CN1234001C - 三波长全散射激光感烟火灾探测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明三波长全散射激光感烟火灾探测方法和装置，特征是采用抽气泵将烟雾或气溶胶吸入烟雾探测室中，由激光器发出三束不同波长的激光，射入烟雾探测室中，被烟雾衰减后，出射到光电接收管转换为电信号，经放大，由多路数据采集卡进行A/D转换后，送入微型电子计算机对三束激光的衰减数据进行分析处理，得到三束波长的消光系数比，以此作为烟雾识别神经网络的输入，烟雾识别神经网络对输入数据进行分析判断，当确认为“火灾烟雾”时控制报警控制器驱动火灾联动报警设备发出报警，当确认为“非火灾气溶胶”时则不报警。本发明能对火灾烟雾和非火灾气溶胶进行准确可靠的识别，具有智能识别、灵敏度一致、可靠性高、抗环境干扰能力强等优点。

Description

三波长全散射激光感烟火灾探测方法及其装置

技术领域：

本发明属于火灾探测技术领域，特别是涉及激光感烟火灾探测方法及其装置。

背景技术：

现有火灾探测器，有感烟式、感温式、感光式等，感烟火灾探测器又可分为光电感烟火灾探测器和离子感烟火灾探测器，感烟火灾探测器是目前世界上应用最普遍的探测器之一。据第三届亚澳火灾科学年会论文集(Proceedings of the Third Asia-Oceania Symposium onFire Science and Technology，June 10-12，1998，pp.319-331)介绍，现有光电感烟火灾探测器是采用烟雾粒子对入射光产生散射、吸收原理探测烟雾的浓度进而实现火灾报警，具有无放射性污染、适应性较强、成本低廉等特点，但由于受该探测机理的局限，在火灾探测灵敏度和可靠性方面存在以下缺陷：①由于不同粒径的烟雾粒子对入射光产生散射的相对灵敏度不同，当烟雾粒子粒径小于0.4μm，产生不了散射光，相对灵敏度较差；②火灾产生的烟雾，大体可分为不可见烟雾、半透明的白色、灰色烟雾、不透光的黑色烟雾，对于完全透明的不可见烟雾，因不能散射光，光电感烟探测器无法探测；而黑色烟雾对光线有强烈的吸收、遮挡作用，只能产生微弱的散射光，也几乎探测不到；③现有光接收装置易受环境干扰的影响，在有灰尘、水蒸汽、油烟、风以及电磁等干扰时，容易引起误报，可靠性较低；④在长期有烟雾的特殊场所(如寺庙等)则无法使用。

《应用激光》第21卷第2期P79～81介绍的烟雾探测实验系统，主要由电源、激光器、准直透镜、测试烟箱、接收透镜、光电接收管、信号放大器和计算机数据采集系统组成，通过烟雾对激光的衰减的监测，经过反演计算，得到烟雾的浓度、平均粒径和粒径分布等特征参数，以此对不同的火灾烟雾和干扰源类型进行识别，但存在以下缺陷：①采用通用电源给激光器供电，无法保证激光器发出稳定的光强；②没有报警功能，无法驱动火灾联动报警设备；③烟雾靠扩散进入测试烟箱，被动地等待烟雾，响应能力差；④三束激光采用交叉布置，均通过烟箱的中心，光路长度等于烟箱的直径，烟雾浓度较低时，光电接收管的探测灵敏度很低。

发明内容：

本发明提供一种能对火灾烟雾和非火灾气溶胶进行识别的可靠性较高的激光感烟火灾探测方法和装置以克服现有技术的上述缺陷。

本发明的三波长全散射激光感烟火灾探测装置，由电源、三只激光器、烟雾室、三只光电接收器和计算机数据采集系统构成，其特征在于所述电源为恒流激光驱动电源1；所述烟雾室为烟雾探测室4，烟雾探测室4的一端开有烟雾进气口3，另一端开有烟雾出气口与抽气泵9相接，抽气泵9的出口通过排气口10连接到装置外，烟雾探测室4内部的两端设置一组直角反射棱镜11，两个直角反射棱镜11在垂直方向错开一定距离，使激光发射组件2发出的三束相互平行的激光先入射到光电接收端的直角反射棱镜11的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到激光发射端的直角反射棱镜11的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在两端的直角反射棱镜11之间经过多次反射后，最终从激光发射端的直角反射棱镜11凹面的下部射出，被光电接收端的光电探测组件5所接收；所述三只激光器为由三只激光器和透镜组成的激光发射组件2，激光发射组件2的三只激光器安装在烟雾探测室4激光发射端的同一水平面上，使三束激光分别通过透镜准直后，形成三束相互平行的激光束；所述三只光电接收器为由三只光电管组成的光电探测组件5，光电探测组件5安装在烟雾探测室4光电接收端的光路出口处，分别接收来自三只激光器的光强信号；所述计算机数据采集系统由多路数据采集卡6与微型电子计算机7组成，多路数据采集卡6插在微型电子计算机7的主板上，光电探测组件5的信号输出端与多路数据采集卡6的输入口相连，微型电子计算机7的输出信号连接到报警控制器8的输入端。

烟雾探测室4的直射光路长度不小于1米。

本发明的三波长全散射激光感烟火灾探测方法，由电源驱动三只激光器发出三束不同波长的激光同时入射到烟雾室中，被烟雾衰减后，出射到三只光电接收器上，由光电接收器转换为电信号，经信号放大后，由计算机数据采集系统进行A/D转换和数据分析、处理，其特征在于：采用抽气泵将待测烟雾或气溶胶吸入烟雾探测室中，由恒流激光驱动电源驱动激光发射组件，发出三束不同波长的激光同时入射到烟雾探测室中，三束激光在烟雾探测室的一组直角反射棱镜之间多次反射，被烟雾探测室中的烟雾衰减后，出射到光电探测组件上，由光电探测组件上的三只光电接收管转换为电信号，再由多路数据采集卡进行A/D转换，转换后的数字量送入微型电子计算机，微型电子计算机对采集到的三束激光的衰减数据进行数据分析、处理，得到三对波长的消光系数比，并以此作为烟雾识别神经网络的输入，烟雾识别神经网络对输入数据进行分析判断，确定烟雾探测室中气溶胶的类型，识别出“火灾烟雾”或“非火灾气溶胶”，当确认为“火灾烟雾”时控制报警控制器驱动火灾联动报警设备发出报警，当确认为“非火灾气溶胶”时则不报警。

本发明是一种基于对气溶胶进行分类识别的激光感烟火灾探测方法和装置。由于采用三束不同波长的高强度、发散角小的激光光源和恒流激光驱动电源，使得提取表征气溶胶本质特征的消光系数比成为可能，从而能对火灾烟雾和非火灾气溶胶进行分类识别，提高了光电感烟探测器的抗环境干扰的能力，具有很高的可靠性；采取主动抽气分析能提高探测的灵敏度，并使报警时间得以提前；采用烟雾识别神经网络方法能准确地对火灾烟雾和非火灾气溶胶进行分类识别，避免环境因素的干扰，具有很高的可靠性；本发明克服了现有光电感烟火灾探测器在探测灵敏度和可靠性方面存在的缺陷，能对不同粒径和颜色的火灾烟雾和非火灾气溶胶进行准确可靠的识别，具有智能识别、灵敏度一致、可靠性高、抗环境干扰能力强等优点，特别适用于特殊环境场所的火灾探测报警。

根据Lambert-Beer定律，烟雾粒子与激光相作用时，其入射光强度I₀与出射光强度I之间的关系为：

              I＝I₀ exp(-μL)                            (1)

式中I为透过烟雾的光强；I₀为入射光强；L为平均射线行程长度；μ是与光强无关的比例系数，称为介质的消光系数或衰减系数，它是表征烟雾或非火灾气溶胶消光性的重要参数；消光系数μ与介质的Sauter平均粒径d₃₂、粒子数浓度N和介质的消光效率因子Q_ex(λ，m，d₃₂)有关，可表示为：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_{32}^2{\mathrm{NQ}}_{\mathrm{ex}}(\mathrm{\λ},m,d_{32})...\left(2\right)$

式中消光效率因子Q_ex(λ，m，d₃₂)是个无量纲量。

在消光系数的表达式(2)中，消光系数μ既与气溶胶粒子的平均粒径和折射率有关，又与气溶胶的浓度有关。

在三波长全散射激光感烟火灾探测方法中，定义任意一对波长的消光系数比为R_λ1/λ2，由式(1)和式(2)可得到

$R_{\mathrm{\λ}1/\mathrm{\λ}2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}}=\frac{Q_{\mathrm{ex}}(\mathrm{\λ}1,m,d_{32})}{Q_{\mathrm{ex}}(\mathrm{\λ}2,m,d_{32})}=\frac{\mathrm{Ln}(I_0/I{)}_{\mathrm{\λ}1}}{\mathrm{Ln}{(I_0/I)}_{\mathrm{\λ}2}}...\left(3\right)$

由式(3)可知消光系数比R_λ1/λ2仅与气溶胶粒子的平均粒径和折射率有关，对于特定的气溶胶粒子来说，两个已知波长的消光系数比R_λ1/λ2为一定值，此值反映了气溶胶粒子对两个波长激光衰减的相对程度，与气溶胶粒子的本质特征(平均粒径、折射率)有关，并可通过入射光强和出射光强的测定，进行简单计算而得到。

不同的火灾烟雾和非火灾气溶胶对不同波长激光的衰减是不同的，如熏香烟雾、柴油明火烟雾、聚氨酯泡沫塑料明火烟雾和粉尘等对不同波长激光的消光系数比有明显的差别，据此可对不同的火灾烟雾和非火灾气溶胶进行分类识别，从而达到准确可靠的火灾探测报警。

本发明采用人工神经网络方法，把数据处理计算得到的三对波长的消光系数比作为烟雾识别BP神经网络的输入，神经网络通过对样本集进行学习训练后，对烟雾探测室中的烟雾气溶胶进行分类判断，识别出“火灾烟雾”或“非火灾气溶胶”，从而达到准确可靠的火灾探测报警。

本发明三波长全散射激光感烟火灾探测方法和装置也可改为采用四波长、五波长…的多波长全散射激光感烟火灾探测方法和装置，只要把其三只激光器及其光电探测组件三只光电管分别改为四只、五只…激光器及其四只、五只…光电管即可。

本发明的推广应用将推动我国火灾探测报警技术的发展，实现火灾探测报警从浓度型到烟雾识别型的飞跃。

附图说明：

附图1为本发明三波长全散射激光感烟火灾探测装置的系统构成原理示意图。

附图2为恒流激光驱动电源电原理图。

附图3为烟雾探测室光路结构示意图。

附图4为光电管的偏置与放大电原理图。

附图5为烟雾识别BP神经网络结构示意图。

附图6为本发明的数据处理、判断和控制程序流程图。

具体实施方式：

实施例1

本实施例三波长全散射激光感烟火灾探测装置，由包括组装在同一机箱内的恒流激光驱动电源1、激光发射组件2、烟雾探测室4、光电探测组件5、报警控制器8、抽气泵9，以及多路数据采集卡6、微型电子计算机7等组成；烟雾探测室4的一端开有烟雾进气口3，另一端开有烟雾出气口与抽气泵9相接，抽气泵9的出口通过排气口10连接到机箱外；激光发射组件2安装在烟雾探测室4的前端，光电探测组件5安装在烟雾探测室4后端的出射光出口处，与烟雾探测室4的烟雾出口相接的抽气泵9的出口连接到机箱外；所述激光发射组件2采用半导体激光器作为光源，三只半导体激光器安装在烟雾探测室4前端的同一水平面上，使三束激光分别通过透镜准直后，形成三束相互平行的激光束，穿过烟雾探测室4，被位于烟雾探测室4后端的光电探测组件5所接收；所述的光电探测组件5采用光电二极管作为接收器件，三只光电二极管安装在烟雾探测室4另一端的光路出口处，分别接收来自三只激光器的光强信号；多路数据采集卡6插在微型电子计算机7的主板上，光电探测组件5的信号由导线与多路数据采集卡6的输入口相连，微型电子计算机7的输出信号连接到报警控制器8的输入端。

半导体激光器的驱动电源采用闭环电流调节控制，恒流输出，由2个运算放大器U1A，U1B以及R2，R3，R4，R5，R6，C3构成一个电流负反馈放大电路，以使三极管T1的基极电流I_B恒流，而恒流值I_B的大小由电位器R7提供的参考电平决定；三极管T1工作于恒流区域，此时三极管T1的负载电流与负载的阻值大小无关，仅取决于I_B的设定值；C1和L1构成保护电路，对电流的波动进行抑制。

为提高光电探测的灵敏度，本实施例中采用一对直角反射棱镜11分别安装在烟雾探测室4内部的两端，两端的直角反射棱镜11在垂直方向错开一定距离，使激光发射组件2发出的三束相互平行的激光入射到右端的直角反射棱镜11的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到左端的直角反射棱镜11的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在两端的直角反射棱镜11之间经过多次反射后，最终从左端的直角反射棱镜11凹面的下部射出，射出的三束平行激光被位于烟雾探测室4后端的光电探测组件5所接收。

光电二极管在外加反向偏压下工作，其输出是电流信号，光电二极管的输出电流与入射光的强度成正比，光电流流过负载电阻R_L，在负载电阻上获得与入射光强度成正比的输出电压信号；输出信号放大电路采用二级低噪声直流电压放大器，共用一块双路JFET输入低噪声高速运算放大器，其第一级由ICa和R1，R2构成电压放大器，放大倍数约为10，在第一级放大器与第二级放大器之间，由R3，R4，R5，R6，W1和ICb构成一调零电路，以消除光电探测器的零点漂移，当无光照时可调节电位器W1，使探测器的输出为零，第二级放大器的放大倍数是可调的，其放大倍数为1+(R8+W2)/R7，选择R8，R7，W2的值，使放大电路的总放大倍数控制在10～20左右，调节电位器W2，可调节探测器输出电压的大小。本实施例中采用了典型的三层反向传播(BP)神经网络作为火灾烟雾识别神经网络模型，网络的输入层为3个神经元，分别为I₁、I₂、I₃，对应三对波长的消光系数比(R_{1.55μm/1.06μm}，R_{1.55μm/0.67μm}，R_{1.06μm/0.67μm})，输入值均归一化到[0，1]；输出层为2个神经元，分别为O₁和O₂，对应“火灾烟雾”和“非火灾气溶胶”，输出值范围也是[0，1]；中间隐含层为5个神经元(M₁，M₂，…，M₅)，在输入层与隐含层之间有3×5条连线，其权值为w1_ij，在隐含层与输出层之间有2×5条连线，其权值为w2_jk。输入层与隐含层之间的权值w1_ij和隐含层与输出层之间的的权值w2_jk，由样本集经网络训练后确定。

本实施例中采用波长分别为1.55μm、1.06μm和670nm的三束激光同时对烟雾探测室4中的火灾烟雾进行探测，光电二极管选用硅PIN光电二极管(400～1100nm)和长波长InGaAsPIN光电二极管(0.9～1.7μm)，烟雾识别神经网络采用三层误差反传前馈网络(BP网络)，输入层为3个神经元，隐含层为5个神经元，输出层为2个神经元，3个输入对应三对波长的消光系数比(R_{1.55μm/1.05μm}，R_{1.55μm/670nm}，R_{1.06μm/670nm})，2个输出对应“火灾烟雾”和“非火灾气溶胶”，隐含层和输出层的激活函数采用对数Sigmoid函数，输入层到隐含层的权因子和隐含层到输出层的权因子通过对样本集进行学习训练后确定，权因子确定后，烟雾识别神经网络即确定。

工作时，抽气泵9将待测烟雾或气溶胶通过进气口3吸入烟雾探测室4中；由恒流激光驱动电源1驱动激光发射组件2，同时发射三束波长为1.55μm，1.06μm，0.67μm的激光对吸入烟雾探测室3中的烟雾气溶胶进行探测，激光发射组件2采用恒流驱动电源供电，以确保激光发射组件2发出稳定光强的激光，三束激光同时入射到烟雾探测室4中，并在一对直角反射棱镜11之间经过多次反射，三束激光被吸入烟雾探测室4中的烟雾衰减后，出射到光电探测组件5上，再由光电探测组件5中的光电接收管转换为电信号，并经信号放大后，由多路数据采集卡6进行A/D转换，转换后的数字量送入微型电子计算机7进行数据分析、处理，微型电子计算机7对采集到的三束激光的衰减数据进行数据处理，得到三对波长的消光系数比，并以此作为烟雾识别神经网络的输入，烟雾识别神经网络对输入数据进行分析判断，确定烟雾探测室4中气溶胶的类型，识别出“火灾烟雾”或“非火灾气溶胶”，当确认为“火灾烟雾”时控制报警控制器8驱动火灾联动报警设备发出报警，当确认为“非火灾气溶胶”时则不报警。

Claims (3)

1、一种三波长全散射激光感烟火灾探测装置，由电源、三只激光器、烟雾室、三只光电接收器和计算机数据采集系统构成，其特征在于所述电源为恒流激光驱动电源(1)；所述烟雾室为烟雾探测室(4)，烟雾探测室(4)的一端开有烟雾进气口(3)，另一端开有烟雾出气口与抽气泵(9)相接，抽气泵(9)的出口通过排气口(10)连接到装置外，烟雾探测室(4)内部的两端设置一组直角反射棱镜(11)，两个直角反射棱镜(11)在垂直方向错开一定距离，使激光发射组件(2)发出的三束相互平行的激光先入射到光电接收端的直角反射棱镜(11)的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到激光发射端的直角反射棱镜(11)的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在两端的直角反射棱镜(11)之间经过多次反射后，最终从激光发射端的直角反射棱镜(11)凹面的下部射出，被光电接收端的光电探测组件(5)所接收；所述三只激光器为由三只激光器和透镜组成的激光发射组件(2)，激光发射组件(2)的三只激光器安装在烟雾探测室(4)激光发射端的同一水平面上，使三束激光分别通过透镜准直后，形成三束相互平行的激光束；所述三只光电接收器为由三只光电管组成的光电探测组件(5)，光电探测组件(5)安装在烟雾探测室(4)光电接收端的光路出口处，分别接收来自三只激光器的光强信号；所述计算机数据采集系统由多路数据采集卡(6)与微型电子计算机(7)组成，多路数据采集卡(6)插在微型电子计算机(7)的主板上，光电探测组件(5)的信号输出端与多路数据采集卡(6)的输入口相连，微型电子计算机(7)的输出信号连接到报警控制器(8)的输入端。

2、如权利要求1所述三波长全散射激光感烟火灾探测装置，其特征是所述烟雾探测室(4)采用长度不小于1米的直射光路。

3、一种三波长全散射激光感烟火灾探测方法，由电源驱动三只激光器发出三束不同波长的激光同时入射到烟雾室中，被烟雾衰减后，出射到三只光电接收器上，由光电接收器转换为电信号，经信号放大后，由计算机数据采集系统进行A/D转换和数据分析、处理，其特征在于：采用抽气泵将火灾烟雾吸入烟雾探测室中，由恒流激光驱动电源驱动激光发射组件，发出三束不同波长的激光同时入射到烟雾探测室中，三束激光在烟雾探测室的一组直角反射棱镜之间多次反射，被烟雾衰减后，出射到光电探测组件上，由光电探测组件上的三只光电接收管转换为电信号，再由多路数据采集卡进行A/D转换，转换后的数字量送入微型电子计算机，微型电子计算机对采集到的三束激光的衰减数据进行数据分析、处理，得到三对波长的消光系数比，并以此作为烟雾识别神经网络的输入，烟雾识别神经网络对输入数据进行分析判断，确定烟雾探测室中气溶胶的类型，识别出“火灾烟雾”或“非火灾气溶胶”，当确认为“火灾烟雾”时控制报警控制器驱动火灾联动报警设备发出报警，当确认为“非火灾气溶胶”时则不报警。

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