CN114112049A - 一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置 - Google Patents

一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置，用以解决现有的红外火灾图像探测器受火灾视场限制，存在时差和动态成像效果不佳的技术问题。本发明包括外壳和底座，底座固定在外壳的下部，外壳上设有若干个红外复眼镜头，红外复眼镜头的下部均设有聚光棱镜，底座上设有光电探测器，入射的光信号通过红外复眼镜头传入，再经过聚光透镜调整光路并将不同方向的光信号传导至光电探测器，光电探测器采集不同方向的光信号，实现全向探测。本发明不同方向的光通过多个红外复眼镜头到达聚光棱镜聚光，导光到可发生形变的曲面光电探测器，实现半球视场同时连续成像，将光信号转变成数字信号后进行融合，从而实现360度无死角的同时全向探测。

Description

一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置
技术领域
本发明涉及火灾探测的技术领域，尤其涉及一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置。
背景技术
火焰是火灾初期的物理现象，如果不能将火焰及时扑灭，则会造成大面积火灾，严重威胁人民生命财产安全。在火灾发生初期及时发现火焰并准确反映现场情况，有利于控制并扑灭火灾，减少损失，具有现实意义和经济价值。
当前的火灾早期探测技术，大多是用各类传感器探测火情，如感烟探测器，通常情况下火灾探测器是安装在建筑天花板上，在火灾发生早期，火源点释放的烟雾会因为室内冷空气过多而难以快速上升至天花板，导致感烟探测器难以与烟雾充分接触，进而错失对火灾发生初期的预防报警时机。又如感温式火灾探测器，但感温式火灾探测器灵敏度较低、检测速度慢，延误控制火情的最佳时机。
众多检测技术中，图像型火灾探测技术表现较为突出，该技术涉及到了图像处理和模拟信号的识别方法。该探测器克服了空间的限制，可以对大型仓库，大型楼宇建筑等易燃地点进行有效检测，并发挥了更大的作用。由于火灾发生时，会出现阴燃的现象，可见光图像探测器无法及时判断火情，而红外图像在火灾检测领域有特殊的优势，红外图像探测技术可以对接触部位的温度进行实时把控，对无法直接观测的位置用红外图像显示，以实现对火灾的预警，红外图像发挥着巨大作用。
由于现有的红外火灾图像感应式探测器，仍面临火灾视场受限的问题，为了解决这一问题，出现了360度旋转镜头实现无死角监控，但此种方法存在时差和动态成像效果不佳的缺陷。鱼眼镜头在大视场中被广泛使用，却也面临无法真正实现无死角监控和成像畸变等问题。复眼镜头的研发对大视场监控有积极的意义，但当前大部分复眼镜头成像都需要通过后期计算机图像处理技术以解决图像重叠问题。由此可见，火灾早期探测技术仍存在许多不足。
随着现代仿生学的发展，复眼镜头这种优异的光学结构引起了研究学者们的极大兴趣。复眼结构中，每一个小眼都是一个独立的光学结构，由角膜、晶锥、感杆束和感光细胞组成。角膜是复眼最外层的结构，其表面向外凸起，大部分昆虫复眼的形状为六边形，它们互相拼接形成类似于蜂窝状结构。角膜的光透射率很高，主要作用是透光以及保护内部结构；晶锥位于角膜的下方，是一个圆锥形透明结构，它与角膜一起构成了昆虫复眼的屈光器；晶锥的主要作用是屈光，晶锥的形状是随着进光量而变化的，当光线较强时，晶锥会变得又细又长，从而减少进光量；当光线较暗时，晶锥会变短，从而增加了进光量，其功能类似于人眼的瞳孔一样；感杆束由多个感杆细胞组成，主要作用是传导光，感光细胞为接受光能单元。如果能够研制这样的一种光学系统，用于实现大视场的目标探测，那么对于红外光学系统的火灾探测能力将会带来极大的提高。
于是，设计开发一种曲面光电探测器，更好的、更高效的适配复眼镜头将是一种趋势。
发明内容
针对现有的红外火灾图像探测器受火灾视场限制，存在时差和动态成像效果不佳的技术问题，本发明提出一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置，采用的曲面光电探测器更类似于人的晶状体，可以有效地避免复眼镜头多个镜头的图像重叠问题，能够实现半球视场的无缝成像，为实现360度无死角的同时全向探测提供了一种新的解决思路。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置，包括外壳和底座，底座固定在外壳的下部，所述外壳上设有若干个红外复眼镜头，红外复眼镜头的下部均设有聚光棱镜，所述底座上设有光电探测器，入射的光信号通过红外复眼镜头传入，再经过聚光透镜调整光路并将不同方向的光信号传导至光电探测器，光电探测器采集不同方向的光信号，实现全向探测。
进一步地，所述外壳为半球形壳体，所述光电检测器为凸型曲面光电探测器。
进一步地，所述光电检测器和底座的材质均为压电陶瓷材料，未通电状态下，光电探测器以水平静置，通电后，底座向外壳内壁发生膨胀形变，光电探测器随底座向外壳内壁形变为凸型曲面光电探测器。
进一步地，所述红外复眼镜头均匀分布在外壳上。
进一步地，所述红外复眼镜头包括中心镜头和附属红外镜头，中心镜头固定在镜头壳体的中部，附属红外镜头设置在中心镜头的周向。
进一步地，所述附属红外镜头的数量设有3个且包括附属红外镜头I、附属红外镜头II和附属红外镜头III，附属红外镜头I、附属红外镜头II和附属红外镜头III的中心与中心镜头的中心的距离相等，附属红外镜头I、附属红外镜头II或附属红外镜头III任意两个的中心与中心镜头的中心的夹角为120度。
进一步地，所述红外复眼镜头的数量设有9个、且包括第一红外复眼镜头、第二红外复眼镜头、第三红外复眼镜头、第四红外复眼镜头、第五红外复眼镜头、第六红外复眼镜头、第七红外复眼镜头、第八红外复眼镜头和第九红外复眼镜头，所述第一红外复眼镜头设置在外壳的最顶端，所述第二红外复眼镜头、第三红外复眼镜头、第四红外复眼镜头、第五红外复眼镜头均匀分布在与底座中心夹角为60度的外壳的圆周上，所述第六红外复眼镜头、第七红外复眼镜头、第八红外复眼镜头和第九红外复眼镜头均匀分布在与底座中心夹角为30度的外壳的圆周上。
进一步地，将外壳的球心为坐标原点，外壳的半径为单位3，则第一红外复眼镜头的坐标为(0，0，3)，第二红外复眼镜头、第三红外复眼镜头、第四红外复眼镜头、第五红外复眼镜头的坐标分别为
Figure BDA0003389043860000031
和
Figure BDA0003389043860000032
Figure BDA0003389043860000033
第六红外复眼镜头6、第七红外复眼镜头7、第八红外复眼镜头8和第九红外复眼镜头9的坐标分别为
Figure BDA0003389043860000034
和
Figure BDA0003389043860000035
本发明的全向检测方法为：通电状态下，光信号12传入9个红外复眼镜头的中心镜头14、附属红外镜头I15、附属红外镜头II16和附属红外镜头III17后，通过聚光棱镜13调整角度，将不同方向的光均匀传导到发生了形变的凸型曲面光电探测器11′上，实现半球视场的同时连续成像，将光信号转化为数字信号输入计算机进行数据融合，从而实现360度无死角的同时全向探测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：不同方向的光通过多个红外复眼镜头到达聚光棱镜聚光后，导光到可发生形变的曲面光电探测器，实现半球视场的同时连续成像，将光信号转变成数字信号后计算机进行数据融合，从而实现360度无死角的同时全向探测。且
(1)本发明采用两级复眼镜头，通过棱镜均匀聚光，实现对预定视场空间的无缝成像，实现光从外部空间到光电探测器的可靠传递，提供了一种新颖的复眼镜头结构；
(2)本发明采用可形变的曲面光电探测器，曲面光电探测器类似于人眼的视觉神经，解决了复眼镜头视场重叠失真问题，减轻了图像融合的难度，提高了成像效率，节约成本；
(3))本发明的底壳和光电探测器均采用柔性压电陶瓷材料，未通电时以平铺方式放置光电探测器，通电时底壳和光电探测器均发生膨胀形变，使光电探测器始终避免悬空放置，在控制光电探测器凸型形变弧度的同时，又避免光电探测器的损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明工作时受光的示意图。
图3为本发明红外复眼镜头的结构示意图。
图4为本发明9个红外复眼镜头分布的俯视图。
图5为本发明红外复眼镜头分布的正视图。
图中，1为第一红外复眼镜头，2为第二红外复眼镜头，3为第三红外复眼镜头，4为第四红外复眼镜头，5为第五红外复眼镜头，6为第六红外复眼镜头，7为第七红外复眼镜头，8为第八红外复眼镜头，9为第九红外复眼镜头，10为外壳，11为光电检测器，11'为凸型曲面光电探测器，12为光信号，13为聚光棱镜，14为中心镜头，15为附属红外镜头I，16为附属红外镜头II，17为附属红外镜头III，18为底座，19为螺钉。
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付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。
如图1所示，一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置，包括外壳10和底座18，外壳10用于固定红外复眼镜头和聚光透镜3。底座18固定在外壳10的下部，外壳10为半球形壳体，底座18的形状为半圆形且其半径与半球形壳体的半径相同，底座18用于固定光电探测器11。所述外壳10上设有若干个红外复眼镜头，红外复眼镜头用于采集其正对的图像信息。红外复眼镜头与传统镜头相比，具有不同的镜片材质，并不影响光线传播，反而具有在火场中透雾的功能。红外复眼镜头的下部均设有聚光棱镜3，聚光棱镜3固定在外壳10上且位于红外复眼镜头的正下方，聚光棱镜3用于对入射的光信号12进行聚光。底座18上设有光电探测器11，入射的光信号12通过红外复眼镜头传入，再经过聚光透镜3调整光路并将不同方向的光信号传导至光电探测器11，光电探测器11采集不同方向的光信号，实现全向探测。红外复眼镜头采集光信号，光电探测器的作用是将光信号转化为电信号，传输给显示设备。
优选地，如图2所示，所述光电检测器11为凸型曲面光电探测器，可以更有效地接收从不同方向进入的光信号。
优选地，如图2所示，光电检测器11通过螺钉19固定在底座18上。所述光电检测器11和底座18的材质均为柔性的压电陶瓷材料，未通电状态下，光电探测器11以水平静置，通电后，底壳18和光电探测器11均发生膨胀形变，底座18向外壳10内壁发生膨胀形变，光电探测器11随底座18向外壳10内壁形变为凸型曲面光电探测器11′。本发明利用压电陶瓷的逆压电效应，对压电陶瓷材料施加电场时，材料会出现机械形变的现象，且形变量与对其施加电场的强度呈正比。利用压电效应可以控制曲面光电探测器凸变程度，更好的实现与镜头的对焦。压电陶瓷材料可以在直流或者低频交流电下运行，此时无负荷的电位移△L与施加电压U有以下关系：△L＝U*d33；式中，d33是压电应变常数，用来衡量压电材料的发射性能，其数值越大，发射性能就越好，发射灵敏度越高。选择合适的电压和压电应变常数，可获得需要的形变量。
优选地，所述红外复眼镜头均匀分布在外壳10上，可以将不同方向的光信号均匀地传送至光电探测器11。如图3所示，所述红外复眼镜头包括中心镜头14和附属红外镜头，中心镜头14固定在镜头壳体的中部，附属红外镜头设置在中心镜头14的周向。中心镜头14和附属红外镜头加在一起是4个小视场镜头，组成一个大的复眼镜头，这四个小镜头通过这种布局，能够更精确的接受他们负责的九分之一视场的光信号。外壳10不是透明的，不能透光。聚光透镜3固定在镜头壳体内的外壳10上，对聚光透镜3的倾斜角度没有要求，仅需要折射率有要求。
如图3所示，所述附属红外镜头的数量设有3个且包括附属红外镜头I15、附属红外镜头II16和附属红外镜头III17，附属红外镜头I15、附属红外镜头II16和附属红外镜头III17的中心与中心镜头14的中心的距离相等且均匀分布在镜头壳体上，附属红外镜头I15、附属红外镜头II16或附属红外镜头III17任意两个的中心与中心镜头14的中心的夹角为120度。附属红外镜头I15、附属红外镜头II16和附属红外镜头III17分别与中心镜头14呈y轴120度均匀分布在半球形的镜头壳体上。首先，这种布局的红外复眼结构，经过仿真验证，理论上是可以实现无死角且无视场重叠成像的。其次，这种布局让复眼镜头的布局看起来更均匀，更美观。
如图4所示，所述红外复眼镜头的数量设有9个、且包括第一红外复眼镜头1、第二红外复眼镜头2、第三红外复眼镜头3、第四红外复眼镜头4、第五红外复眼镜头5、第六红外复眼镜头6、第七红外复眼镜头7、第八红外复眼镜头8和第九红外复眼镜头9，所述第一红外复眼镜头1设置在外壳10的最顶端，用于采集外壳正上方的光信号。所述第二红外复眼镜头2、第三红外复眼镜头3、第四红外复眼镜头4、第五红外复眼镜头5均匀分布在与底座18中心夹角为60度的外壳10的圆周上即位于半球形壳体y轴60度均匀分布，用于采集与Z轴方向夹角为0-60度的光信号的信息。所述第六红外复眼镜头6、第七红外复眼镜头7、第八红外复眼镜头8和第九红外复眼镜头9均匀分布在与底座18中心夹角为30度的外壳10的圆周上即位于半球形壳体y轴30度均匀分布，用于采集与Z轴方向夹角范围为30-90度的光信号的信息。
如图5所示，将外壳10的球心为坐标原点、底座所在的平面为XOY面、竖直方向为Z周建立三维坐标系XYZ，外壳10的半径为单位3，则第一红外复眼镜头1的坐标为(0，0，3)，第二红外复眼镜头2、第三红外复眼镜头3、第四红外复眼镜头4、第五红外复眼镜头5的坐标分别为
Figure BDA0003389043860000061
和
Figure BDA0003389043860000062
Figure BDA0003389043860000063
第六红外复眼镜头6、第七红外复眼镜头7、第八红外复眼镜头8和第九红外复眼镜头9的坐标分别为
Figure BDA0003389043860000064
和
Figure BDA0003389043860000065
通电状态下，光信号12传入9个红外复眼镜头的中心镜头14、附属红外镜头I15、附属红外镜头II16和附属红外镜头III17后，通过聚光棱镜13调整角度，将不同方向的光均匀传导到发生了形变的凸型曲面光电探测器11′上，实现半球视场的同时连续成像，凸型曲面光电探测器11′将光信号转化为数字信号输入计算机进行数据融合，从而实现360度无死角的同时全向探测。现有的技术可以通过图像预处理、图像配准和图像融合算法进行每个图像的拼接，得到无缝大视场图像。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于火灾早期探测的同时全向探测装置，包括外壳(10)和底座(18)，底座(18)固定在外壳(10)的下部，其特征在于，所述外壳(10)上设有若干个红外复眼镜头，红外复眼镜头的下部均设有聚光棱镜(3)，所述底座(18)上设有光电探测器(11)，入射的光信号(12)通过红外复眼镜头传入，再经过聚光透镜(3)调整光路并将不同方向的光信号传导至光电探测器(11)，光电探测器(11)采集不同方向的光信号，实现全向探测。
2.根据权利要求1所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述外壳(10)为半球形壳体，所述光电检测器(11)为凸型曲面光电探测器。
3.根据权利要求2所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述光电检测器(11)和底座(18)的材质均为压电陶瓷材料，未通电状态下，光电探测器(11)以水平静置，通电后，底座(18)向外壳(10)内壁发生膨胀形变，光电探测器(11)随底座(18)向外壳(10)内壁形变为凸型曲面光电探测器(11′)。
4.根据权利要求1或3所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述红外复眼镜头均匀分布在外壳(10)上。
5.根据权利要求4所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述红外复眼镜头包括中心镜头(14)和附属红外镜头，中心镜头(14)固定在镜头壳体的中部，附属红外镜头设置在中心镜头(14)的周向。
6.根据权利要求5所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述附属红外镜头的数量设有3个且包括附属红外镜头I(15)、附属红外镜头II(16)和附属红外镜头III(17)，附属红外镜头I(15)、附属红外镜头II(16)和附属红外镜头III(17)的中心与中心镜头(14)的中心的距离相等，附属红外镜头I(15)、附属红外镜头II(16)或附属红外镜头III(17)任意两个的中心与中心镜头(14)的中心的夹角为120度。
7.根据权利要求4或5所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，所述红外复眼镜头的数量设有9个、且包括第一红外复眼镜头(1)、第二红外复眼镜头(2)、第三红外复眼镜头(3)、第四红外复眼镜头(4)、第五红外复眼镜头(5)、第六红外复眼镜头(6)、第七红外复眼镜头(7)、第八红外复眼镜头(8)和第九红外复眼镜头(9)，所述第一红外复眼镜头(1)设置在外壳(10)的最顶端，所述第二红外复眼镜头(2)、第三红外复眼镜头(3)、第四红外复眼镜头(4)、第五红外复眼镜头(5)均匀分布在与底座(18)中心夹角为60度的外壳(10)的圆周上，所述第六红外复眼镜头(6)、第七红外复眼镜头(7)、第八红外复眼镜头(8)和第九红外复眼镜头(9)均匀分布在与底座(18)中心夹角为30度的外壳(10)的圆周上。
8.根据权利要求7所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置，其特征在于，将外壳(10)的球心为坐标原点，外壳(10)的半径为单位3，则第一红外复眼镜头(1)的坐标为(0，0，3)，第二红外复眼镜头(2)、第三红外复眼镜头(3)、第四红外复眼镜头(4)、第五红外复眼镜头(5)的坐标分别为
Figure FDA0003389043850000021
Figure FDA0003389043850000022
和
Figure FDA0003389043850000023
第六红外复眼镜头(6)、第七红外复眼镜头(7)、第八红外复眼镜头(8)和第九红外复眼镜头(9)的坐标分别为
Figure FDA0003389043850000024
Figure FDA0003389043850000025
和
Figure FDA0003389043850000026
9.根据权利要求2-8中任一项所述的用于火灾早期探测的同时全向探测装置的全向探测方法，其特征在于，通电状态下，光信号(12)传入9个红外复眼镜头的中心镜头(14)、附属红外镜头I(15)、附属红外镜头II(16)和附属红外镜头III(17)后，通过聚光棱镜(13)调整角度，将不同方向的光均匀传导到发生了形变的凸型曲面光电探测器(11′)上，实现半球视场的同时连续成像，将光信号转化为数字信号输入计算机进行数据融合，从而实现360度无死角的同时全向探测。
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