功率的表达式为：

(1)

四波段红外火焰探测器四路信号平均功率为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：k 表示采集信号的个数；x(i)为每次采集电压信号；为权重系数(0<<1)；分别代表火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块、第三参考红外传感器模块的输出信号；

b．依据设定的火焰探测器灵敏度，将上述4.26μm波段的平均功率值与相应的报警阈值按下式进行比较；

（6）

式中：，分别表示五个时间特征值下对应的报警阈值，且；

c．依据火焰检测红外传感器模块、第一参考红外传感器模块、第二参考红外传感器模块和第三参考红外传感器模块的输出信号的平均功率，以及真实火焰、日光干扰、人工热源干扰、人工光源干扰的信号平均功率，判断是否满足火焰报警不等式，进而控制4-20mA输出和继电器模块输出。