CN206096497U - 一种危险源探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种危险源探测系统，涉及安全的技术领域。该危险源探测系统，包括：用于获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据；根据计算出的不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数；在一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警的图像探测单元；与图像探测单元连接，用于对一个或多个危险源的特征参数以及报警信息进行监控与管理的监控设备。本实用新型的图像探测单元对危险源区域空间的不同波段的光谱图像数据进行分析处理，可实现远距离、大范围的一种或多种危险源的监控预警，降低由危险源引起的灾害性事件的发生率，从而有效避免人员伤亡和财产损失。

Description

一种危险源探测系统

技术领域

本实用新型涉及安全的技术领域，特别是涉及一种危险源探测系统。

背景技术

危化品在工业生产过程、产成品储运和销售渠道等环节中都存在着潜在的危险，若监管不当，极易形成危险源，造成灾害性事件的发生。

危险源主要呈现为在特定情况下形成的气体、液体、烟气、烟雾、粉尘、蒸汽或温度异常，因此极早地探测预警有利于避免灾害性事件的发生。而目前现有技术中针对危险源的探测报警系统只能针对特定的点或线进行探测且可探测的危险源的形式大都比较单一，无法实现对一个区域空间的同时侦测，这样对危化品区域的监测极为不利。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种危险源探测系统，从而可以解决现有技术中危险源的探测报警系统可探测的危险源的形式大都比较单一，且无法实现对一个区域空间的同时侦测的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例采用如下技术方案：

一种危险源探测系统，包括：

用于获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据；根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数；在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警，所述特征参数包括：危险源的浓度、减光率、温度和/或温差的图像探测单元；

与所述图像探测单元连接，用于对所述一个或多个危险源的特征参数以及报警信息进行监控与管理的监控设备。

其中，所述系统还包括：

与所述图像探测单元配合，用于按照预设时序向所述图像探测单元发射经调制处理的不同波段的光谱的一个或多个光谱发射单元。

其中，所述系统还包括：

与所述光谱发射单元配合，用于将所述光谱发射单元发射的光谱反射至所述图像探测单元的光谱光源反射板。

其中，所述图像探测单元包括：

光学镜头；

与所述光学镜头连接，获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据的光谱摄像机；

与所述光谱摄像机连接，根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数，并在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警的核心处理器；

设置于所述光学镜头与所述光谱摄像机之间，且与所述核心处理器电连接，将从所述光学镜头进入的光谱光限定透过预设波段的光谱至所述光谱摄像机的滤波片切换装置。

其中，所述核心处理器为嵌入式核心处理器，包括：

根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数，并在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警的核心处理电路；

与所述核心处理电路连接的输入输出接口电路；

与所述核心处理电路以及输入输出接口电路均电连接的，向所述图像探测单元提供电源供给的第一内部供电电路。

其中，所述滤波片切换装置包括：特定波段滤波片或多光谱滤波片转轮系统，所述多光谱滤波片转轮系统设置有多波段滤波片。

其中，所述图像探测单元还包括：

可见光镜头；

分别与所述可见光镜头以及所述核心处理器连接，与所述可见光镜头配合，获取所述预设防护区域空间的不同波段的可见光图像以及可见光图像数据的可见光摄像机。

其中，所述光谱发射单元包括：

光谱光源；

驱动与控制所述光谱光源的光源电路板，所述光源电路板上设置有所述光谱光源；

设置于所述光源电路板的一侧，使光谱光源形成预设角度的发射光束的光学系统；

与所述光源电路板连接，对光谱光源进行调制与控制的控制电路板；

与所述控制电路板连接，检测光源的衰减程度的光电传感器；

与所述光源电路板以及所述控制电路板电连接的，向所述光谱发射单元提供电源供给的第二内部供电电路。

其中，所述光谱光源包括不同波段的多个光源或具有预设光谱响应范围的全光谱光源。

其中，所述光谱发射单元还包括：

与所述控制电路板连接的，按照预设调制周期对光谱光源进行调制的光源调制装置。

其中，所述光源调制装置包括：设置于所述光源电路板上的电调制电路或机械调制装置。

其中，机械调制装置包括：电机、与所述电机连接的齿轮系以及与所述齿轮系连接的调制板。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型的上述方案中，危险源探测系统通过图像探测单元对危险源区域空间的不同波段的光谱图像数据进行分析处理，并通过监控设备对一个或多个危险源的特征参数以及报警信息进行实时监控与管理，可实现远距离、大范围的一种或多种危险源的监控预警，降低由危险源引起的灾害性事件的发生率，从而有效避免人员伤亡和财产损失。

附图说明

图1为本实用新型实施例的危险源探测系统的一结构框图；

图2为本实用新型实施例的危险源探测系统的另一结构框图；

图3为本实用新型实施例的危险源探测系统的又一结构框图；

图4为本实用新型实施例的危险源探测系统中图像探测单元的一组成结构示意图；

图5为本实用新型实施例的危险源探测系统中图像探测单元的又一组成结构示意图；

图6为图4或图5的图像探测单元中核心处理器的具体组成结构框图；

图7为本实用新型实施例的危险源探测系统中的图像探测单元的应用设置流程示意图；

图8为本实用新型实施例的危险源探测系统的图像探测单元的探测流程示意图；

图9为本实用新型实施例的危险源探测系统的图像探测单元中核心处理器的具体工作流程示意图；

图10为图2或图3的危险源探测系统中光谱发射单元的具体组成结构框图；

图11为本实用新型实施例的光谱光源为不同波段的多个光源时的不同波段光源开闭的时序图；

图12为本实用新型实施例的光谱光源为全光谱光源时的光源开闭时序图；

图13为图2或图3的危险源探测系统中光谱发射单元的波长选择示意图；

图14为本实用新型实施例使用的两个波段发射光谱光源随时间衰减的示意图；

图15为本实用新型实施例的危险源探测系统中光谱发射单元的应用设置流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型针对现有技术中危险源的探测报警系统可探测的危险源的形式大都比较单一，且无法实现对一个区域空间的同时侦测的问题，提供一种危险源的探测系统，实现远距离、大范围的一种或多种危险源的监控预警，降低灾害性事件的发生率。

第一实施例

如图1所示，本实用新型实施例提供一种危险源探测系统，包括：

用于获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据；根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数；在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警，所述特征参数包括：危险源的浓度、减光率、温度和/或温差的图像探测单元；

与所述图像探测单元连接，用于对所述一个或多个危险源的特征参数以及报警信息进行监控与管理的监控设备。

这里需要说明的是，危险源探测系统仅包括图像探测单元以及监控设备时，这里，图像探测单元可以是图像探测设备或图像探测器，监控设备可以是监控器，获取的光谱图像数据是预设防护区域空间内人工光源和/或空间内背景物自然辐射产生的光谱对应的光谱图像数据。

当然，在危险源探测系统中还包括光谱发射单元时，这里，光谱发射单元可以是光谱发射设备或光谱发射机，获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据可具体为获取预设防护区域空间内来自光谱发射单元或物体自身发射或反射形成的不同波段的光谱图像数据。

这里，探测人员可从监控设备上直观地识别到危险源的位置、特征参数等信息。如可以直接采用灰度图像显示气体分布图，也可以采用色系来表达。具体地，假设最大的浓度为C_max，最小为0，而色系最大值为CL_max和最小值为CL_min，则可以计算出当前浓度下色系的表达参数：CL_t＝C_t·(CL_max-CL_min)/C_max，由此用不同颜色表示不同浓度的气体分布。

具体地，本实用新型实施例的危险源探测系统还包括：

与所述图像探测单元配合，用于按照预设时序向所述图像探测单元发射经调制处理的不同波段的光谱的一个或多个光谱发射单元。

这里需要说明的是，设置有光谱发射单元的危险源探测系统，如图2所示，为主动探测危险源系统。也就是说，系统可通过光谱发射单元中的光谱光源发射的光谱，主动获取预设防护区域空间的光谱图像数据。

这里，光谱发射单元布设于预设防护区域空间内，一般情况下的布设数量为多个。光谱发射单元主要有两种形式，一种是光源本身采用多个单一波段的光源通过光学系统形成平行光或小角度光源，即特定光谱波段的光谱发射单元；一种是采用光谱覆盖范围较宽的光源，设置或不设置脉冲调制器，即全光谱光源发射设备。

在设置有光谱发射单元的危险源探测系统为主动探测危险源系统中，图像探测单元对一个或多个危险源的特征参数的计算方法主要依据危险源，如气体、烟气、烟雾等，对不同光谱波段的吸收或遮挡特性的不同来进行。当探测的是某种气体时，光谱发射单元通常会选择一个本征吸收中心波长λ₁和一个参考中心波长λ_r(气体或大气不会对该波长产生衰减)，如此图像探测单元即可立即通过两个波段的衰减计算出相应的气体浓度。

例如针对CH₄光能团气体的侦测，可以选择3.34μm的本征吸收波长和3.05μm的参考波长。当然，如果探测的是烟雾，那么光谱发射单元则可以选择400nm和850nm两个特征波长。显然，气体或烟雾对两个波长光束的衰减不同，通过这种差别，数据分析出气体或烟雾的信息，并区别于水蒸气、灰尘等。这里，双波段或多波段的设计方法可以很大程度上精确计算相关参数，并避免误报警的产生。

再如，如图13所示，为本实用新型实施例的光谱发射单元的波长选择示意图。该图表明对于光路上出现烟雾、粉尘、水汽等情况时，光谱普遍会发生衰减，所以在探测除气体以外的其他危险源时是不同于气体探测方法，也就是气体探测时参考波段通常不发生衰减。这也是用于区分烟雾等其他危险源的重要特征。

这里，通过选择两个合适波段的光谱来区分是哪些物质分散在空气中，最典型的应用就是烟雾探测，例如，选择400nm紫外和850nm近红外两个波段，很显然火灾烟雾对这两个光源的衰减是不一样的，紫外波段的衰减明显高于红外，而对于这两个波段粉尘和水汽的衰减却是一样的，这样就可以很好地区分出是不是烟雾。而当图像探测单元覆盖的视场内设置有多个光谱发射单元时，那么危险源探测系统就可以针对视场空间进行高效的烟雾探测。

具体地，本实用新型实施例的危险源探测系统还包括：

与所述光谱发射单元配合，用于将所述光谱发射单元发射的光谱反射至所述图像探测单元的光谱光源反射板。

这里需要说明的是，在危险源探测系统中加设光谱光源反射板，如图3所示，有利于在一侧调节光谱发射单元，也就是说，为了便于调整光谱发射单元的位置，将光谱发射单元均布设于靠近图像探测单元的一侧时，通过设置在远端的光谱光源反射板将光谱发射单元发射的光谱反射于图像探测单元上形成光谱图像。

本实用新型实施例的危险源探测系统，图像探测单元通过对危险源区域空间的不同波段的光谱图像数据进行分析处理，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数，在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警，从而可实现远距离、大范围的一种或多种危险源的监控预警，降低由危险源引起的灾害性事件的发生率，从而有效避免人员伤亡和财产损失。

第二实施例

如图4所示，为本实用新型实施例的危险源探测系统中图像探测单元的具体组成结构框图。图像探测单元可具体包括：

光学镜头301；

这里需要说明的是，光学镜头301需与光谱摄像机配套使用，光学镜头301的应用是图像探测单元可适用探测距离的重要决定因素之一，光学镜头301的镜头焦距数越大，可探测的距离则越远。

与所述光学镜头301连接，获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据的光谱摄像机302；

这里，光谱摄像机302是针对预设防护区域空间的一个空间区域进行覆盖，即包括水平和垂直视场角，也就是，视场角内任意位置布置的光谱发射单元发射的多波段光束会在图像探测单元上形成图像。光谱摄像机302的光谱响应范围为：280nm～20μm；可具体包括：中短波波段光谱摄像机，光谱的响应范围在280nm～5.0μm之间；长波波段光谱摄像机，光谱的响应范围在7.0μm～20μm之间。

需说明的是，可根据所选的光谱摄像机的类型，选择对应的光谱发射单元或可直接采用预设防护空间内的人工光源或自然辐射源。

例如，危险源探测系统中设置有直射或反射光谱发射单元，需说明的是，反射光谱发射单元中包括有光谱光源反射板，选用中短波波段光谱摄像机；而危险源探测系统中未设置有光谱发射单元时，也就是采用人工光源或自然辐射源的危险源探测系统，选用长波波段光谱摄像机。

这里，光谱摄像机302还可根据探测距离、精度要求的不同，采用制冷型或非制冷型红外摄像机，当然采用制冷型机芯，其噪声等效温差NETD更高，因此探测能力便越强，主要体现在可以探测得更远和更精确。例如非制冷型可以应用到1km～2km，而制冷型则可用于2km～3km或更远的探测。

与所述光谱摄像机302连接，根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数，并在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警的核心处理器303；

设置于所述光学镜头301与所述光谱摄像机302之间，且与所述核心处理器303电连接，将从所述光学镜头301进入的光谱光限定透过预设波段的光谱至所述光谱摄像机302的滤波片切换装置304。

具体地，所述核心处理器303为嵌入式核心处理器，该嵌入式核心处理器一般采用数字信号处理器DSP或现场可编程门阵列FPGA或多ARM处理器如图6所示，具体可包括：

根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数，并在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，触发报警的核心处理电路3031；

这里，核心处理电路3031具体的分析处理过程如下：

首先，获取预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据；

这里需要说明的是，预设防护区域空间内设置有各种生产或储存危化品的装置、容器、罐等。所述预设防护区域空间可以是开阔区域、建筑物、生产区等。危险源探测系统可对波长在280nm～20μm范围内的光谱波段进行识别响应，获取在该范围内的光谱图像数据。

这里，其具体处理过程可以包括：接收预设防护区域空间内不同波段的光谱光源、人工光源和/或空间内背景物自然辐射产生的光谱，所述光谱包括：本征响应波段光谱及参考波段光谱；对所述光谱进行响应处理，获取所述预设防护区域空间的不同波段的光谱图像数据，所述光谱图像数据包括：本征响应波段光谱图像数据及参考波段光谱图像数据。

需要说明的是，危险源对不同光谱波段的吸收或遮挡特性不同，一般气体或大气不会对参考波段的波长产生衰减，不同气体的本征吸收波段，即上述所述的本征响应波段与参考波段不同。也就是说，不同气体的本征吸收波段的波长会因气体或大气的影响而产生不同的衰减。

其次，根据计算出的所述不同波段的光谱图像数据的差异或变化量，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数；

这里需说明的是，预设防护区域空间内的危险源包括：危化品的泄露，如气体、液体或粉尘，或者活性金属的外露发生的化学反应，或储藏物品发生阴燃而产生烟雾或有毒气体等。

这里，其具体处理过程可以包括：第一，分别对所述本征响应波段光谱图像数据以及参考波段光谱图像数据进行预处理，确定所述本征响应波段光谱图像数据中对应的像素点的本征强度背景值以及参考波段光谱图像数据中对应的像素点的参考强度背景值；

这里更详细的处理过程包括：分别获取所述本征响应波段光谱图像数据中对应的像素点的本征初始强度值以及参考波段光谱图像数据中对应的像素点的参考初始强度值；在第一预设周期内分别对所述本征初始强度值以及所述参考初始强度值进行滤波平均估算，得到所述本征响应波段光谱图像数据中对应的像素点的本征强度背景值以及所述参考波段光谱图像数据中对应的像素点的参考强度背景值。

第二，实时探测所述本征响应波段光谱图像数据中对应的像素点的本征测量强度值以及参考波段光谱图像数据中对应的像素点的参考测量强度值；

第三，对所述本征强度背景值、所述参考强度背景值、所述本征测量强度值以及所述参考测量强度值进行处理计算，得到所述预设防护区域空间内一个或多个危险源的特征参数。

这里，其具体处理过程包括：在第二预设周期内根据所述本征测量强度值与所述参考测量强度值之比、所述本征强度背景值与参考强度背景值之比以及公式R_t＝R₀·e^{-[(E(λl)-E(λr))·C·L]}，计算得到所述预设防护区域空间内危险源的特征参数；其中，R_t表示所述本征测量强度值与所述参考测量强度值之比之比，R₀表示所述本征强度背景值与所述参考强度背景值之比，λl表示本征波段波长，λr表示参考波段波长，E(λ)表示一指数函数，L表示光路的长度，C表示危险源的浓度。

这里需要说明的是，公式R_t＝R₀·e^{-[(E(λl)-E(λr))·C·L]}，是基于比尔-朗伯beer-lambert定律，即I_t＝I₀·e^-E(λ)·C·L推算得到的；这里，I_t为光谱图像像素点的实时强度值；I₀为光谱图像像素点的初始强度值；E(λ)为一指数函数，取决于吸收物质的化学特性。

这里，R_t＝I_t,l/I_t,r，其中I_t,l表示本征测量强度值，I_t,r表示参考测量强度值；R₀＝I_0,l/I_0,r，其中，I_0,l表示本征强度背景值，I_0,r表示参考强度背景值，最后，根据公式R_t＝R₀·e^{-[(E(λl)-E(λr))·C·L]}，最后得到危险源的浓度为：

这里需要说明的是，第二预设周期一般大于第一预设周期。

这里需要说明的是，在所述危险源探测系统对应的图像探测单元满足高精度要求时，则对危险源的探测可实现精细划分。

例如，图像探测单元所采用的滤波片为高通滤波片，有利于增强背景红外辐射通亮，进而更准确分析气体浓度，适用于自然背景辐射式被动探测设备，也适合更好地探测温度。当然，气体的浓度不是直接从单一红外图像上计算出来的，而是通过两个热像图数值的对比进行计算。

图像探测单元中的光谱摄像机受到的红外辐射通量可以描述如下：

其中，τ_i是光谱摄像机的谱响应；

τ_a，τ_f，τ_c分别是大气、所采用的滤波片和气体云的光谱透过率；

L_bk，L_c，L_a分别是背景场景、气体云和大气的光谱强度；

假设预设防护区域空间的视场区域分别出现热区T_h和冷区T_C，那么冷热区的像素点比较为：

此式独立于气体或大气的热释放，仅仅是背景场景和气体云透射率的函数。而透射率遵从比尔-朗伯定律对通过光路上气体浓度进行测量：

其中，α是气体的吸收系数；

C是光路局部位置上的气体浓度；

l是光路。

如此，对危险源的探测可通过上述的积分运算，在不忽略大气及气体云对光路影响的情况下，更加精确的算得危险源的特征参数。也就是说，采用上述算法可分辨出预设防护区域空间内的气体浓度是由于大气或气体云造成的还是由于危险源的泄露造成的。

最后，在所述特征参数大于或者等于预设阈值时，触发报警，所述特征参数包括：危险源的浓度、减光率、温度和/或温差。

这里，其具体处理过程包括：判断所述一个或多个特征参数是否大于或者等于预设阈值；在所述一个或多个特征参数大于或者等于预设阈值且持续预设时间后，获取一个或多个危险源的位置信息，并触发报警。

与所述核心处理电路3031连接的输入输出接口电路3032；

需说明的是，图像探测单元的所有数据信息和报警信息全部通过输入输出接口电路3032进行传输。

与所述核心处理电路3031以及输入输出接口电路3032均电连接的，向所述图像探测单元提供电源供给的第一内部供电电路3033。

具体地，本实用新型实施例的所述滤波片切换装置304，包括：特定波段滤波片或多光谱滤波片转轮系统，所述多光谱滤波片转轮系统设置有多波段滤波片。

需说明的是，滤波片切换装置304为特定波段滤波片时，特定波段滤波片可允许对应光谱波段的光投射到光谱摄像机上成像，这里，光谱发射单元可采用光谱分布较窄的光谱光源，也就是特定光谱波段的光谱发射单元。

在滤波片切换装置304为多光谱滤波片转轮系统时，光谱发射单元可采用光谱分布较广的光谱光源。

这里，该多光谱滤波片转轮系统设置有多波段滤波片，该多光谱滤波片转轮系统会按照一定的时间周期进行轮转，每个位置上设置有一片窄带或高通滤波片，通过这些滤波片得到一系列的光谱图像，核心处理器上303的核心处理电路3031通过对这些光谱图像的分析处理，得到危险源的浓度、温度等特征参数。

通过多光谱滤波片转轮系统的使用，可以获取对应气体的本征吸收波段光谱图像和参考波段光谱图像，另外还可以获得多种气体的对应图像信息，从而进行一种或多种气体或危险源的分析处理。多光谱滤波片转轮系统也可以采用高光谱光学系统，使得多光谱滤波片转轮系统可以每隔20nm获取一个特征光谱图像，这样就可以同时进行多种气体的分析。

例如，对于全光谱光源发射设备和自然背景辐射的应用，多光谱滤波片转轮系统上的滤波片可以采用高通滤波片，如采用6μm、8.5μm、9.6μm截止高通滤波片，用于探测VOC(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)气体；对于特定光谱波段的光谱发射单元，滤波片则以采用窄带滤波片为主，如可选用3.34μm特征波段和3.05μm特征波段滤波片来探测VOC气体。

具体地，如图5所示，所述图像探测单元还包括：可见光镜头305；分别与所述可见光镜头305以及所述核心处理器303连接，与所述可见光镜头305配合，获取所述预设防护区域空间的不同波段的可见光图像以及可见光图像数据的可见光摄像机306。

这里，在图像探测单元包括可见光镜头305以及可见光摄像机306时，图像探测单元中的核心处理器303还可获取所述预设防护区域空间的不同波段的可见光图像以及可见光图像数据；将所述位置信息以及特征参数通过对应坐标映射叠加于所述可见光图像。

这里需要说明的是，可见光摄像机306不是该图像探测单元所必须的。若图像探测单元中设置有可见光摄像机306时，光谱摄像机302的视频图像和可见光摄像机306的彩色或黑白图像往往可以进行融合显示，以快速显示和表示问题点，有利于将危险源的位置信息以及特征参数通过对应坐标映射叠加于可见光图像上，可实现危险源的可视化，还可及时准确标示预设防护区域空间的危险源。

需要说明的是，图像探测单元还包括外壳，用于对内部组成部件及电路的保护，而且根据应用场所的不同可定制不同的外壳，如爆炸性场所需要的防爆型外壳等。

需说明的是，图像探测单元的工作流程基本为应用设置，也就是前期准备过程，以及具体探测过程。

下面结合图7以及图8，分别具体说明图像探测单元的应用设置流程以及探测流程。

如图7所示，为本实用新型实施例的危险源探测系统中的图像探测单元的应用设置流程示意图。下面结合该图具体说明图像探测单元的具体应用流程。

需要说明的是，对于主动探测系统来讲，图像探测单元最主要的工作就是识别预设防护区域空间的视场区域中的每一个光谱发射单元，并且实现对不同光谱图像的复合处理；对于被动探测系统而言，图像探测单元主要的工作是进行不同光谱波段下图像的背景自学习提取及不同光谱图像的位置匹配，并与可见光图像进行融合。其具体流程如下：

S101，设置图像探测单元视场覆盖区域内的光谱发射单元的数量；

需说明的是，上述步骤是在完成光谱发射单元设备的调整后执行的。

S102，图像探测单元通电激活，自行扫描空间视场图像；

S103，自学习光谱图像的背景，提取光谱光源的位置、测试背景以及信号强度；

S104，判断测试背景或光源强度是否超出预设阈值；

若是，则进入危险源探测运算流程；若否，则执行步骤S105。

需说明的是，本步骤中图像探测单元需要进行光源数量和背景适用性的判断。

S105，图像探测单元报错，指示调整修改。

这里，图像探测单元报错表明光谱发射单元的光源强度、背景适用性不满足预设条件，或者光源数量不满足预设数量，系统则需要进一步调整，或者重新选择光谱发射单元的强度，直到光谱发射单元和图像探测设备完全匹配，或者视场图像符合探测要求，即进入探测算法流程。

接着，如图8所示，为本实用新型实施例的危险源探测系统的图像探测单元的探测流程示意图。下面结合该图具体说明图像探测单元的探测流程。

首先需要说明的是，图像探测单元的探测的本质是：第一，侦测出危险源对光谱发射单元的光谱光源或实物背景产生的光源强度或者光谱图像背景的吸收作用、衰减作用、遮挡作用或辐射作用而产生的阵列传感器，也就是光谱图像的像素点，的变化量；这里，危险源包括爆炸性或有毒有害气体、烟雾、粉尘或者温度异常等。第二，根据阵列传感器，即光谱图像的像素点的变化量，计算危险源的浓度或变化量。而阵列传感器持续进行光源背景更新或者背景更新，以避免环境光源、人工光源等的影响。例如，对于多波段光谱光源，具体处理方法如下：

假设S_n,m,BKG(t)表示t时刻第n个光源第m波段在光谱图像中的像素点强度背景值，而I_n,m(t)则代表t时刻第n个光源第m波段的实时像素点探测强度。背景的建立的方法较多，常用的包括混合高斯模型等，当然，加权法则是最为简单的一种，如下描述，并由此可以求得对应的变化量ΔI_n,m(t)，从而求得危险源的浓度。

S_n,m,BKG(t)＝S_n,m,BKG(t-1)+k·[S_n,m,BKG(t)-S_n,m,BKG(t-1)]

ΔI_n,m(t)＝S_n,m,BKG(t)-I_n,m(t)

C_n,m(t)＝f(ΔI_n,1(t),ΔI_n,2(t)...,ΔI_n,m(t))

这里，图像探测单元的探测流程的具体步骤如下：

S201，确定图像探测单元正式运行，制冷、机械部件或电气部件等自检；

S202，判断图像探测单元是否正常；

若是，则执行步骤S203；若否，则执行步骤S204。

S203，提取不同波段图像的像素点强度值，在第一时间周期内进行滤波平均计算，得到最新背景或光斑初始值；

这里，第一时间周期与第实施例中的第一预设时间周期相同。

S204，返回人工处置；

S205，实时测量不同波段图像中各像素点的强度值，在第二时间周期内进行对比运算，得到气体、烟气特征参数或计算浓度指标；

S206，判断是否存在危险源；

若是，则执行步骤S207；若否，则返回步骤S201。

这里需要说明的是，通过步骤S205中得到气体、烟气特征参数或计算浓度指标与对应的预设阈值进行比较判断，在气体、烟气特征参数或计算浓度指标中任一项大于对应的预设阈值时，则判断存在危险源，执行步骤S207。

S207，进入报警流程。

需要说明的是，本实用新型的危险源探测系统的图像探测单元中核心探测处理部件为核心处理器，下面结合图9详细说明核心处理器的工作流程。

S301，获取光学镜头中的目标图像数据；

这里，目标图像数据是指预设防护区域空间中的存在物的图像。

S3021，获取光谱摄像机在特定波段的图像数据；

这里，特定波段是指本征吸收波段及参考波段。

S3022，获取可见光摄像机在特定波段的图像数据；

S3031，存储不同波段时间序列图像数据；

这里，不同波段时间序列图像数据是指不同波段的光谱具有各自的预设周期，也就是预设防护区域空间的不同波段的光谱光源的开启时间不同，并按照各自的预设周期进行光谱发射。

S3032，存储可见光时间序列图像数据；

S304，计算比较所有摄像机获取的时间序列图像数据，提取差异点；

这里需要说明的是，所有摄像机是指图像探测单元中的摄像机，可包括：光谱摄像机以及可见光摄像机。

这里，对于获取的时间序列图像数据差异点的提取参照第七实施例中的方法步骤即可，这里不再赘述。

S305，根据图像数据分析检测目标的浓度或相关数据；

这里，目标的浓度是指预设防护区域空间内气体、烟雾、灰尘或蒸汽的浓度等，而相关数据可包括预设防护区域空间内的减光率、温度和/或温差等。

S306，通过将对应坐标映射的检测目标图像叠加到可见光图像上，形成复合图像；

这里需说明的是，形成的复合图像可直观上确定检测目标图像在预设防护区域空间内的具体位置，重点在于显示危险源的发生、发生和扩散状况，准确定位危险源的位置和问题，提供极早期的处理。

S307，存储记录各种数据和复合图像，并通过网络传输信号；

这里需说明的是，通常视频信号的传输需通过压缩编码处理后再传输。

S308，判断危险源程度是否超过预设阈值；

若是，则执行步骤S309；若否，则返回步骤S301，继续获取光学镜头中的目标图像数据。

S309，触发报警。

需说明的是，该核心处理器的工作流程是图像探测单元中包括可见光摄像机时的处理流程。在图像探测单元中未设置可见光摄像机时步骤S3022、步骤S3032以及步骤S306可省略。也就是说，对于没有可见光摄像机的系统，也可以将异常点和数值标示在光谱图像上。

第三实施例

如图10所示，为本实用新型实施例的危险源探测系统中光谱发射单元的具体组成结构框图。光谱发射单元可具体包括：

光谱光源401；

这里需要说明的是，光谱光源401包括不同波段的多个光源或具有预设光谱响应范围的全光谱光源。

例如，光谱光源可采用单一波段的LED(Light Emitting Diode，发光二极管)或光源，而且根据探测的需要可以在灯芯中设置2个或以上波段的LED或光源，并且通过电调制使得每一个光源的开关时间不同，但总的周期一致。

举例说明，如图11所示，为光谱光源为不同波段的多个光源时的不同波段光源开闭的时序图。通常情况下，所有发射光源开启关闭轮替一周的周期设为T，为了使图像探测单元能够识别当前发射光源的类型，不同的光源开启时间可不相同。例如，对于采用λ1为400nm和λ2为850nm两个波段光源的情况，实际应用中周期T＝3.5s，其中T1＝1s，T2＝1.5s，中间间隔时间分别是0.5s。图像探测单元以不少于10f/s的速度进行采样，由此可以区分出是紫外光还是红外光。图像探测单元根据时序采得的图像进行分析，计算出对应烟雾或气体的浓度，或者灰尘和蒸汽的浓度。

而对于采用全光谱光源的情况，如图12所示，经调制后形成周期为T，开启时间为T1的全光谱光源，此时对应光谱波段的选择主要是通过滤波片的转动轮盘，也就是多光谱滤波片转轮系统来完成。

所有的设置主动光源的危险源探测系统，光谱发射单元均采用调制的方式，还有一个很重要的作用是防止误动作和环境光的干扰，并在光源发生问题时及时报出故障信号。图像探测单元会不断学习提取光源成像背景作为基准值，当出现气体、烟雾或粉尘时，相对于基准值，相应光谱波段的光会被吸收，吸收的强度可以与参考波段的数值进行比较，从而计算对应的浓度参数。

驱动与控制所述光谱光源401的光源电路板402，所述光源电路板402上设置有所述光谱光源401；

这里，光谱光源401通常焊接放置于光源电路板402上，光谱光源401往往自带聚光杯，形成角度为60°～120°的发射角度。

设置于所述光源电路板402的一侧，使光谱光源401形成预设角度的发射光束的光学系统403；

这里，光学系统403包括形成平行光或小角度光源的凹面镜、凸透镜、多凸透镜或菲涅尔透镜。这里光源通过光学系统403形成的光束的初射角为5°左右。

例如，当光谱光源401为全光谱光源时，通过光学系统403形成角度为θ的发射光束，通常情况下θ的角度在5°～10°范围内，这样便于图像探测单元接收成像或者便于光谱光源反射板进行光源反射。

与所述光源电路板402连接，对光谱光源401进行调制与控制的控制电路板404；

与所述控制电路板404连接，检测光源的衰减程度的光电传感器405；

这里，光电传感器405主要用于进行对光谱光源401的反馈，检测光谱光源401的衰减程度，并通过调整光谱光源401的电流值保持出射光的强度。

例如，如图14所示，为本实用新型使用的两个波段发射光谱光源随时间衰减的示意图。该图表明无论光谱发射单元是何类型，如主动光源、背景人工光源、自然光源辐射，如何布置，如直射或反射，光谱光源都存在变化和衰减。

通常情况下，处理光谱光源衰减的方法有两种。方法之一可使用光电传感器，具体的，通过光电传感器感知光源强度变化，当强度变弱时，即控制电流增加以保持一个稳定值，也就是作光源电流的补偿。

另一种方法则是通过图像探测单元的自适应保证探测，当光源自然衰减超过预设的限度时，系统报故障，更换光谱光源。

与所述光源电路板402以及所述控制电路板404电连接的，向所述光谱发射单元提供电源供给的第二内部供电电路406。

这里，需要说明的是，控制电路板404主要用于控制光谱光源401的电调制或控制机械调制装置进行调制，还通过PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方法控制光谱光源401的功率及发射强度，同时接收光电传感器405的信号，确认光谱光源401处于正常工作状态。

具体地，本实用新型实施例的光谱发射单元还可包括：与所述控制电路板404连接的，按照预设调制周期对光谱光源进行调制的光源调制装置，图中未显示。

更具体地，所述光源调制装置包括：设置于所述光源电路板402上的电调制电路或机械调制装置。

这里，光谱光源的调制方式包括电调制及机械调制。采用电调制对光谱光源进行调制时，可形成周期T的调制光，每一种波段的光源设定开启时间为T_Oi，关闭时间为T_Ci。这种电调制方式主要是用于光谱光源响应较快，辐射可以快速开关的情况，例如采用400nm和850nm的LED，则可以进行电调制；

而对于难以通过电调制的光谱光源，这里主要是由于光源开关条件下，灯芯温度依然很高，会发出较强的辐射能，则采用机械调制的方式。

需说明的是，机械调制装置包括：电机、与所述电机连接的齿轮系以及与所述齿轮系连接的调制板。

这里，电机和齿轮系带动调制板以一定的周期转动，形成需要的光源调制波形。若图像探测单元采用背景自然辐射进行探测时，则无需光调制。

这里需要说明的是，对于全光谱光源，当光源调制不便时，设置机械调制装置是很好的选择，可获取特定周期的光谱成像。可见最佳的调制还是要设置在光源端，这样可以较好的区分环境的影响，因为只有符合调制规律的光才是真正的光源，其他的光源都是环境干扰光。

下面结合图15，详细说明光谱发射单元的具体应用流程。

需要说明的是，采用光谱发射单元的危险源探测系统为主动探测系统，该系统可靠且精度高，因此系统的光源设置就显得比较重要。无论是不同波段的多个光源，还是全光谱光源，也无论是电调制，还是机械调制，光谱发射单元的出射光需要按照特定的周期进行开启和关闭，这样在使用时就需要遵从如下流程。

S401，根据图像探测单元与光谱发射单元之间的距离以及预设防护区域空间的环境情况，确定光源的强度等级；

通常情况下，光谱光源会通过拨码开关或软件设置进行光源强度的设置，主要是控制光源的控制驱动电流。

S402，调定光谱发射单元的光谱光源发射方向；

这里，光源的强度等级设置完后，光谱发射单元通电开启，探测人员可以通过激光笔调整光谱发射单元的方向，以对准图像探测单元的光学镜头的位置。这里，对准的程度要求并不高，只需大致对准图像探测单元的位置即可。

S403，判断光谱光源是否按照预设的频率闪烁；

若是，则进入图像探测单元的操作流程；若否，则执行步骤S404。

这里，采用测试设备或图像探测单元接收光谱光源的信号，设定软件可以对光谱光源的类型、周期等进行识别判断，若光谱发射单元的光谱光源按照预设的频率闪烁，即光谱光源正常工作，整个危险源探测系统即可进入图像探测单元操作流程。

S404，检查接线、设备，定位故障。

这里需要说明的是，若检测到光谱发射单元存在问题，返回步骤S401，也就是对光谱发射单元做进一步调定，包括光源强度、方向等。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种危险源探测系统，其特征在于，包括：

图像探测单元；

与所述图像探测单元连接的监控设备；

所述图像探测单元包括：

光学镜头；

与所述光学镜头连接的光谱摄像机；

与所述光谱摄像机连接核心处理器；

设置于所述光学镜头与所述光谱摄像机之间，且与所述核心处理器电连接，滤波片切换装置；

所述滤波片切换装置包括：特定波段滤波片或多光谱滤波片转轮系统，所述多光谱滤波片转轮系统设置有多波段滤波片；

所述核心处理器为嵌入式核心处理器，包括：

核心处理电路；

与所述核心处理电路连接的输入输出接口电路；

与所述核心处理电路以及输入输出接口电路均电连接的第一内部供电电路。

2.根据权利要求1所述的危险源探测系统，其特征在于，还包括：

与所述图像探测单元配合的一个或多个光谱发射单元。

3.根据权利要求2所述的危险源探测系统，其特征在于，还包括：

与所述光谱发射单元配合的光谱光源反射板。

4.根据权利要求1所述的危险源探测系统，其特征在于，所述图像探测单元还包括：

可见光镜头；

分别与所述可见光镜头以及所述核心处理器连接，与所述可见光镜头配合的可见光摄像机。

5.根据权利要求2所述的危险源探测系统，其特征在于，所述光谱发射单元包括：

光谱光源；

光源电路板，所述光源电路板上设置有所述光谱光源；

设置于所述光源电路板的一侧的光学系统；

与所述光源电路板连接的控制电路板；

与所述控制电路板连接的光电传感器；

与所述光源电路板以及所述控制电路板电连接的第二内部供电电路。

6.根据权利要求5所述的危险源探测系统，其特征在于，所述光谱光源包括不同波段的多个光源或具有预设光谱响应范围的全光谱光源。

7.根据权利要求5所述的危险源探测系统，其特征在于，所述光谱发射单元还包括：

与所述控制电路板连接的光源调制装置。

8.根据权利要求7所述的危险源探测系统，其特征在于，所述光源调制装置包括：设置于所述光源电路板上的电调制电路或机械调制装置。

9.根据权利要求8所述的危险源探测系统，其特征在于，机械调制装置包括：电机、与所述电机连接的齿轮系以及与所述齿轮系连接的调制板。