CN110634260A - 烟火检测设备、无人机系统以及烟火检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟火检测设备、无人机系统以及烟火检测方法，其包括：成像设备；多光谱滤片装置，其设置于所述成像设备前端，以供N个波长范围的光线通过；以及图像比对装置，其连接所述成像设备，且存储有若干种图像模板；场景内发出的光线通过所述多光谱滤片装置后进入成像设备内成像，以在所述成像设备中获得N个场景图像；所述图像比对装置获取所述场景图像，且将场景图像与图像模板进行对比，以此确定所述场景图像是否为烟火图像。本发明采用多光谱滤片技术，可精确检测出有毒有害气体的成分，还可以避免水蒸气、雾霾的影响，减少误报和漏报，同时能对火点精准定位，提高出警效率。

Description

烟火检测设备、无人机系统以及烟火检测方法

技术领域

本发明涉及消防领域，具体为一种烟火检测设备、无人机系统以及烟火检测方法。

背景技术

目前城市消防和森林防火主要使用可见光进行烟雾识别，同时通过非制冷红外热像仪进行火点探测。

但由于受到复杂城市环境及多变的森林天气影响，普通的可见光很容易将水雾判断为烟火，同时，现有的烟火检测设备由于受到安装位置的影响，易受障碍物遮挡，使得红外热像仪难以直接探测到火点，从而降低了火灾探测的准确率，并且现有的烟火检测设备不具备火点精准定位功能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种烟火检测设备、无人机系统以及烟火检测方法，其采用多光谱滤片技术，可精确检测出有毒有害气体的成分，还可以避免水蒸气、雾霾的影响，减少误报和漏报，同时能对火点精准定位，提高出警效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，提供了一种烟火检测设备，其包括：成像设备；多光谱滤片装置，其设置于所述成像设备前端，以供N个波长范围的光线通过，N为≥2的正整数；以及图像比对装置，其连接所述成像设备，且存储有若干种图像模板；

场景内发出的光线通过所述多光谱滤片装置后进入成像设备内成像，以在所述成像设备中获得N个场景图像；所述图像比对装置获取所述场景图像，且将场景图像与图像模板进行对比，以此确定所述场景图像是否为烟火图像。

优选的，所述成像设备为制冷型红外热成像仪。

优选的，所述多光谱滤片装置包括：转盘；N个滤光片，其安装在所述转盘上；电机，其连接所述转盘，且用于驱动所述转盘按照预设角度转动。

优选的，所述N个滤光片包括供3.7μm～4.8μm波长范围光线通过的第一滤波片、供3.7μm～4.2μm波长范围光线通过的第二滤波片以及供4.2μm～4.8μm波长范围光线通过的第三滤波片；且所述转盘按照预设角度转动后，场景内发出的光线通过第一滤波片/第二滤波片/第三滤波片后进入成像设备内成像。

优选的，所述烟火检测设备还包括：火点定位装置，其用于在确定所述场景图像为烟火图像后，获取烟火发生地点的位置信息。

优选的，所述烟火检测设备还包括：报警装置，其连接所述图像比对装置，用于在确定所述场景图像为烟火图像后产生报警信号。

优选的，所述烟火检测设备还包括：云台，其连接所述火点定位装置，用于调整所述火点定位装置的水平和/或俯仰角度。

另一方面，还提供一种用于烟火检测的无人机系统，其包括机体和上述烟火检测设备，且所述云台连接所述机体。

另一方面，还提供一种烟火检测方法，其包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置上述烟火检测设备，以获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、判定场景内有烟火产生后通过云台调整火点定位装置的位置，并通过火点定位装置获取烟火发生地点的位置信息。

另一方面，还提供一种烟火检测方法，其包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置若干个上述的烟火检测设备，以获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、当某一烟火检测设备判定场景内有烟火产生后，上报包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；

S3、根据所述火情信息调动剩余烟火检测设备对烟火发生地点大致方位进行检测，使得剩余烟火检测设备同样产生包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；

以及S4、结合若干个包含有烟火发生地点大致方位的火情信息确定烟火发生地点的位置信息。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明通过采用多光谱滤片技术，不仅可以检测出有毒有害气体的成分，还可以避免水蒸气、雾霾的影响，减少误报和漏报，多光谱滤片设计在探测器和红外镜头之间，可有效减少设备的体积重量，火点定位功能，能对火点精准定位，加快出警效率。

附图说明

图1是本发明实施例一中烟火检测设备的结构示意图；

图2是本发明实施例一中多光谱滤片装置的结构图；

图3是本发明实施例一中电机驱动转盘转动结构连接示意图；

图4是本发明实施例一中多种物质燃烧时的燃烧成分表；

图5是CO和CO₂的吸收波长表；

图6是本发明实施例一中采用第二滤光片和第三滤光片时的成像效果图；

图7是本发明实施例二中烟火检测设备的结构示意图。

图8a是本发明实施例二中火点定位装置获取烟火产生地点位置信息的示意图；

图8b是本发明实施例二中烟火发生地点P的坐标计算示意图；

图9是本发明实施例四中火点定位装置获取烟火产生地点位置信息的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例中的烟火检测设备包括：成像设备1；多光谱滤片装置2，其设置于所述成像设备的镜头前端，以供N个波长范围的光线通过，N为≥2的正整数；以及图像比对装置3，其连接所述成像设备1，且存储有若干种图像模板；以及报警装置4，其连接所述图像比对装置3，用于在确定所述场景图像为烟火图像后产生报警信号；

场景(例如森林、城市办公楼等火灾高发区域等)内发出的光线通过所述多光谱滤片装置2后进入成像设备1内成像，以在所述成像设备1中获得N个场景图像；所述图像比对装置3获取所述场景图像，且将每一场景图像与图像模板进行对比，以此确定所述场景图像是否为烟火图像；若确定为烟火图像，则可判定场景内有烟火产生。

本实施例中，所述成像设备1为制冷型红外热成像仪，由此，相对常用的非制冷型红外热成像仪而言，制冷型红外热成像仪工作时可通过制冷机来降低自身的温度，使得检测时灵敏度更高，精度更高，误差更小，检测温度范围更广，检测结果也更为可靠，进一步的，检测的高灵敏度和高精度能极大提高火灾探测的准确率和速度，这对于分秒必争的火灾活在消防工作显得尤为重要。

进一步的，如图2所示，所述多光谱滤片装置2包括：转盘21；N个滤光片22，其周向均匀间隔安装在所述转盘21上；电机23(优选为伺服驱动电机)，其连接所述转盘21，且用于驱动所述转盘21按照预设角度转动(如按照图2中箭头所示逆时针转动)；其中，所述N个滤光片22包括供3.7μm～4.8μm波长范围光线通过的第一滤波片、供3.7μm～4.2μm波长范围光线通过的第二滤波片以及供4.2μm～4.8μm波长范围光线通过的第三滤波片；且所述转盘21按照预设角度转动后，场景内发出的光线必须先通过第一滤波片/第二滤波片/第三滤波片，然后再通过成像设备1的镜头进入成像设备1内成像。

以下列举一伺服驱动电机23驱动转盘21转动的实施例。如图3所示，转盘21通过电位器齿轮24连接旋转电位器25，事先标定好第一～第三滤波片的位置。电机驱动板控制板26的通信接口28接收外部指令，电机驱动板控制板26的电机驱动电路29使用PID控制算法控制电机23通过电机齿轮27带动转盘21转动到事先标定好的位置，AD采样组件30，其电连接所述旋转电位器25，以读取旋转电位器25的状态，确定旋转角度，以此判断当前所用滤波片。

本实施例中烟火检测设备的工作原理如下：

火灾烟雾是火灾中产生的气体和悬浮物的总称，在火灾中参与燃烧的物质是比较复杂的，但总体来说烟雾其主要成分是碳(C)、氢(H)、硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)，燃烧后产生的物质主要有二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO₂)、一氧化氮(NO)、氧化磷(P₂O₅)水蒸气(H₂O)。图4即示出了几种常见物质燃烧后产生的有毒气体种类。如图4可以看出，CO₂与CO是火灾现场燃烧后常见气体成分，因此，通过检测燃烧物是否含有CO₂与CO即可判断是否为真实火灾，以此提高火灾报警准确率。

而不同的气体成分在不同的波段吸收特性不一样，如图5所示，CO₂中心吸收波长为4.3μm，CO中心吸收波长为4.6μm/4.7μm。本实施例中的滤光片22包括供3.7μm～4.8μm波长范围光线通过的第一滤波片、供3.7μm～4.2μm波长范围光线通过的第二滤波片以及供4.2μm～4.8μm波长范围光线通过的第三滤波片，当所述转盘21转动时，某一波长范围的光线首先通过某一滤波片，然后再进入成像设备1成像，由此使用不同滤波片对同一场景进行不间断的成像，滤除无效杂波，获取N个不同滤波片下的场景图像，再结合图像比对装置4的智能算法，将每一场景图像与存储的图像模板进行对比，即可高效检测火灾现场燃烧产生的有毒有害气体成分，有效排除水汽、雾霾的影响，并以此确定是否有烟火产生，提高检测精度。

3.7μm～4.8μm为中波红外波长，用于滤除其他波段干扰，确保成像效果；4.2μm～4.8μm为高通滤波，其包含了CO与CO₂吸收波段，3.7μm～4.2μm为低通滤波，通过低通与高通波段的成像效果，可以确定烟中是否含有大量CO与CO₂如果为火灾产生的烟，成像会有明显区别，如图6中的A所示为低通滤波下的成像图片，B所示为高通滤波下的成像图片，因高通滤波包含了CO与CO₂吸收波段(4.6μm/4.7μm、4.3μm)，因此，相对于A而言，其可以明显看出因火灾而产生的包含有CO与CO₂烟火图像F。同时，本实施例中由于采用了第二、第三滤波片，因此无需使用工艺复杂、成本很高的4.2～4.4um、4.6～4.8um的带通滤波片，可在保证检测效果的基础上进一步节省成本。

实施例二：

本实施例仍然为一种烟火检测设备，其与实施例一的不同之处仅在于，如图7所示，所述烟火检测设备还包括：火点定位装置5(本实施例优选为激光测距仪)，其用于在确定所述场景图像为烟火图像后，获取烟火发生地点P的位置信息；云台6，其连接所述火点定位装置5，用于调整所述火点定位装置5的水平和/或俯仰角度。

具体的，如图8a-8b所示，所述火点定位装置5的GPS信息、垂直距离H安装后即可确定，俯仰角度θ与水平角度α可直接由云台参数读出；当确定所述场景图像为烟火图像后，控制云台6动作，调节所述火点定位装置5火点定位装置5的水平角度α和/或俯仰角度θ，再通过激光测距等方式获取火点定位装置5与烟火发生地点P之间的距离S，再结合已知的垂直距离H、角度θ即可换算出火点定位装置5与烟火发生地点P之间的距离L，再通过距离L与水平角度α，以及云台GPS位置可以计算出火点GPS位置，如，安装完火点定位装置5后即获得其坐标为(x，y)，则烟火发生地点P坐标为(x+L*sinα，y+L*cosα)，以此实现对火点的快速、精确定位，火点定位装置5附近的消防作业单位即可根据烟火发生地点P位置快速确定行进路线、估算达到时间等，提高出警效率。

实施例三：

本实施例提供了一种用于烟火检测的无人机系统，其包括机体以及实施例一或二所述的烟火检测设备，且所述云台6连接所述机体。

实施例四：

本实施例还提供了一种通过实施例一或二所述的烟火检测设备实现的烟火检测方法，其包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置实施例一或二所述的烟火检测设备，以获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、判定场景内有烟火产生后将火情上报至消防单位，待确认确实有火情发生后，通过自动或手动控制云台动作，以此调整火点定位装置的位置，并通过火点定位装置获取烟火发生地点的位置信息，获取烟火发生地点的位置信息与实施例二相同，在此不再赘述。

实施例五：

本实施例仍然提供一种通过实施例一或二所述的烟火检测设备实现的烟火检测方法，其包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置若干个实施例一或二所述的烟火检测设备，以组成烟火检测网络，并且规定每个烟火检测设备的云台0°位置为正北方向(其中，0°位置为云台常规参数，该参数可在安装后修改，如可在安装后修改为正北为0°度即可)；通过烟火检测设备获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、当某一烟火检测设备判定场景内有烟火产生后，向消防单位上报包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；

S3、消防单位根据所述火情信息调动剩余烟火检测设备(优选调动上述烟火发生地点大致方位附近的剩余烟火检测设备)对烟火发生地点大致方位进行扇扫搜索检测，使得剩余烟火检测设备在判定场景内有烟火产生后同样产生包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；本步骤中，剩余烟火检测设备对烟火发生地点大致方位进行扇扫搜索检测的方案可通过多种方式实现，例如将成像设备、多光谱滤片装置以及图像比对装置整体安装到一转动结构上，使其水平转动即可实现扇扫搜索；

以及S4、结合若干个包含有烟火发生地点大致方位的火情信息精确确定烟火发生地点的位置信息。

如图9所示，本实施例中通过若干个包含有烟火发生地点大致方位的火情信息确定烟火发生地点P的位置信息的过程如下：观测点A处烟火检测设备的火点定位装置5首先确定烟火发生地点P的大致方位和位置，然后上报大致方位至消防单位，消防单位调动观测点B处烟火检测设备的火点定位装置5朝向烟火发生地点大致方位进行扇扫搜索，若搜索检测后能同样获得确定烟火发生地点P的大致方位和位置，则将观测点A、B两点获得的方位和位置信息进行交叉对比，以精确确定烟火发生地点P的位置，为消防单位的迅速反应提供支持。

综上所述，本发明通过采用多光谱滤片技术，可准确检测出有毒有害气体的成分，还可以避免水蒸气、雾霾的影响，减少误报和漏报，同时，滤光片在成像设备和成像设备的镜头之间，可有效减少设备的体积重量；进一步的，本发明还具备火点定位功能，能对火点进行精准定位，由此大幅加快出警效率。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种烟火检测设备，其特征在于，包括：成像设备；多光谱滤片装置，其设置于所述成像设备前端，以供N个波长范围的光线通过，N为≥2的正整数；以及图像比对装置，其连接所述成像设备，且存储有若干种图像模板；

场景内发出的光线通过所述多光谱滤片装置后进入成像设备内成像，以在所述成像设备中获得N个场景图像；所述图像比对装置获取所述场景图像，且将场景图像与图像模板进行对比，以此确定所述场景图像是否为烟火图像。

2.如权利要求1所述的烟火检测设备，其特征在于，所述成像设备为制冷型红外热成像仪。

3.如权利要求1所述的烟火检测设备，其特征在于，所述多光谱滤片装置包括：转盘；N个滤光片，其安装在所述转盘上；电机，其连接所述转盘，且用于驱动所述转盘按照预设角度转动。

4.如权利要求3所述的烟火检测设备，其特征在于，所述N个滤光片包括供3.7μm～4.8μm波长范围光线通过的第一滤波片、供3.7μm～4.2μm波长范围光线通过的第二滤波片以及供4.2μm～4.8μm波长范围光线通过的第三滤波片；且所述转盘按照预设角度转动后，场景内发出的光线通过第一滤波片/第二滤波片/第三滤波片后进入成像设备内成像。

5.如权利要求4所述的烟火检测设备，其特征在于，所述烟火检测设备还包括：火点定位装置，其用于在确定所述场景图像为烟火图像后，获取烟火发生地点的位置信息。

6.如权利要求5所述的烟火检测设备，其特征在于，所述烟火检测设备还包括：报警装置，其连接所述图像比对装置，用于在确定所述场景图像为烟火图像后产生报警信号。

7.如权利要求5所述的烟火检测设备，其特征在于，所述烟火检测设备还包括：云台，其连接所述火点定位装置，用于调整所述火点定位装置的水平和/或俯仰角度。

8.一种用于烟火检测的无人机系统，其包括机体；其特征在于，所述无人机系统还包括如权利要求7所述的烟火检测设备，且所述云台连接所述机体。

9.一种烟火检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置如权利要求1-7任一项所述的烟火检测设备，以获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、判定场景内有烟火产生后通过云台调整火点定位装置的位置，并通过火点定位装置获取烟火发生地点的位置信息。

10.一种烟火检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在预定区域内布置若干个如权利要求1-7任一项所述的烟火检测设备，以获取场景内的场景图像，并判断所述场景图像是否为烟火图像；并且当确定所述场景图像为烟火图像后即判定场景内有烟火产生；

S2、当某一烟火检测设备判定场景内有烟火产生后，上报包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；

S3、根据所述火情信息调动剩余烟火检测设备对烟火发生地点大致方位进行检测，使得剩余烟火检测设备同样产生包含有烟火发生地点大致方位的火情信息；

以及S4、结合若干个包含有烟火发生地点大致方位的火情信息确定烟火发生地点的位置信息。

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