JP2004199507A

JP2004199507A - 火災検出装置

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Publication number: JP2004199507A
Application number: JP2002368866A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Yamagishi; 貴俊山岸
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP4088521B2

Abstract

【課題】赤外線カメラ等のセンサアレイを用いて火災を検出する火災検出装置に関するものであり、炎に特徴的な揺らぎ周波数に基づいて火災を検出するために必要な周波数帯域を十分に確保でき、精度の高い火災検出を可能とする。
【解決手段】炎に特有な光を受光してその物理量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を同一平面上に並べたセンサアレイと；複数の受光素子から出力される電気信号に基づいて火災検出を行う制御手段と；を備え、制御手段は、通常監視時は、複数の受光素子から出力される電気信号により画像データを生成し、該画像データに基づいて火災候補領域の検出を行い、火災候補領域を検出すると、該火災候補領域から設定される所定の受光素子から出力される電気信号を連続的に入力し、該連続的に入力された電気信号に基づいて火災検出を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、赤外線カメラ等のセンサアレイを用いて火災を検出する火災検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の火災検出装置は、監視領域を赤外線カメラで撮像した複数の画像データを用いて画像処理を行い火災を検出するが、この画像データは、通常はビデオレートである３０Ｈｚ周期で取り込まれる。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４５５６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
炎は、０．１〜２０Ｈｚに特徴的な揺らぎを持つため、この揺らぎ周波数に基づいて火災を検出することが望ましい。しかしながら、従来の火災検出装置は、画像データは、ビデオレートである３０Ｈｚ周期で取り込まれるため、この画像データで解析できる周波数範囲は標本化定理により１５Ｈｚ未満である。実質的には１２Ｈｚ程度までが解析できる限界となり、０．１〜２０Ｈｚの炎の揺らぎ周波数全域において解析することができないという問題があった。
【０００５】
また、良好な周波数波形を得て精度の良い解析をするためには、通常、解析したい周波数の４倍程度の周波数でサンプリングする必要があり、上記炎の揺らぎ周波数の範囲をカバーするためには８０Ｈｚを越える周波数でサンプリングする必要がある。しかしながら、８０Ｈｚを越える周波数で画像データを取り込むには、高い処理能力を必要とする。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、赤外線カメラ等のセンサアレイを用いて火災を検出する火災検出装置に関するものであり、炎に特徴的な揺らぎ周波数に基づいて火災を検出するために必要な周波数帯域を十分に確保でき、精度の高い火災検出を可能とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炎に特有な光を受光してその物理量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を同一平面上に並べたセンサアレイと；複数の受光素子から出力される電気信号に基づいて火災検出を行う制御手段と；を備え、制御手段は、通常監視時は、複数の受光素子から出力される電気信号により画像データを生成し、該画像データに基づいて火災候補領域の検出を行い、火災候補領域を検出すると、該火災候補領域から設定される所定の受光素子から出力される電気信号を連続的に入力し、該連続的に入力された電気信号に基づいて火災検出を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、受光素子は、炎に特有な赤外線光を受光する焦電素子やサーモパイル、炎に特有な可視光を受光するフォトダイオード、炎に特有な紫外線光を受光するフォトダイオードのいずれかであることを特徴とする。
【０００９】
【実施例】
本発明の第１実施例を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、火災検出装置の構成を示す概略ブロック図である。図２、図３は、図１のＭＰＵ５の動作を示すフローチャートである。図４は、図３の火災判別処理の概略説明図である。
【００１０】
図１において、１は複数の受光素子であり、例えば炎に特有な赤外線の光を受光してその物理量に応じた電気信号を出力する焦電素子である。２は複数の受光素子１を例えばＫ行Ｍ列で同一平面上に配置したセンサアレイであり、例えば、センサアレイ２は、炎に特有な赤外線の光を選択的に透過するフィルタ、レンズを介して複数の受光素子１に赤外線の光を受光させることが望ましい。３は１〜M列の各列に配置された受光素子１からの信号線が入力ポートＩＮ−１〜ＩＮ−Mに接続され、増幅器４−１〜４−Ｋへの信号線が出力ポートＯＵＴ−１〜ＯＵＴ−Ｋに接続されたマルチプレクサである。入力ポートＩＮ−１〜ＩＮ−Mは、各列の受光素子１におけるＫ個の素子に対応したＫ個の端子を有し、マルチプレクサ３は、出力ポートＯＵＴ−１〜ＯＵＴ−Ｋと接続する入力ポートＩＮ−１〜ＩＮ−Mを切り換えるものである。４は受光素子１からの電気信号を増幅する増幅器であり、１〜M列の各列におけるＫ個の受光素子１に対応して増幅器４−１〜４−Ｋがそれぞれ設けられている。５は複数の受光素子１から出力される電気信号に基づいて火災検出を行う制御手段としてのマイクロコンピュータ（以下、ＭＰＵという。）である。６はＭＰＵ５に取り込まれた受光素子１からの信号を記憶する記憶部である。７はＭＰＵ５に取り込まれたセンサアレイ２を構成する全ての受光素子１からの信号により生成された画像データを記憶する画像記憶部である。８はＭＰＵ５の出力に基づいて各種情報を表示する表示部である。９はＭＰＵ５からの各種情報を表示部８へ出力する画像出力部である。１０はＭＰＵ５の出力に基づいて接点信号を出力する接点信号出力部である。
【００１１】
つぎに、図２、図３のＭＰＵ５の動作を示すフローチャートに基づいて、火災検出装置の動作を説明する。
【００１２】
まず、画像取り込み枚数ｎを０とし（ステップＳ１）、マルチプレクサ３に接続切換信号を出力して、入力ポートＩＮ−１〜ＩＮ−Mと出力ポートＯＵＴ−１〜ＯＵＴ−Ｋとの接続を全てオフとし（ステップＳ２）、受光素子列ｍを０とする（ステップＳ３）。つぎに、受光素子列ｍを１つインクリメントし（ステップＳ４）、マルチプレクサ３に接続切換信号を出力して、入力ポートＩＮ−ｍと出力ポートＯＵＴ−１〜ＯＵＴ−Ｋとを接続するようにオンし、ｍ列の受光素子１と増幅器４−１〜４−Ｋとの接続をオンする（ステップＳ５）。
【００１３】
そして、ｍ列の各受光素子１から出力された電気信号を増幅器４−１〜４−Ｋで増幅し、アナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換して、デジタル信号を記憶部６に記憶する（ステップＳ６）。つぎに、デジタル信号を取り込んだ受光素子列ｍが最終の受光素子列Ｍより小さければ（ステップＳ７）、ステップＳ４〜ステップＳ７を繰り返し、センサアレイ２を構成する全ての受光素子１からの電気信号をＭＰＵ５に取り込む。また、デジタル信号を取り込んだ受光素子列ｍが最終の受光素子列Ｍに達すれば（ステップＳ７）、記憶部６に記憶された全ての受光素子１のデジタル信号により画像データを生成して画像記憶部７に記憶し、記憶部６の記憶内容を消去する（ステップＳ８）。
【００１４】
つぎに、画像取り込み枚数ｎを１つインクリメントし（ステップＳ９）、画像記憶部７に取り込んだ画像取り込み枚数ｎが画像処理必要枚数Ｎ（Ｎは複数であり、例えば、Ｎ＝６）より小さければ（ステップＳ１０）、ステップＳ３〜ステップＳ１０を繰り返し、画像処理必要枚数Ｎの画像データを画像記憶部７に記憶する。また、画像取り込み枚数ｎが画像処理必要枚数Ｎに達すれば（ステップＳ１０）、画像処理必要枚数Ｎの画像データを用いて火災候補領域の検出を行う（ステップＳ１１）。
【００１５】
なお、複数の画像データは、従来と同様に、例えばビデオレートである３０Ｈｚ周期でＭＰＵ５に取り込まれている。
【００１６】
つぎに、ステップＳ１１における画像データを用いた火災候補領域の検出の一例について説明する。「火災候補領域の検出」は、取り込んだ６枚（Ｎ＝６）の画像から、「高温部抽出」を行い、この高温部に対して例えば「画素数判別」および「面積重なり度判別」の各判別を行うことで、高温部が火災候補領域であるかを判別する。
【００１７】
まず、「高温部抽出」では、取り込んだ複数の画像を所定の輝度閾値（デジタル出力）で２つに分けた高温部と低温部に２値化して複数の２値化画像を作成する。また、全２値化画像間の論理和（ＯＲ）をとり、いずれかの２値化画像で存在したことのある高温部を重ね合わせ領域として抽出して重ね合わせ画像を作成する。そして、重ね合わせ画像に対しラベリングを実行する。また、全２値化画像間の論理積（ＡＮＤ）をとり、全２値化画像に共通する高温部を固定領域として抽出して固定領域抽出画像を作成する。
【００１８】
そして、「画素数判別」は、「高温部抽出」のラベリングで抽出した重ね合わせ領域が一定以上の面積（画素数）であれば、火災候補領域であると判別する。
【００１９】
また、「面積重なり度判別」は、「高温部抽出」のラベリングで抽出した重ね合わせ領域の外接矩形（以下、対象範囲とする）内に存在する固定領域の面積Ａと、各２値化画像の対象範囲内に存在する高温部領域の面積Ｍｉ（ｉ＝１〜ｎ：ｎは取り込んだ画像枚数Ｎ）を求め、次式に基づいて各面積Ｍｉ（ｉ＝１〜ｎ）ごとに面積Ａの割合を平均化して面積重なり度を算出し、このように算出した面積重なり度が炎の揺らきに合致する所定の範囲内に収まれば、火災候補領域であると判別する。この「面積重なり度判別」は、様々な熱源による誤報を排除することができる。
【００２０】
【数１】

上記した「画素数判別」及び「面積重なり度判別」により火災候補領域がないと判別すると、火災候補領域は検出されなかったとして（ステップＳ１２）、ステップＳ１〜ステップＳ１２を繰り返し、通常監視時における火災候補領域の検出を行う。また、「画素数判別」及び「面積重なり度判別」により火災候補領域があると判別すると、火災候補領域を検出したとして（ステップＳ１２）、火災候補領域である画像データの高温部（固定領域）を構成する受光素子１の一部（例えば、固定領域の中心の１つの受光素子１）からの電気信号をＭＰＵ５に連続的に入力する。つまり、マルチプレクサ３に接続切換信号を出力して、固定領域の中心の１つの受光素子１に対応する入力ポートＩＮと出力ポートＯＵＴを接続するようにオンとする（ステップＳ１３）。
【００２１】
そして、固定領域の中心の１つの受光素子１を含む列の受光素子１から出力された電気信号を増幅器４で増幅し、アナログ信号をデジタル信号にＡ／Ｄ変換して、固定領域の中心の１つの受光素子１のデジタル信号を記憶部６に記憶する。このとき、ＭＰＵ５は、デジタル信号を所定期間サンプリングするが、例えば、ビデオレートである３０Ｈｚ周期よりも高速であり、かつ炎の揺らぎ周波数全域（０．１〜２０Ｈｚ）において良好な周波数波形を得て精度の良い解析をするために必要な周波数（例えば、１２８Ｈｚ周期）でサンプリングする（ステップＳ１４）。
【００２２】
なお、通常監視時は、ＭＰＵ５は、センサアレイ２を構成する全ての受光素子１の電気信号を取り込んで画像データを生成するため、画像データは例えば３０Ｈｚ周期でしか取り込めないが、火災候補領域を検出すると、ＭＰＵ５は、全ての受光素子１からの入力をやめて、火災候補領域内の一部の受光素子１の電気信号のみを選択的にかつ連続的に入力するので、つまり、全ての受光素子１の電気信号を取り込むスキャンをする必要がなくなるため、例えば、１２８Ｈｚという高速なサンプリングを実現できる。
【００２３】
つぎに、火災候補領域内の所定の受光素子からの連続的に入力された電気信号に基づいて火災判別を行う（ステップＳ１５）。この火災判別には、例えばウェーブレット変換による周波数解析を用いる場合と、フーリエ変換による周波数解析を用いる場合が考えられるが、本実施例においては、フーリエ変換による周波数解析を用いる場合を図４に基づいて説明する。
【００２４】
まず、フーリエ変換による周波数解析を用いる場合には、記憶部６に記憶された所定期間の時系列デジタル信号を用いて、図４（ａ）に示すサンプリングの開始が異なる時系列Ａ〜Ｃ毎に受光素子１の輝度（デジタル出力）をフーリエ変換して周波数解析して系列毎の周波数分布を求め、図４（ｂ）に示すように、周波数分布同士の相関値を求め、周波数分布が時系列毎にばらついている場合としてその値が例えば０．９以下の場合は火災と判定し、０．９よりも大きい場合は非火災と判定する。すなわち、周波数分布にばらつきがない場合は、一定周期で回転している熱源のような誤報源である。ここで、炎の揺らぎ周波数全域（０．１〜２０Ｈｚ）において良好な周波数波形を得て精度の良い解析をするために必要な周波数（例えば、１２８Ｈｚ周期）でサンプリングしたので、炎の揺らぎ周波数全域（０．１〜２０Ｈｚ）における良好な周波数分布同士の相関値を求めることができる。
【００２５】
そして、非火災と判定すると（ステップＳ１６）、ステップＳ１〜ステップＳ１２における通常監視状態に戻り、また、火災と判定すると（ステップＳ１６）、画像出力部９を介して表示部８へ火災警報表示をしたり、接点信号出力部１０に接点信号出力を行ったりして、警報出力を行う（ステップＳ１７）。
【００２６】
この火災検出装置は、通常監視時は、複数の受光素子１から出力される電気信号により画像データを生成し、該画像データに基づいて火災候補領域の検出を行うので、広い範囲の火災監視を行うことができる。また、火災候補領域を検出すると、火災候補領域内の一部の受光素子１のみを選択してサンプリングするため、早い周期でサンプリングすることができ、炎に特徴的な揺らぎ周波数に基づいて火災検出を行うことができ、精度の高い火災検出が可能となる。
【００２７】
前記実施例において、センサアレイ２を構成する複数の受光素子１は、各列毎に一組とされてマルチプレクサ３の入力ポートに接続されていたが、例えば、各行毎に一組とされてマルチプレクサ３の入力ポートに接続されていてもよく、前記実施例に限定されない。
【００２８】
また前記実施例において、受光素子１は、炎に特有な赤外線光を受光する焦電素子としたが、炎に特有な赤外線光を受光するサーモパイル、炎に特有な可視光を受光するフォトダイオード、炎に特有な紫外線光を受光するフォトダイオード、例えば薄膜ダイアモンドフォトダイオードのいずれかであってもよく、その場合、センサアレイは、各受光素子が受光する炎に特有な光を選択的に透過するフィルタ、レンズを介して複数の受光素子に光を受光させることが望ましい。
【００２９】
この実施例では、火災候補領域を判別してその中の所定の受光素子１の出力についてフーリエ変換による周波数解析を行うものを示したが、高温領域を候補として、その周辺を合わせた受光素子について、選択的に出力をとることで面積重なり度等の既知の画像処理による火災判別を高周期で行うことでもよく、サンプリング周期を少しでも速めて高精度の判断を行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、炎に特有な光を受光してその物理量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を同一平面上に並べたセンサアレイと；複数の受光素子から出力される電気信号に基づいて火災検出を行う制御手段と；を備え、制御手段は、通常監視時は、複数の受光素子から出力される電気信号により画像データを生成し、該画像データに基づいて火災候補領域の検出を行い、火災候補領域を検出すると、該火災候補領域から設定される所定の受光素子から出力される電気信号を連続的に入力し、該連続的に入力された電気信号に基づいて火災検出を行う。そのため、通常監視時は、広い範囲の火災監視を行うことができ、火災候補領域を検出すると、一部の受光素子からサンプリング周期の早い信号を取り出せるので、炎に特徴的な揺らぎ周波数に基づいて火災検出を行うことができ、精度の高い火災検出が可能となる。
【００３１】
また、受光素子は、炎に特有な赤外線光を受光する焦電素子やサーモパイル、炎に特有な可視光を受光するフォトダイオード、炎に特有な紫外線光を受光するフォトダイオードのいずれかであるので、炎に特有な各種の光を受光して精度の高い火災検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す、火災検出装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】図１のＭＰＵ５の動作を示すフローチャートである。
【図３】図２に続くフローチャートである。
【図４】図３の火災判別処理の概略説明図である。
【符号の説明】
１受光素子
２センサアレイ
５マイクロコンピュータ（制御手段）

Claims

炎に特有な光を受光してその物理量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を同一平面上に並べたセンサアレイと；前記複数の受光素子から出力される電気信号に基づいて火災検出を行う制御手段と；を備え、
前記制御手段は、通常監視時は、前記複数の受光素子から出力される電気信号により画像データを生成し、該画像データに基づいて火災候補領域の検出を行い、火災候補領域を検出すると、該火災候補領域から設定される所定の受光素子から出力される電気信号を連続的に入力し、該連続的に入力された電気信号に基づいて火災検出を行うことを特徴とする火災検出装置。
前記受光素子は、炎に特有な赤外線光を受光する焦電素子やサーモパイル、炎に特有な可視光を受光するフォトダイオード、炎に特有な紫外線光を受光するフォトダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の火災検出装置。