CN212433922U - 一种火灾监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种火灾监测系统。所述系统包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的信号调理模块和电机驱动模块，与信号调理模块相连的红外传感器，与电机驱动模块相连的用于驱动转动头的水平电机，还包括与转动头机械交连的光处理装置，光处理装置用于在转动头的带动下，通过在360°范围内进行水平扫描、同时在竖直平面扫描来收集光线，并对光线进行反射、聚焦、滤波处理后，使包含火灾特征波段的多个波段光谱轮流投射到红外传感器的靶面上。本实用新型拓展了火灾探测范围，提高了检测灵敏度和精度，消除了日光、人工光源和一般热源光谱的影响，降低了误报率。

Description

一种火灾监测系统

技术领域

本实用新型属于火灾探测预警技术领域，具体涉及一种基于红外检测的火灾监测系统。

背景技术

目前，对于近距离建筑内外的火灾探测技术已经比较成熟。现有技术主要通过对火灾的燃烧产物(如气体、烟雾、温度、火焰等)的检测判断是否有火灾发生。这些技术都面临一个很大的问题，探测距离非常有限，通常情况下100m是一个标准距离，部分设备能达到200～300m。

在实际应用中，有些场景对探测距离和覆盖面积有很严格的要求，例如对于森林、草原火灾的探测，往往要求探测距离达到几公里或几十公里。因此，一般传统的探测方法已无法满足要求。近二十年来，随着图像分析技术的发展，人们开始针对大范围可变视场摄像机的图像进行烟雾和火焰的分析，但是由于自然界中误报源很多，使得该项技术的应用受到较大的限制。这一阶段最典型的代表技术是德国FireWatch的系统。FireWatch采用特定波段(植被反射弱)的BW摄像机，可以获得相对比较好的烟雾图像，这一定程度上提升了探测的能力。近年来在中国开始应用比较多的技术是基于红外热成像摄像机和可见光摄像机的双目摄像机探测技术，如公开号为CN104269013A、名称为“一种森林探火系统及方法”实用新型专利，利用红外热成像摄像机获得与温度辐射相关的参数，如温度或者成像灰度值，结合两种图像的分析实现火灾探测。然而，这些技术都存在探测距离近、误报率偏高等问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种火灾监测系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种火灾监测系统，所述系统包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的信号调理模块和电机驱动模块，与信号调理模块相连的红外传感器，与电机驱动模块相连的用于驱动转动头的水平电机，还包括与转动头机械交连的光处理装置，光处理装置用于在转动头的带动下，通过在360°范围内进行水平扫描、同时在竖直平面扫描来收集光线，并对光线进行反射、聚焦、滤波处理后，使包含火灾特征波段的多个波段光谱轮流投射到红外传感器的靶面上。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过设置中央处理单元、信号调理模块、红外传感器、电机驱动模块、水平电机和光处理装置，光处理装置用于在转动头的带动下，通过在360°范围内进行水平扫描、同时在竖直平面扫描来收集光线，并对光线进行反射、聚焦、滤波处理后，使包含火灾特征波段的多个波段光谱轮流投射到红外传感器的靶面上，实现了对火灾的自动探测。由于设置了能够对光线进行反射、聚焦、滤波等处理的光处理装置，进行基于包含火灾特征波段的多波段红外光谱检测，消除了日光、人工光源和一般热源光谱的影响，提高了火灾探测范围和精度，降低了误报率。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种火灾监测系统的组成框图；

图2为光处理装置的结构示意图。

图中：1-中央处理单元，2-信号调理模块，3-红外传感器，4-光处理装置，41-主反射镜，42-光学吊舱，43-切换电机，44-竖直电机，45-第一滤光片，46-第二滤光片，5-电机驱动模块，6-水平电机，7-转动头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型实施例一种火灾监测系统，组成框图如图1所示，所述系统包括：中央处理单元1，与中央处理单元1相连的信号调理模块2和电机驱动模块5，与信号调理模块2相连的红外传感器3，与电机驱动模块5相连的用于驱动转动头7的水平电机6，还包括与转动头7机械交连的光处理装置4，光处理装置4用于在转动头7的带动下，通过在360°范围内进行水平扫描、同时在竖直平面扫描来收集光线，并对光线进行反射、聚焦、滤波处理后，使包含火灾特征波段的多个波段光谱轮流投射到红外传感器3的靶面上。

在本实施例中，所述系统主要由中央处理单元1、信号调理模块2、红外传感器3和光处理装置4组成。中央处理单元1分别与信号调理模块2和电机驱动模块5相连，红外传感器3与信号调理模块2相连。其中，

中央处理单元1，是系统的数据处理与控制中心，主要用于进行数据处理和通过输出控制信号协调各模块的工作。中央处理单元1一般由微处理器及数据存储器等组成。

红外传感器3，主要用于将感应到的不同波段的红外辐射光转换成微弱的电信号，经信号调理模块2放大变换后送到中央处理单元1，中央处理单元1根据对应不同波段红外光谱的电信号的大小，按照一定的算法判断是否发生火灾。为了减小环境高温的影响，红外传感器3一般采用制冷型红外传感器。制冷型红外传感器工作时，其自带制冷机能够降低自身的温度，与非制冷型红外传感器相比，具有灵敏度更高、精度更高、检测温度范围更广等优点。当然，其缺点是耗能较大、成本较高。

信号调理模块2，主要用于对红外传感器3输出的微弱电信号进行放大、高速数据采集(模数变换)、滤波等处理，将输出的数字信号送至中央处理单元1。

光处理装置4，主要用于有效收集现场的光线并使其照射到红外传感器3的靶面上。由于本实施例是基于火焰发出的红外光谱进行火灾检测，因此，应使光处理装置4能够宽范围地有效接收现场的光线。为此，将光处理装置4设计成能够在以其安装位置为中心的360°范围内进行水平扫描、且能在竖直平面内进行扫描，以明显提高监测范围。所谓扫描是对光处理装置4中接收光线的部件(如反射镜)旋转时其光轴运动轨迹的形象描述。光处理装置4还能对收集的光线进行反射、聚焦、滤波(或滤光)等处理，不仅提高了照射到红外传感器3上的光线的强度，还能通过滤波处理获得包括火灾特征波段的多波段光谱。中央处理单元1通过将检测到的火灾特征波段的信号与不同于该波段的信号进行比较判断是否发生火灾。本实施例由于采用包含火灾特征波段的多波段红外检测技术，提高了火灾检测精度；同时，由于采取了滤波处理，还可以消除日光、人工光源和一般热源光谱的干扰，降低误报率。

作为一种可选实施例，所述信号调理模块2包括相互连接的前置放大器和数据采集电路。

本实施例给出了信号调理模块2的一种技术方案。所述信号调理模块2主要由前置放大器和数据采集电路组成。前置放大器用于对红外传感器3输出的微弱信号进行放大，一般包括线性放大器和对数放大器，线性放大器主要用于满足增益要求，对数放大器用于提高动态范围(提升小信号压制大信号)。数据采集电路主要用于在中央处理单元1的作用下，将模拟信号转换成数字信号，一般由ADC芯片构成。

作为一种可选实施例，所述光处理装置4包括：与电机驱动模块5相连的切换电机43和竖直电机44，还包括安装在转动头7上的主反射镜41、位于转动头7下方主要由多个反射镜组成的光学吊舱42、位于光学吊舱42下方安装在转盘上的第一滤光片45和第二滤光片46，光线经主反射镜41及光学吊舱42内的多个反射镜后照射到第一滤光片45或第二滤光片46上；主反射镜41在转动头7带动下水平旋转，同时还在竖直电机44驱动下以明显高于水平旋转速度的速度在竖直平面旋转；主反射镜41水平旋转一周或半周为一个扫描周期，在每个扫描周期结束时，切换电机43带动转盘水平旋转，将与光学吊舱42对正的第一滤光片45或第二滤光片46切换为第二滤光片46或第一滤光片45；第一滤光片45能够透过火灾特征波段的光谱，第二滤光片46能够透过不同于所述火灾特征波段的光谱。

本实施例给出了光处理装置4的一种技术方案。光处理装置4由光学部件、电气部件和机械部件三部分组成。光学部件主要包括主反射镜41、光学吊舱42、第一滤光片45和第二滤光片46；电气部件主要包括切换电机43和竖直电机44；机械部件主要包括转动头7、转盘以及电机与被驱动部件之间的传动机构。现场光线由主反射镜41接收，再经光学吊舱42内多个反射镜进行反射、聚焦等处理后，照射在第一滤光片45或第二滤光片46上进行滤波处理，使第一滤光片45只透过火灾特征波段的光谱，第二滤光片46透过不同于所述火灾特征波段的光谱。转动头7在水平电机6驱动下水平旋转，带动主反射镜41也进行水平旋转，从而能够接收360°范围内的光线，即实现水平方向360°扫描。由于主反射镜41能够有效接收光线的最大视角有限，水平旋转只能保证水平方向有最大的监视范围，无法保证竖直方向没有监视死角。为此，本实施例设置了竖直电机44，驱动主反射镜41在竖直平面作高速旋转(可达每秒20转)，即其光轴线在竖直平面进行扫描，大大提高了主反射镜41在竖直方向的监视范围。主反射镜41在进行竖直扫描时，可在其朝向正面和反面的一定俯仰角范围内均采集数据，因此，主反射镜41水平旋转半周即180度就可以完成一周360度范围内的数据采集。在这种情况下，主反射镜41水平旋转半周就是一个扫描周期。当然，也可以只在主反射镜41朝向正面时采集数据，这种情况下，主反射镜41水平旋转一周为一个扫描周期。在每个扫描周期结束时，切换电机43带动转盘水平旋转，切换与光学吊舱42对正的滤光片。也就是说，两个滤光片轮流工作在不同的扫描周期。竖直电机44及其传动机构和主反射镜41均安装在转动头7上；切换电机43、两个滤光片及固定它们的转盘均安装在光学吊舱42内；转动头7与光学吊舱42之间采用轴承和电滑环承重连接，转动头7转动时光学吊舱42不动。值得说明的是，本实施例只是给出了一种较佳的实施方式，比如虽然只设置两个滤光片获得两个波段的光谱，但并不限于两个，也可以设置3个甚至更多的滤光片获得更多波段的光谱。

作为一种可选实施例，所述系统还包括：与中央处理单元1相连的摄像机，与电机驱动模块5相连的俯仰电机，摄像机和俯仰电机安装在转动头7上，转动头7带动摄像机水平旋转，俯仰电机能够通过俯仰机构带动摄像机在竖直平面转动；中央处理单元1通过对摄像机输入的视频信号进行图像处理判断是否发生火灾。

本实施例给出了基于视频图像处理检测火灾的一种技术方案。本实施例的视频检测是红外检测的补充，当红外检测结果为发生火灾时，可利用视频检测进一步确认，以提高火灾检测的精度，减小误报率。另外，还可用于形成光谱遥感的全景彩色图，以便进行实时图像监视。视频检测部分主要由与中央处理单元1相连的摄像机、与电机驱动模块5相连的俯仰电机组成。摄像机主要用于拍摄现场的视频图像，一般采用数码摄像机，直接输出数字视频信号至中央处理单元1。其中，

摄像机安装在转动头7上，转动头7带动摄像机水平旋转，从而使摄像机能够实时拍摄其周围360°范围内的视频图像。

俯仰电机也安装在转动头7上，通过俯仰机构与摄像机机械连接。俯仰机构一般由蜗轮蜗杆或齿轮组成，俯仰电机通过俯仰机构可带动摄像机在竖直平面转动，即上仰或下俯。通过改变摄像机的俯仰角(光轴线与水平面的夹角)，可扩展在竖直方向的监视范围。比如，摄像机以一个固定的俯仰角水平旋转一周或几周后，将俯仰角向上或向下步进一个角度继续水平旋转，直到达到上极限位置或下极限位置，然后向相反的方向改变俯仰角。这样就可以实现竖直方向的全景覆盖。俯仰电机一般采用步进电机，有利于进行精确控制。作为一种改进技术方案，可以取消俯仰电机，在竖直方向安装多个固定视场摄像机。例如，可以将多个摄像机安装在转动头7的圆柱侧面上，所有摄像机的光轴线位于同一竖直平面内，且具有不同俯仰角。摄像机的数量由竖直方向覆盖的角度和单个摄像机的竖直视场角决定。假设需要覆盖竖直方向70°，使用25°竖直视场角的摄像机，则至少需要3个摄像机。通常情况下摄像机的视场角重叠一个△Φ角度，△Φ一般取1°～2°。改进前的技术方案，需要旋转多周后才能在竖直方向获得大视场角；改进后的技术方案，由于多个不同俯仰角的摄像机同时工作，通过图像拼接算法一个扫描周期便可在竖直方向获得大的视场角。

作为一种可选实施例，所述系统还包括与中央处理单元1相连的角度传感器和限位开关。

在本实施例中，为了实现摄像机俯仰角度的精确控制，在俯仰机构上安装与中央处理单元1相连的角度传感器，用于测量摄像机在竖直平面转过的角度；为了简化控制，在俯仰机构上安装多个与中央处理单元1相连的限位开关。

Claims (5)

1.一种火灾监测系统，其特征在于，包括：中央处理单元，与中央处理单元相连的信号调理模块和电机驱动模块，与信号调理模块相连的红外传感器，与电机驱动模块相连的用于驱动转动头的水平电机，还包括与转动头机械交连的光处理装置，光处理装置用于在转动头的带动下，通过在360°范围内进行水平扫描、同时在竖直平面扫描来收集光线，并对光线进行反射、聚焦、滤波处理后，使包含火灾特征波段的多个波段光谱轮流投射到红外传感器的靶面上。

2.根据权利要求1所述的火灾监测系统，其特征在于，所述信号调理模块包括相互连接的前置放大器和数据采集电路。

3.根据权利要求2所述的火灾监测系统，其特征在于，所述光处理装置包括：与电机驱动模块相连的切换电机和竖直电机，还包括安装在转动头上的主反射镜、位于转动头下方主要由多个反射镜组成的光学吊舱、位于光学吊舱下方安装在转盘上的第一滤光片和第二滤光片，光线经主反射镜及光学吊舱内的多个反射镜后照射到第一滤光片或第二滤光片上；主反射镜在转动头带动下水平旋转，同时还在竖直电机驱动下以明显高于水平旋转速度的速度在竖直平面旋转；主反射镜水平旋转一周或半周为一个扫描周期，在每个扫描周期结束时，切换电机带动转盘水平旋转，将与光学吊舱对正的第一滤光片或第二滤光片切换为第二滤光片或第一滤光片；第一滤光片能够透过火灾特征波段的光谱，第二滤光片能够透过不同于所述火灾特征波段的光谱。

4.根据权利要求1所述的火灾监测系统，其特征在于，所述系统还包括：与中央处理单元相连的摄像机，与电机驱动模块相连的俯仰电机，摄像机和俯仰电机安装在转动头上，转动头带动摄像机水平旋转，俯仰电机能够通过俯仰机构带动摄像机在竖直平面转动；中央处理单元通过对由摄像机输入的视频信号进行处理判断是否发生火灾。

5.根据权利要求4所述的火灾监测系统，其特征在于，所述系统还包括与中央处理单元相连的角度传感器和限位开关。

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