CN1168054C - 烟雾相对浓度图像探测器及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明烟雾相对浓度图像探测器及其探测方法，采用由红外发光二极管组成的矩阵平面发射源和设有红外滤波片的CCD摄像头接收端，形成面对面的探测，采用相干滤波方法进行去噪处理，很好地解决了对准、校正和整个空间监测问题，不仅可提供精确的动态数据，并可绘制出烟雾随时间变化的动态相对浓度图像，可以用于多点烟雾相对浓度的测量、火灾探测报警和大空间的动态立体监测，也为进行烟雾运动学的研究提供了有效的工具。

Description

烟雾相对浓度图像探测器及其探测方法

技术领域：

本发明涉及烟雾浓度的监测和火灾探测技术领域。

背景技术：

火灾探测是人类依靠科学技术与火灾作斗争的有效手段之一。烟雾监测是火灾早期探测中的重要一项，是控制火灾发展和减少火灾损失的重要途径。目前应用在大空间中的烟雾探测器大致有以下几种：1、离子式烟雾探测器，2、二极管式光电烟雾探测器，3、吸气式烟雾探测器，4、反射式光束感烟探测器，5、图像对单点式模拟探测器系统。其中二极管式光电烟雾探测器由于其价格低廉、反应灵敏以及可用于较大空间等特点，被国际上普遍采用。但是，传统的红外感烟探测器在大空间场合中，由于其点对点式的设计以及初级的处理技术，使其在应用于烟雾探测方面存在很大的局限性。

经检索，与本发明相关的烟雾探测器专利有：

1、申请号为1007226的散射光式烟雾探测器；

2、申请号为85105779的光电烟雾检测器；

3、专利号为98122932.8的反射式光束感烟火灾探测方法及装置；

4、专利号为99203139.7的多通道火灾图像监测报警切换器。

以上专利中存在着以下问题：

在大空间较远距离时，一般信号变得非常微弱，噪声的影响非常大，使有用信号淹没在噪声中，使用以上探测器很难辨别出有烟和无烟；另外，若在有日光照射或强红外光辐射源的场所，由于噪声过强，会使上述探测器失效。

上述探测器基本上只能提供阀值的监测，用于报警，不能连续监测烟雾的浓度，这在烟雾深层研究中是不行的。

接收二极管的灵敏度和信噪比与发光二极管的发光角度和距离关系非常密切，所以对准是提高测量精度的重要条件。专利1、2、3所述的红外探测器都是点对点、或者近似点对点的监测，要用来对整个空间进行监测比较困难；专利4也只能实现某条近似直线上的烟雾监测。由于其一般的对准原理是使发射硅片平面和接收硅片平面的法线在三维立体空间中始终位于同一条直线上，而这是难于保证的；特别在有剧烈震动或大空间场所，使用这种点对点二极管的探测器对准会非常困难，而且随着距离的增大对准的难度也相应加大。

专利3所述反射式光束感烟火灾探测装置提出运用反射镜使发送和接受位于同一端的技术方案，表面上解决了二极管对准问题，但反射镜的对准却又成为一大困难；特别是该方案所采用的补偿测量接收放大器和接收测量放大器，所补偿的是发射的光强变化；其输出与判断电路，实质为一比较器，即截取上下两个阀值。当信噪比减小时，有用信号湮没在随机噪声中，无论如何截取阀值都将无法正确判断，唯一的办法是加大发射功率。此外，其由每个点值为0，1的个别点组成的二值信号，无法绘制出烟雾变化的动态图形。

发明内容：

本发明提出一种烟雾相对浓度图像探测设备，并提出一种使用相干波长检测方法的烟雾相对浓度图像探测方法，可以得到高信噪比的烟雾相对浓度值，对烟雾浓度进行大空间的动态立体监测。

本发明烟雾相对浓度图像探测器，其特征在于包括红外光发射源(1)、发射端控制电路(2)、通讯接口(3)、接收端(4)、高速采集设备(5)和PC机处理设备(6)组成；所述红外光发射源(1)是每列由n个红外发光二极管(7)串接后、共m列并在一起组成的n×m矩阵平面，置于大空间的一端墙面上，该n和m为大于1的整数；所述接收端(4)采用设有红外滤波片(9)的CCD摄像头(8)，经过高速采集卡(5)连接到PC机(6)；使红外光发射源(1)矩阵平面上每个发光二极管(7)的硅平面平行于接收端(4)的摄像头(8)和滤波片(9)，形成面对面的发射与接收；所述发射端控制电路(2)包括微控制器(10)与2×m个高压开关管(11)和2×m个限流电阻(12)组成；红外光发射源(1)上各列串接二极管的正极端接+50V电源、负端通过接口J26与发射端控制电路(2)中的限流电阻(12)相接，限流电阻(12)的另一端接高压开关管(11)的漏极，高压开关管(11)的源极接地、栅极分别接至微控制器(10)P0～P2的I/O口；所述通讯接口(3)分为(13)和(14)两部分：在控制电路(2)一端的通讯接口(13)和微控制器(10)相接，在PC机一端的通讯接口(14)与PC机(6)的串行口RS232的插座J25相接，通讯接口(13)和(14)之间用485总线相连。

本发明烟雾相对浓度图像探测方法，其特征在于采用以下步骤：

首先在无烟状态下，由PC机通过串行口RS232口、经通讯接口(3)向微控制器(10)发出启动命令，控制电路(2)开启每列由n个红外发光二极管(7)串接后、共m列并在一起组成的n×m矩阵平面红外光发射源(1)，，该n和m为大于1的整数；光信号经过大空间到达红外滤波片(9)、进入CCD摄像头(8)，经过高速采集卡(5)采集到PC机(6)中，形成CCD的红外图像；对红外图形采用相干滤波的方法，即将相邻帧累加起来，找出红外图形中每个相隔亮点区的最大值，存储该点X，Y坐标和灰度值，并在PC机所存图形中对每个找到的亮点区最亮像素点的周围次亮点区域清零；依次对每个亮点区做这一操作，直到找完n×m个为止；

再在有烟状态下，监测刚才找到各点的当前灰度值，采用同样的相干滤波方法进行去噪处理；求n×m个亮点的相对烟雾浓度值，并根据其坐标绘制出当前烟雾图像；重复多次采集去噪处理，即可绘制出烟雾随时间变化的动态相对浓度图像。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明采用大平面的二极管矩阵平面代替了现有技术中的点式发射源，采用基于CCD器件的摄像头代替接收二极管，从而形成面对面的烟雾浓度探测器，很好地解决了对准问题，使得大空间的动态立体监测成为可能；本发明探测器在对准、校正和整个空间监测上，比红外接收二极管的点对点方式有很大优势。

2、本发明采用控制电路(2)，可以调控红外发光管的发射功率，对于较远距离的烟雾监测、或在烟雾浓度大幅度增加时，可以调高发射功率，进一步提高远距离监测精度。由于采取了由微控制器(10)控制高压开关管(11)的开断决定限流电阻(12)的控制电路(2)，可选择使二路控制电路全导通、一路导通或不导通；不导通，即关闭电路，不进行测量；一般情况下，当距离较近时，采用一路导通；而当距离加大时则可使两路都导通以加大电流，从而提高远程测试的精度；对所接收数据转化成烟雾浓度的精度可达0.5％，从而可以很好地监测空间的烟雾浓度，且可方便地组成智能报警系统。

3、由于本发明的点阵式发射源，使得最后采集值形成点阵，解决了形成动态烟雾图形的问题；不仅仅是设定一个阀值，而且可以得到连续的相对烟雾浓度值。本发明当然也可以对二极管点阵中的一个或多个线性范围内设定报警阀值，一旦烟雾浓度达到设定值就认为发生了火灾，开始报警，而且可以用于多点烟雾相对浓度的测量和火灾探测报警，同时可以监测阵列中所有点组成的烟雾浓度图形的变化规律。

4、采用本发明设计的烟雾相对浓度探测器和自行设计的算法(包括相干滤波的数据处理方法)处理图像，去除了噪音，将信噪比提高了一个数量级，提高了测量的精度，使得烟雾浓度的探测更加精确，迅速，直观；不仅可为火灾探测提供精确的动态的数据，也为进行烟雾运动学的研究提供了有效的工具。

5、由于本发明图像监测的关键器件——像敏感元件通过光学镜头与外界发生间接接触，这种结构保证了探测器可以更好地加以保护、使用更长久，对于长期的粉尘、湿度影响情况有很大的抗干扰能力，因此本发明探测器可适用于大空间、大面积、多粉尘、高湿度的室内外环境中使用、适用于需要对火灾现象中的图像信息作出快速反应、需提供直观动态的火灾烟雾图像信息的场所中使用。

附图说明：

图1是本发明烟雾相对浓度图像探测器的系统框图，图2是其红外发光二极管矩阵电路图，图3是其通讯接口和控制电路图，图4是相干波长检测方法的程序框图。

具体实施方式：

以下结合附图具体说明本发明的实施例。

实施例1：

本实施例烟雾相对浓度图像探测器的红外发光二极管矩阵发射源(1)，具体由10×12＝120个外径为Ф5的红外发光二极管(7)组成，每一列由十个红外发光二极管串联，共12列，该红外发光二极管矩阵发射源(1)的电路如图2所示，将红外发光二极管矩阵置于大空间的一端的墙面上，使每个二极管(7)的硅平面应尽可能的平行于摄像头(8)和红外滤波片(9)；尽可能选用特性曲线一致的120个二极管(7)，并可在每个二极管(7)的正负极两端并接30Ω～300Ω的调整电阻，图2中30Ω～300Ω没有画出，实践中只有极少的二极管需要调整。二极管一致性要调整到完全一致很困难，但要基本上控制发射功率的差别不超过30％-50％，这是比较容易做到的；而这30％-50％的差别内，是可以得到噪声中的相对烟雾浓度的。

本实施例中的控制电路(2)由89C51单片机(内部有4K E2PROM的程序存储器)、R1-R24共24个200Ω、2.5W的限流电阻(12)和J1-J24共24个Vn222中功率MOS高压开关管(11)组成；红外光发射源(1)上每列串接二极管的正极端接+50V电源、负端通过接口J26与发射端控制电路(2)中的限流电阻(12)相接，限流电阻(12)的另一端接高压开关管(11)的漏极，高压开关管(11)的源极接地、栅极分别接至微控制器(10)P0～P2的I/O口；单片机89C51的P0～P2口共有24条I/O线，控制J1-J24共24个Vn222功率MOS管的导通和截止；每两个功率MOS管及两个200Ω电阻共同控制一路由10个红外发光二极管的串接回路，从而每列二极管通过MOS管的通断可设置成三种控制形式：烟雾探测距离超过10米或相对烟雾浓度较高时使二路MOS管全导通；距离在10米以内或相对烟雾浓度较小时，只选择一路MOS管导通；不测量时任何一路MOS管都不导通。例如89C51的程序控制其引脚P1.0为1，P1.1为0，则J1导通，J24截止，这时通过J26的12脚的发光二极管列只串接一个200Ω电阻；当距离较远或相对烟雾浓度大时，可以由89C51程序控制P1.0＝1，P1.1＝1，使J26的12脚的发光二极管列串接一个相当于100Ω的电阻(两个200Ω电阻并接后为100Ω)；当这列二极管列不用时，可使P1.0＝0，P1.1＝0，使两路都截止。

所述通讯接口(3)分为两部分：接在控制电路(2)一端的为接口(13)，由485器件的R、D脚分别与89C51的RXD、TXD连接，RE、DE脚都与89C51的T0连接，A、B脚与通讯接口(14)的A、B脚相接；接在PC机一端的通讯接口(14)，由PC机串行口RS232经电平转换芯片MAX232把电平从±12V变成0到5V，再由MAX232去驱动控制485器件的R、D、RE、DE引脚，达到平衡式远程控制(双绞线可达1000米)，如图3所示。通讯接口(13)和(14)之间用485总线相连。

接收端(4)由CCD摄像头(8)外加红外滤波片(9)组成，本实施例中的摄像头(8)采用的是普通黑白可调焦的CCD摄像头VISTA，所接高速采集设备(5)采用的是型号为FLY VIDEO II的外购设备，将它插入到PC机(6)的插槽中；PC机(6)一般要求64M以上内存，主频350MHz以上，WIN98操作系统。

使用检测时，操作程序如图4所示；

首先初始化图像采集设备，存储缓冲区后，在无烟状态下，由PC机(6)通过RS232口、经通讯接口(3)向微控制器(10)发出启动命令，控制电路(2)开启红外光发射源(1)，光信号经过大空间到达红外滤波片(9)、进入CCD摄像头(8)，经过高速采集卡(5)同步采集100～256幅图到PC机(6)内，采用相干滤波的方法进行处理，即将相邻帧累加起来，消除噪声的影响；并形成回路控制；

得到初始无烟的由CCD摄像头经滤波片接收到的红外图形；

本实施例中采用根据程序框图4给出的流程所编制的软件，找出每个相隔亮点区的最大值，并存储该点X，Y坐标和灰度值；每一二极管对应一亮点区，求出各亮点区的峰值作为二极管的代表值，及公共背景信号的平均值；总共求出10×12点的烟雾浓度值，并存储这10×12个点的浓度值即灰度值和X，Y坐标值；在PC机所存图形中对找到的每一个亮点区最亮像素点的周围次亮点区域清零，防止干扰找下一个亮点区的最亮像素点；依次对每个亮点区做这一操作，直到找完10×12个亮点区为止；

再在有烟状态下，监测刚才找到各点的当前灰度值，采用同样的相干滤波方法进行去噪处理；

求10×12个亮点的相对烟雾浓度值，并根据其坐标采用科学可视化图形软件IDL绘制出当前相对烟雾浓度图像；

如果是多幅不同时刻的相对烟雾浓度图像，则重复多次采集去噪处理，即可绘制出烟雾随时间变化的动态相对浓度图像；否则终止处理。

所述采用相干滤波方法去噪声检测的处理方法，是利用相邻帧积分平均滤波方法。在理想情况下，平稳白噪声序列在某一循环频率α上的循环自相关函数为零，因此对于具有循环平稳特性的信号，利用循环自相关函数代替传统的自相关函数，可以有效的抑制噪声。但在实际场合中，由于数据长度有限，噪声循环自相关函数的估计量并不为零，因此将影响循环平稳方法的性能。在本发明中考虑到所观测的烟雾变化与图像采集速度相比是近似静态的，所以很适合于利用相邻帧积分平均滤波，这是其他烟雾监测探测器所没有的。实验表明，这种方法所得的结果也是相当好的。

在循环相关的意义下，由于只考虑在循环频率α上的循环相关性，所以信噪比应定义为信号与噪声在某α切片上的功率之比，即

$R_{{\mathrm{SN}}^{\mathrm{\α}}}=\left|\frac{\∫S_s^{\mathrm{\α}}\left(f\right)\mathrm{df}}{S_w^{\mathrm{\α}}\left(f\right)\mathrm{df}}\right|=\left|\frac{R_s^{\mathrm{\α}}\left(0\right)}{R_w^{\mathrm{\α}}\left(0\right)}\right|$

显然，R_w ^α(0)越小，循环信噪比R_SNα就越高。理想情况下，在信号S(t)的循环频率α上平稳随机噪声w(t)的循环相关函数 $R_w^{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\τ}\right)=0$ 对任意τ均成立，，这时 $R_{{\mathrm{SN}}^{\mathrm{\α}}}->\∞.$ 而在实际应用中，由于计算的是有限长序列，数据长度N不可能无限制加长，所以我们应用相邻帧平均滤波方法处理结果循环相关函数的噪声抑能力正比于

例如，实施例中的N＝100时， $1/\sqrt{100}=1/10,$ 信噪比提高了10倍。

本发明采用相干滤波的数据处理方法，去除了噪音，将信噪比提高了一个数量级，提高了测量的精度，不仅仅是设定一个阀值，而且可以得到连续的相对烟雾浓度值。

本发明当然也可以对二极管点阵中的一个或多个线性范围内设定报警阀值，一旦烟雾浓度达到设定值就认为发生了火灾，开始报警，而且同时可以监测阵列中所有点组成的烟雾浓度图形的变化规律，可以用于多点烟雾相对浓度的测量和火灾探测报警。

Claims (2)

1、一种烟雾相对浓度图像探测器，其特征在于包括红外光发射源(1)、发射端控制电路(2)、通讯接口(3)、接收端(4)、高速采集设备(5)和PC机处理设备(6)组成；所述红外光发射源(1)是每列由n个红外发光二极管(7)串接后、共m列并在一起组成的n×m矩阵平面，置于大空间的一端墙面上，该n和m为大于1的整数；所述接收端(4)采用设有红外滤波片(9)的CCD摄像头(8)，经过高速采集卡(5)连接到PC机(6)；使红外光发射源(1)矩阵平面上每个发光二极管(7)的硅平面平行于接收端(4)的摄像头(8)和滤波片(9)，形成面对面的发射与接收；所述发射端控制电路(2)包括微控制器(10)与2×m个高压开关管(11)和2×m个限流电阻(12)组成；红外光发射源(1)上各列串接二极管的正极端接+50V电源、负端通过接口(J26)与发射端控制电路(2)中的限流电阻(12)相接，限流电阻(12)的另一端接高压开关管(11)的漏极，高压开关管(11)的源极接地、栅极分别接至微控制器(10)的I/O口(P0～P2)；所述通讯接口(3)分为两个部分(13、14)：在控制电路(2)一端的通讯接口(13)和微控制器(10)相接，在PC机一端的通讯接口(14)与PC机(6)的串行口RS232的插座(J25)相接，通讯接口(13)和(14)之间用485总线相连。

2、一种烟雾相对浓度图像探测方法，其特征在于采用以下步骤：

首先在无烟状态下，由PC机通过串行口RS232口、经通讯接口(3)向微控制器(10)发出启动命令，控制电路(2)开启每列由n个红外发光二极管(7)串接后、共m列并在一起组成的n×m矩阵平面红外光发射源(1)，该n和m为大于1的整数；光信号经过大空间到达红外滤波片(9)、进入CCD摄像头(8)，经过高速采集卡(5)采集到PC机(6)中，形成CCD的红外图像；对红外图形采用相干滤波的方法，即将相邻帧累加起来，找出红外图形中每个相隔亮点区的最大值，存储该点X，Y坐标和灰度值，并在PC机所存图形中对每个找到的亮点区最亮像素点的周围次亮点区域清零；依次对每个亮点区做这一操作，直到找完n×m个为止；

再在有烟状态下，监测刚才找到各点的当前灰度值，采用同样的相平滤波方法进行去噪处理；求n×m个亮点的相对烟雾浓度值，并根据其坐标绘制出当前烟雾图像；重复多次采集去噪处理，即可绘制出烟雾随时间变化的动态相对浓度图像。

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