CN1205094A - 用于分析危险报警器信号的方法及实施该方法的危险报警器 - Google Patents

Abstract

在用于频率分析一种危险报警器信号的方法中,将一种子波变换(1)与一种模糊逻辑分析结合。在借助于规格化正交的或者半规格化正交的子波变换中,将原始信号(x_o.k)输送给各高/低通滤波器对(HP,LP)的一种多级滤波器级联。在每个滤波器级上自高通滤波器的结果、子波系数和原始信号(x_o.k)的各值产生一种隶属函数(μ_i)。这些函数是规一化的和以这种形式用于按照模糊逻辑规则的继续分析(2)。该方法尤其适用于象火焰报警器,噪声报警器和类似的危险报警器输出信号的分析。通过少数几行微处理器代码进行该子波变换(1)和模糊逻辑分析(2),由此用一种价格有利的处理器可实现该分析,并且在相同的或提高了的准确性情况下加速进行。

Description

用于分析危险报警器信号的方法及 实施该方法的危险报警器

本发明涉及一种借助频率分析和模糊逻辑分析用于分析危险报警信号的方法，以及一种实施该方法的危险报警器。该危险报警器例如可以是一种火焰报警器，噪声报警器，火灾报警器，无源红外报警器或者类似的报警器。

各种危险报警器的输出信号经常是以对它典型的频谱为特征。通过分析这些频谱可以确定各信号的来源，并且首先可以将各真正的报警信号从干扰信号中区分开来，并且由此避免错误警报。尤其是在火焰报警器情况下，为了能将真正的火焰辐射从例如象反射的阳光那样的一种干扰源的，或者一种闪烁光源的辐射区分开来，而分析火焰的典型低频闪烁。

例如借助傅里叶分析，快速傅里叶分析，零交叉法或者转折点法来分析危险报警器的各输出信号。后者在GB-A 2277989中在火焰报警器上的应用中得到了说明。在此，测量辐射最大值间的时间间隔和对它的规律性和不规则性进行校验，并且将不规则出现的各辐射极大值解释为火焰和将规则出现的解释为干扰。

模糊逻辑一般是已知的。关于本发明应强调的是，各信号值按照隶属函数被分为所谓的模糊集或者模糊量，在此，隶属函数值或者对一种模糊量的隶属程度，是在零和一之间。在此重要的是，该隶属函数是可规一化的，就是说该隶属函数的全部值之和等于一，由此该模糊逻辑分析允许单义地解释信号。

在一种于EP-A 0718814中描述的火焰报警器上，分析已检测出辐射的频率，并且在此在一定的频率范围内在规则的和不规则的信号之间进行区分。在给定的频率范围内的不同信号的分析，根据多个模糊逻辑规则进行。通过此种方法能够在真正火焰信号和其他干扰信号之间进行准确的区分和由此使防错误报警可靠性成为可能。该频谱的产生，在此例如是由快速傅里叶变换进行的，这从该变换需要的时间、所需的处理器和处理器费用看是昂贵的。为判定一种检测出的信号，有一部分是要求高达三秒钟。然而对于一定的用途是希望一种较短的分析时间和直至发出警报的反应时间，在此象零交叉法或者转折点法或者子波分析那样的各种方法虽然加速了该判定过程但是精确性却较低。

本发明的任务在于，建立一种用于对危险报警器信号作频率分析的方法，该方法是与一种模糊逻辑分析相结合的，并且与当今技术水平的分析方法相比是以较小数目的计算步骤实现的，这使得在较短的时间内得到具有相同的或较高的精确性的结果。此外，该方法应是可用一种较简单的处理器和由此是费用比较有利地来实现的。

按照本发明该任务由此而解决，即进行一种快速子波变换作为频率分析，并且在此将该原始信号引导通过一种多级的，高／低通滤波器对的滤波器级联，并且在子波变换的每个滤波级上，由高通滤波器的结果各产生一种隶属函数，将该函数用来按照模糊逻辑规则继续分析频率信号。

该子波变换是一种自时域到频域的一种信号的变换或者映像(对此请参阅例如“快速子波变换”Mac A．Cody在Dr．Dobb’s Journal，4月，1992年)，它亦即基本上与傅里叶变换和快速傅里叶变换相似。但是它与这些的不同点在于变换的基本函数，按照这个基本函数展开该信号。在傅里叶变换时采用正弦和余弦函数，它们是精确地定位在频域内的，而在时域内是不确定的。在子波变换时采用一种所谓的子波或者波包。在这当中有不同的类型，例如一种高斯子波，样条子波或者发状子波(Haar Wavelet)，它们各自可以通过两个参数任意地在时域中移动和在频域内扩展或者压缩。

因此，通过一种子波变换既可在时域内也可在频域内转换各定位的信号。一种快速的子波变换由按照马拉特(Mallat)的金字塔形算法实现，该算法是建立在重复应用一个低通滤波器和高通滤波器的基础上的，通过这种应用将低频的信号组分与高频的分开。在此每次将低通滤波器的输出信号重又送入低／高通滤波器对。这导致原始信号的一系列近似值，这些近似值中的每一个比先前的拥有一个较粗糙的分辨率。变换所需要的运算数目是每次与该原始信号的长度成正比，而在傅里叶变换时此数目与信号长度是超线性比例的。快速子波变换也可反转进行，其方法是由用于重建的各近似值和系数重新形成该原始信号。用于该信号分解和重建的算法和一个分解与重建的系数表已在Charles K．Chui的“子波引论(An Introduction to Wavelet)”(Academic Press，SanDiego 1992)中的一个样条子波实例上给出。

模糊分析的结果在一种危险报警器中应用时，能够做出是否存在一种警报信号或者一种干扰信号的判定。为子波分析所必需的计算步骤数目与傅里叶分析相比较明显降低。因此缩短了用于信号识别所需的计算时间，并且处理器的费用也减少了。

按照本发明将该原始的、数字化的信号首先经一种快速子波变换进行分析。为此引导该信号按照马拉特算法通过高通和低通滤波器对的一种级联的多个级。然后从高通滤波器的结果中在每个滤波级上产生一种隶属函数，它包含从高通滤波器所得计算值之和，并且除以各原始信号值的平方和。在此，在每个滤波级产生的该隶属函数之和等于1或者接近等于1。于是将这些规一化了的隶属函数以这种形式应用于继续进行的用模糊逻辑的频率分析。

一种这样方式的频率分析具有下列优点：子波变换的各高通滤波器首先产生关于高频信号的信息。这尤其在火焰报警中是有利的，因为以有关较高频率的信息可加快信号种类的识别，和可提高它的准确性。例如如果发现一个超过15Hz的高频信号，则将这个信号解释为干扰信号。紧随其后的报警，干扰信号或者报警信号，较早地发生，并且以较大的可靠性是正确的。各子波在它们的形式上经常是很简单的，例如象一种发状子波那样，和能够用少的计算步骤来分析，这额外地缩短了计算时间和判定时间。然而该判定时间的缩短不是与信号识别的准确性方面的损失相联系的。当需要较少的代码行时，也可以使用一种廉价的处理器。

按照本发明方法的一种第一优先的实施形式，其特征在于，用于快速子波变换的子波是一种规格化正交的或者半规格化正交的子波，或者也是一种子波包基(Wavelet-Paket-Basis)，并且这些产生的隶属函数各自包含通过子波系数加权的高通滤波器的平方值之和，以及原始信号的平方值之和，并且以规一化的形式用于按照模糊逻辑规则的频率信号的继续分析。

在一个第二优先的实施形式中，为快速子波变换采用的子波是一种规格化正交的或者半规格化正交的或者是一种子波包基，并且这些产生的隶属函数各自包含高通滤波器的平方输出值之和以及危险报警器的原始信号的平方值之和，并且该隶属函数以规一化的形式应用于按照模糊逻辑规则的频率信号的分析。

用于实施所述方法的该按照本发明的危险报警器包含一种用于危险特征量的传感器，一种带有用于处理传感器输出信号手段的电子分析装置，和一种带有模糊控制器的微处理器。这种危险报警器，其特征在于，该微处理器具有一种软件程序，按此程序，模糊控制器是一种模糊子波控制器的一部分，并且由分析电子装置处理的和向模糊控制器输送的信号是经子波变换的。

以下借助一种在附图中展示的实施例详细地说明本发明；这些附图是：

图1一种方法的方框图，该方法具有一种通过多个滤波器级的快速子波分析和通过模糊逻辑的继续分析，

图2展示在一种用快速发状子波变换的频率分析的实例上的各隶属函数，

图3用于实施图1方法的一种危险报警器的方框图，和

图4用于在一种危险报警器中实现图1的方法的方框图。

按照图1，借助于一种任意的，由当今技术水平已知方式的子波，以输出信号x_0，k首先进行一种快速子波变换1。有利地是采用一种规格化正交的或者半规格化正交的子波或者一种子波包基。在图中该信号值用x_i，k和y_i，k表示，在此x表示这些信号值和来自低通滤波器(LP)的各值，以及y表示来自高通滤波器(HP)的各值。下标i以上升的数字表示滤波器级联的级，在此，原始信号位于零级。下标k表示一种信号的一个独特值。自零级上的一种原始信号x_0，k出发，经过多次滤波变换该信号。第一高通滤波器的输出信号产生各值y_1，k和第一低通滤波器的输出信号产生各值x_1，k，该输出信号同时形成用于第二滤波级的输入信号。第二高通滤波器的输出信号产生各值y_2，k，将第二低通滤波器的输出信号x_2，k送向一种第三滤波器对等等。在此应说明的是，由各滤波级产生的值的数目，在各级上是各自不同的。准确地说，在每级上各值的数目减小倍数2。例如在i+1级上，一种高通滤波器的输出值是用y_i+1，k表达的和一种低通滤波器的输出值是用 $X_{i+l,k}=\underset{1}{\mathrm{\Σ}}{b}_{l-2k}{y}_{\mathrm{lk}}$ 表达的。

用于变换的系数a和b一般是已知的和可借助所述的Chui的书来计算。例如对于一发状子波a₀=a₁=1／2，b₀=1／2和b₁=-1／2。下标1各自取整数值，对于这些值系数不等于零。该原始信号的重建以分级方式进行，其方法是每个滤波器级的各值从前级的各值形成，即 $x_{1,x}-=\underset{-1}{\mathrm{\Σ}}(p_{x-z1}{x}_{1+1.1}+q_{x-z1}{y}_{1-1.1})$ 为子波重建的系数p和q可在所述的书中找到。

随后从各自滤波级的高通滤波器的各输出值和从为子波重建的所属系数q产生隶属函数μ_i。在此

(方程式1) ${\mathrm{\μ}}_{N-1}=\frac{{\underset{1}{\mathrm{\Σ}}\left(p_{x-z1}{x}_{N1}\right)}^2}{{\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\left(x_{0,r}\right)}^2}\mathrm{furi}=N+1,$

在此N是滤波级数目。该最后的函数μ_N+1也就是通过最后的低通滤波器的各输出值形成的。这些隶属函数是规一化的，其方法是

通过下列方程式产生这些隶属函数的一种常常是良好的近似：

在这种近似上函数是接近规一化的，其方法是 $\underset{1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_1\≈1$

在该方法的一种特别实施例中，这些数字化的原值(Rohwerte)x_0，k受到一种快速发状分析。自每个滤波级i的各值y_i，k形成各隶属函数μ_i，即： ${\mathrm{\μ}}_1=\frac{{\underset{1}{\mathrm{\Σ}}\left(y_{\mathrm{1,1}}\right)}^2}{{\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\left(x_{0,r}\right)}^2}\mathrm{furi}=\mathrm{1,2},......,N,\mathrm{und}{\mathrm{\μ}}_{N+1}=\frac{{\underset{1}{\mathrm{\Σ}}\left(x_{N1}\right)}^2}{{\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\left(x_{o,r}\right)}^2}\mathrm{fur}=N+1$ 这些隶属函数在此情况下是规格化的，其方法是 $\underset{1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_1=1$ 在图2中由一种快速发状子波变换的结果产生的隶属函数μ是作为频率函数表示的。在不同的曲线中μ_N+1说明很低频率的属性，μ_N说明低频的属性，以及μ₁和μ₂说明高的或者中等频率的属性。这里可清楚地看出，在每个选择的频率上各曲线值的和为1。

在本方法的所有实施例中，将这些隶属函数输送给一个用于按照模糊逻辑规则分析的模糊逻辑控制器2(图1)，按此做出决定，是否释放一种警报信号或将该信号评定作为干扰。

在火焰报警器中应用此方法时，适合于用来在例如象超过15Hz的周期性信号那样的干扰信号，和例如象低频率的窄频带信号，或者在低频范围中的宽频带信号那样的真正火焰信号之间作出区分。通过快速地识别高频信号，从信号中排除这种频率的和其各谐波频率的各干扰信号，这加速了该信号的频率分析。通过子波变换对该频率分析的加速，可以将用于判定信号种类的和发出的警报的必要时间，例如从至今的3秒钟减少至1秒钟。此所述方法，此外也适用于噪声报警器，无源的红外报警器，在图象处理中各单个象素信号的频谱分析，以及象气体传感器和振动传感器那样的各种各样传感器。

图3示出一种用来实施所述方法的危险报警器3的示意图。根据图示该危险报警器3具有一个用于检测一种危险特性参数的传感器4，一种电子分析装置5，一种微处理器6和模糊控制器2。该危险特性参数例如可以是一种由火焰发出的辐射强度，一种噪声的声音信号，由一种热物体发出的红外线或者一种CCD-摄象机的输出信号。

将传感器4的输出信号送向电子分析装置5，并且从该电子分析装置5到达微处理器6中，该电子分析装置5具有例如象放大器那样的适当手段来处理信号。该模糊控制器2(图1)在这里是作为软件一体化在微处理器6中。特别是该模糊控制器是模糊子波控制器的部分，它将模糊逻辑理论与子波理论联系起来。该微处理器6例如包含一种在图4中示出类型的软件程序，该程序对输入信号加以子波变换。然后将产生的、变换过的信号输送给模糊控制器2。如果自该模糊控制器2产生的信号被评定为警报的话，则将这个信号输送给一个警报发出装置7或者输送给一个警报中心。

图4示出在一个危险报警器的微处理器中，实施按照本发明的方法的一种方框图，在此这个微处理器具有一种模糊子波控制器8。该传感器4的输出信号在经过电子分析装置5(图3)的分析之后，送到模糊子波控制器8，在其中首先引导该信号通过由各滤波器9的级联。由每个滤波器9的结果10按照方程式1形成各隶属函数μi。然后将这些函数送给模糊控制器2用于模糊分析，该模糊控制器2必要时向警报发出装置7发送一个信号。

Claims (5)

1．用于借助频率分析和模糊逻辑分析来分析一种危险报警器(3)信号的方法，其特征在于，将一种快速子波变换(1)作为频率分析来实施，和将原始信号(x_0，k)在此引导通过一种各高／低通滤波器对(HP，LP)的多级滤波器级联，并且在子波变换的每个滤波级上，自高通滤波器(HP)的各种结果中各自产生一种隶属函数(μ_i)，将它用于按照模糊逻辑规则继续分析频率信号。

2．按照权利要求1的方法，其特征在于，为快速子波变换(1)采用的子波，是一种规格化正交的或者半规格化正交的子波或者是一种子波包基，并且这些所产生的隶属函数(μ_i)各自包含由该子波系数加权的，高通滤波器(HP)的平方值之和，以及该危险报警器(3)的原始信号(x_0，k)平方值之和，并且以规一化的形式用于按照模糊逻辑规则的频率信号的继续分析。

3．按照权利要求1的方法，其特征在于，为快速子波变换(1)采用的子波，是一种规格化正交的或者半规格化正交的子波或者是一种子波包基，并且这些所产生的隶属函数(μ_i)各自包含该高通滤波器(HP)的平方输出值之和，以及该危险报警器(3)的原始信号(x_0，k)的平方值之和，并且以规一化的形式用于按照模糊逻辑规则的频率信号的分析。

4．按照权利要求1至3之一的方法，其特征在于，各输出信号是一种火焰报警器的输出信号，并且该火焰报警器的各输出信号的频率分析和评价持续100ms至10s。

5．用于实施按照权利要求1至3之一的方法的危险报警器(3)，具有用于一种危险特征参数的传感器(4)，一种带有处理传感器(4)的输出信号手段的电子分析装置(5)，和带有一个模糊逻辑控制器(2)的微处理器(6)，其特征在于，该微处理器(6)具有一种软件程序，按照该程序该模糊控制器(2)是一种模糊子波控制器(8)的一部件，并且通过电子分析装置(5)处理的和输送给模糊控制器(2)的信号是子波变换过的。

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