CN114184559B - 基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置 - Google Patents
基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，涉及室内火场预判技术领域。本发明实施例通过增加光程(即光在测定空间中传输距离)及光程的分布尺度(即光在测定空间中跨过的空间范围)提高光谱吸收强度，进而提高检测灵敏度。使得该装置可以准确的检测微弱一氧化碳浓度变化。
Description
技术领域
本发明涉及室内火场预判技术领域，具体涉及一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置。
背景技术
在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。不完全燃烧产生大量的一氧化碳，同时还含有大量的二氧化碳。据了解，常用的建筑材料燃烧时，一氧化碳的含量高达2.5％。极易造成一氧化碳中毒致人死亡。因此，在火灾发生前，通过检测一氧化碳的浓度变化，可对室内火场进行预判，及时的发现并做出反应。
但早期室内火场中的一氧化碳气体浓度较低，传统的光谱检测技术主要通过抽取式来实现气体检测。
但传统方法不利于高速测量，预判能力较差。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，解决了传统的光谱检测技术不利于高速测量，预判能力较差的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
提供了一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，该装置包括：用于输出激光以及数据处理的激光检测主控系统、收发望远镜、p个分光镜和Q个反光镜；Q＝1+q1+q2+...+qp+1；
所述激光检测主控系统输出的激光经过收发望远镜，得到入射光；
入射光经过p个分光镜后把一路激光分为p+1路光强相同的激光，且分光后的第i路激光依次通过qi个全反射镜进行多次全反射后得到第i路出射光，形成多次反射光路，且p+1条多次反射光路覆盖整个室内区域；
每路出射光均经过收发望远镜聚焦后到达第i路对应的光电探测器进行光电转换，再由所述激光检测主控系统接收电信号并对其进行反演处理，得到火场预判检测结果。
进一步的，所述激光检测主控系统，包括：
激光器，作为激光光源；
激光控制模块，用于稳定输出激光波长；
准直透镜，用于对激光进行准直；
微弱信号放大电路，用于对电信号进行放大；
数据处理模块，用于对放大后的电信号进行反演处理。
进一步的，所述收发望远镜包括：
p+1个聚焦透镜，用于将p+1路光会聚；
p+1个光电探测器，用于将p+1路光信号转换为电信号。
进一步的，所述室内区域为矩形区域；
所述p个分光镜和Q个反光镜，包括：
三个分光镜和九个反光镜；
第一分光镜的透射光与反射光比例为3：1；
第二分光镜的透射光与反射光比例为2：1；
第三分光镜的透射光与反射光比例为1：1；
且第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第一反光镜沿光路依次排列；
第一分光镜的反射光依次通过第二、第三反光镜反射后，得到第一路出射光，构成第一反射光路；
第二分光镜的反射光依次通过第四、第五反光镜反射后，得到第二路出射光，构成第二反射光路；
第三分光镜的反射光依次通过第六、第七反光镜反射后，得到第三路出射光，构成第三反射光路；
第一反光镜的反射光依次通过第八、第九反光镜反射后，得到第四路出射光，构成第四反射光路；
所述第一反射光路、第二反射光路、第三反射光路、第四反射光路相互平行，且光程依次增大。
进一步的，所述由所述激光检测主控系统接收电信号并对其进行反演处理，得到火场预判检测结果，包括：
获取电信号ri(m)；i＝1,2,...,p+1；m为采样数据序列；
对ri(m)的无吸收部分信号，进行多项式拟合，分别得到拟合信号Ii(m)；
使电信号ri(m)与拟合信号Ii(m)的残差平方和取最小值时，达到最好拟合效果，并进行光强归一化；
对归一化后的信号进行中值平均算法滤波，通过设定窗口，按规律滑窗，有效滤除信号中的奇异值；
对滤波后的信号进行光强拟合，并计算得到的积分吸光度A；
根据各光路的温度T，计算温度修正后的吸收线强S(T)；
基于积分吸光度A、温度修正后的吸收线强S(T)和标准一氧化碳浓度c0反演得到各光路待测一氧化碳浓度ci；
利用各光路一氧化碳浓度ci与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的光路作为起火点位置。
进一步的，所述拟合信号Ii(m)计算公式为：
Ii(m)＝ai0+ai1m+ai2m2+ai3m3
其中，ai0，ai1，ai2，ai3为拟合系数。
进一步的，所述使电信号ri(m)与拟合信号Ii(m)的残差平方和M取最小值时，输出拟合系数，包括：
进一步的，所述根据各光路的温度T，计算温度修正后的吸收线强S(T)，包括：
S(T)＝a+bT+cT2+dT3+eT4+fT5
其中，a，b，c，d，e，f为吸收线强拟合系数，T为光路的温度，S(T)为温度修正后的吸收线强。
进一步的，所述基于积分吸光度A、温度修正后的吸收线强S(T)和标准一氧化碳浓度c0反演得到各光路待测一氧化碳浓度ci的计算公式为：
其中，c0为已知浓度，S(T0)为常温吸收线强，A0为已知浓度信号的积分吸光度，A为光强拟合计算得到的积分吸光度，L为测量路径的光程，L0为通过已知浓度的测量路径光程。
进一步的，所述利用各光路一氧化碳浓度ci与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的光路作为起火点位置，包括：
将室内区域栅格化，得到若干个有效栅格；
根据光路一氧化碳浓度ci，利用代数迭代重建算法，计算每个有效栅格内一氧化碳的二维浓度值；
将有效栅格的二维浓度值与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的栅格作为起火点位置。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明提出一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置。该装置为了在火灾早期能够有效地进行预判，此时一氧化碳含量都比较低，通过增加光程(即光在测定空间中传输距离)及光程的分布尺度(即光在测定空间中跨过的空间范围)提高光谱吸收强度，进而提高检测灵敏度。该装置可以准确的检测微弱一氧化碳浓度变化。
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为本发明实施例的基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置图；
图2为本发明实施例的开放多次反射光路图；
图3为本发明实施例的预判定位流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本申请实施例通过提供一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，解决了传统的光谱检测技术不利于高速测量，预判能力较差的问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
传统的光谱检测技术主要通过抽取式来实现气体检测，不利于高速测量，预判能力较差。
开放光路主要通过一个角反射镜实现一个光线折返，常应用于开阔待测环境的气体测量，不利于室内的高速实时测量。
本发明的技术方案的优点。
本发明结合了激光吸收光谱技术的开放多次反射光路结构，实现了对于距离受限的室内火场早期一氧化碳浓度的高灵敏度探测；
本发明的技术方案通过将一束激光分为四路广泛的分布在室内，可以通过简单的数据处理便可定位出射光路，预判起火点位置。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
本发明提供了一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，包括：用于输出激光以及数据处理的激光检测主控系统、收发望远镜、p个分光镜和Q个反光镜；Q＝1+q1+q2+...+qp+1；
所述激光检测主控系统输出的激光经过收发望远镜，得到入射光；
入射光经过p个分光镜后把一路激光分为p+1路光强相同的激光，且分光后的第i路激光依次通过qi个全反射镜进行多次全反射后得到第i路出射光，形成多次反射光路，且p+1条多次反射光路覆盖整个室内区域；
每路出射光均经过收发望远镜聚焦后到达第i路对应的光电探测器进行光电转换，再由所述激光检测主控系统接收电信号并对其进行反演处理，得到火场预判检测结果。
本实施例的有益效果为：
本发明实施例通过增加光程(即光在测定空间中传输距离)及光程的分布尺度(即光在测定空间中跨过的空间范围)提高光谱吸收强度，进而提高检测灵敏度。该装置可以准确的检测微弱一氧化碳浓度变化。
如图1所示，下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
以室内区域为矩形区域为例，该装置包括：用于输出激光以及数据处理的激光检测主控系统、收发望远镜、三个分光镜和九个反光镜。
其中，所述激光检测主控系统，包括：
激光器，作为激光光源，具体采用中心波长为1.580nm的DFB激光器；
激光控制模块，用于稳定输出激光波长；
准直透镜，用于对激光进行准直；
微弱信号放大电路，用于对电信号进行放大；
数据处理模块，用于对放大后的电信号进行反演处理。
所述收发望远镜，包括：
p+1个聚焦透镜，用于将p+1路光会聚；分别对每路光进行会聚，每一路光强汇聚后，再对应光路的光电探测器接收。
p+1个光电探测器，用于将p+1路光信号转换为电信号。
收发望远镜的作用是：
在发射阶段，把激光光束发射出去；
在接收阶段，负责将光聚焦后接受反射回的激光。
且激光检测主控系统与收发望远镜设置在室内区域的门口。
三个分光镜中，
第一分光镜的透射光与反射光比例为3：1；
第二分光镜的透射光与反射光比例为2：1；
第三分光镜的透射光与反射光比例为1：1；
且第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第一反光镜沿光路依次排列；
第一分光镜的反射光依次通过第二、第三反光镜反射后，得到第一路出射光，构成第一反射光路；
第二分光镜的反射光依次通过第四、第五反光镜反射后，得到第二路出射光，构成第二反射光路；
第三分光镜的反射光依次通过第六、第七反光镜反射后，得到第三路出射光，构成第三反射光路；
第一反光镜的反射光依次通过第八、第九反光镜反射后，得到第四路出射光，构成第四反射光路；
所述第一反射光路、第二反射光路、第三反射光路、第四反射光路相互平行，且光程依次增大。
所述由所述激光检测主控系统接收电信号并对其进行反演处理，得到火场预判检测结果，包括：
S1、获取电信号ri(m)；i＝1,2,...,p+1；m为采样数据序列；
S2、对ri(m)的无吸收部分信号，进行多项式拟合，分别得到拟合信号Ii(m)；
具体的，
对r0(m)，r1(m)，r2(m)，r3(m)的无吸收部分信号，进行多项式拟合，分别得到I0(m)，I1(m)，I2(m)，I3(m)，且计算公式为：
Ii(m)＝ai0+ai1m+ai2m2+ai3m3
其中，ai0，ai1，ai2，ai3为拟合系数。
S3、使电信号ri(m)与拟合信号Ii(m)的残差平方和取最小值时，达到最好拟合效果，并进行光强归一化；
具体的，
使测量信号r0(m)，r1(m)，r2(m)，r3(m)与拟合信号I0(m)，I1(m)，I2(m)，I3(m)的残差平方和取最小值时，作为拟合结束条件，此时达到最好拟合效果，输出拟合系数，并进行光强归一化，消除光强起伏的影响。且计算公式如下：
S4、对归一化后的信号进行中值平均算法滤波，通过设定窗口，按规律滑窗，有效滤除信号中的奇异值。
具体的，
在室内火场预判的气体检测中，可能会伴随烟气或高温的扰动，对归一化后的信号进行中值平均算法滤波，通过设定窗口，按规律滑窗，有效滤除信号中的奇异值。
S5、对滤波后的信号进行光强拟合，并计算得到的积分吸光度A；
S6、根据传感器即可获取各光路的温度T，利用已知的线强与温度的关系，计算温度修正后的吸收线强S(T)；
S(T)＝a+bT+cT2+dT3+eT4+fT5
其中，a，b，c，d，e，f为吸收线强拟合系数为已知量，T为光路的温度为已知量，S(T)为温度修正后的吸收线强。
S7，基于积分吸光度A、温度修正后的吸收线强S(T)和标准一氧化碳浓度c0反演得到各光路待测一氧化碳浓度ci。
具体的，各光路待测一氧化碳浓度ci的计算公式为：
其中，c0为已知浓度，S(T0)为常温吸收线强，A0为已知浓度信号的积分吸光度，A为光强拟合计算得到的积分吸光度，L为测量路径的光程，L0为通过已知浓度的测量路径光程。
S8、利用各光路一氧化碳浓度ci与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的光路作为起火点位置。
具体的，
将室内区域栅格化，得到若干个有效栅格；
根据光路一氧化碳浓度ci，利用代数迭代重建算法(algebraicreconstructiontechnique)，计算每个有效栅格内一氧化碳的二维浓度值；
将有效栅格的二维浓度值与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的栅格作为起火点位置。
综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
①本发明实施例通过增加光程(即光在测定空间中传输距离)及光程的分布尺度(即光在测定空间中跨过的空间范围)提高光谱吸收强度，进而提高检测灵敏度。该装置可以准确的检测微弱一氧化碳浓度变化。
需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，该装置包括：用于输出激光以及数据处理的激光检测主控系统、收发望远镜、p个分光镜和Q个反光镜；Q＝1+q1+q2+...+qp+1；
所述激光检测主控系统输出的激光经过收发望远镜，得到入射光；
入射光经过p个分光镜后把一路激光分为p+1路光强相同的激光，且分光后的第i路激光依次通过qi个全反射镜进行多次全反射后得到第i路出射光，形成多次反射光路，且p+1条多次反射光路覆盖整个室内区域；
每路出射光均经过收发望远镜聚焦后到达第i路对应的光电探测器进行光电转换，再由所述激光检测主控系统接收电信号并对其进行反演处理，得到火场预判检测结果，包括：
获取电信号ri(m)；i＝1,2,...,p+1；m为采样数据序列；
对ri(m)的无吸收部分信号，进行多项式拟合，分别得到拟合信号Ii(m)；
使电信号ri(m)与拟合信号Ii(m)的残差平方和取最小值时，达到最好拟合效果，并进行光强归一化；
对归一化后的信号进行中值平均算法滤波，通过设定窗口，按规律滑窗，有效滤除信号中的奇异值；
对滤波后的信号进行光强拟合，并计算得到的积分吸光度A；
根据各光路的温度T，计算温度修正后的吸收线强S(T)；
基于积分吸光度A、温度修正后的吸收线强S(T)和标准一氧化碳浓度c0反演得到各光路待测一氧化碳浓度ci；
利用各光路一氧化碳浓度ci与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的光路作为起火点位置。
2.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述激光检测主控系统，包括：
激光器，作为激光光源；
激光控制模块，用于稳定输出激光波长；
准直透镜，用于对激光进行准直；
微弱信号放大电路，用于对电信号进行放大；
数据处理模块，用于对放大后的电信号进行反演处理。
3.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述收发望远镜包括：
p+1个聚焦透镜，用于将p+1路光会聚；
p+1个光电探测器，用于将p+1路光信号转换为电信号。
4.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述室内区域为矩形区域；
所述p个分光镜和Q个反光镜，包括：
三个分光镜和九个反光镜；
第一分光镜的透射光与反射光比例为3：1；
第二分光镜的透射光与反射光比例为2：1；
第三分光镜的透射光与反射光比例为1：1；
且第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第一反光镜沿光路依次排列；
第一分光镜的反射光依次通过第二、第三反光镜反射后，得到第一路出射光，构成第一反射光路；
第二分光镜的反射光依次通过第四、第五反光镜反射后，得到第二路出射光，构成第二反射光路；
第三分光镜的反射光依次通过第六、第七反光镜反射后，得到第三路出射光，构成第三反射光路；
第一反光镜的反射光依次通过第八、第九反光镜反射后，得到第四路出射光，构成第四反射光路；
所述第一反射光路、第二反射光路、第三反射光路、第四反射光路相互平行，且光程依次增大。
5.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述拟合信号Ii(m)计算公式为：
Ii(m)＝ai0+ai1m+ai2m2+ai3m3
其中，ai0，ai1，ai2，ai3为拟合系数。
6.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述使电信号ri(m)与拟合信号Ii(m)的残差平方和M取最小值时，输出拟合系数，包括：
7.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述根据各光路的温度T，计算温度修正后的吸收线强S(T)，包括：
S(T)＝a+bT+cT2+dT3+eT4+fT5
其中，a，b，c，d，e，f为吸收线强拟合系数，T为光路的温度，S(T)为温度修正后的吸收线强。
8.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述基于积分吸光度A、温度修正后的吸收线强S(T)和标准一氧化碳浓度c0反演得到各光路待测一氧化碳浓度ci的计算公式为：
其中，c0为已知浓度，S(T0)为常温吸收线强，A0为已知浓度信号的积分吸光度，A为光强拟合计算得到的积分吸光度，L为测量路径的光程，L0为通过已知浓度的测量路径光程。
9.如权利要求1所述的一种基于激光开放光路的早期室内火场预判检测装置，其特征在于，所述利用各光路一氧化碳浓度ci与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的光路作为起火点位置，包括：
将室内区域栅格化，得到若干个有效栅格；
根据光路一氧化碳浓度ci，利用代数迭代重建算法，计算每个有效栅格内一氧化碳的二维浓度值；
将有效栅格的二维浓度值与所设定的阈值进行比较，将超出阈值的栅格作为起火点位置。
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