JPH0614394B2

JPH0614394B2 - 火災検出装置

Info

Publication number: JPH0614394B2
Application number: JP61504217A
Authority: JP
Inventors: ケーン，マーク・テイ; シヤモドーラ，ケニース・エー
Original assignee: Santa Barbara Research Center
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1985-08-22
Filing date: 1986-07-28
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: DE3670387D1; EP0233245A1; WO1987001230A1; KR880700372A; IL79545A; JPH06223284A; JPH0769993B2; IN167011B; CA1269458A; AU570594B2; AU6197686A; EP0233245B1; KR910009802B1; US4665390A; JPS63500620A; IL79545A0

Description

【発明の詳細な説明】背景技術１。発明の分野この発明は、火災検出装置に関する。

２。関連技術の記述光電変換器により火災を検出することは相対的に簡単な
仕事である。しかしながら、火災源からの刺激と非火災
源からの熱や光の刺激とを確信をもって弁別しなければ
ならない場合には、困難である。太陽、紫外光、溶接
機、白熱光源等からの放射線はしばしば火災検出システ
ムが偽警告信号を発生させるので特に問題である。

システムに使用する光検出素子の分光感度を制限するこ
とにより、弁別特性を改善できることが分っている。非
火災源からの信号を信頼性を有して弁別しながら火災の
検出感度を高める問題を解決するための種々のアプロー
チを試みた多くの従来システムでは異なる分光感度バン
ドを有した複数の信号チャンネルが採用されている。し
かしながら、偽の警告信号を過度に発生しない信頼性の
ある火災検出システムに要求される有効性の度合いを実
現し得ていない。

Ｃｉｎｚｏｒｉの米国特許３、９３１、５２１号は長波
長放射エネルギー感応チャンネルと、短波長放射エネル
ギー感応チャンネルとを用い、偽のトリガの可能性を無
くすように、一致信号検出の条件を付けた２重チャンネ
ル火災および爆発検出システムを開示している。Ｃｉｎ
ｚｏｒｉの米国特許第３、８２５、７５４号は上述した
特許の開示に、一方で大きな爆発物による燃焼を弁別す
るとともに、他方で、火を生じない高いエネルギーせん
光／爆発を弁別する特徴が付加されている。しかしなが
ら、このシステムは特殊な用途に限定されており、この
発明のように、より一般的な火災検出システムのアプリ
ケーションに即転換できない。

ＫｅｒｎとＣｉｎｚｏｒｉの米国特許第４、２９６、３
２４号は、長波長チャンネルが約４ミクロン以上の分光
バンドの放射エネルギーに感応し、短波長チャンネルが
約３．５ミクロン以下の分光バンドの放射エネルギーに
感応し、前記２つのチャンネルの少なくとも１つが、検
出される火災、または爆発物の、少なくとも１つの燃焼
組成物に相関する空電吸収波長に感応する、２重分光火
器赤外線火災検出システムを開示している。

ＭｃＭｅｎａｍｉｎの米国特許第３、６６５、４４０号
は紫外線検出信号を用いて赤外線検出器からの出力信号
を消去する、紫外線検出器および赤外線検出器とロジッ
クシステムを利用した火災検出器を開示している。さら
に、フィルタが前記両検出器に直列に接続され、約１０
ヘルツの火器フリッカー周波数に感応する。この結果、
フリッカー周波数を有した赤外線放射がある場合にの
み、警告信号が作られる。さらに、しきい値回路を設け
てマッチやシガレットライタのような低レベルの赤外線
信号を阻止し、短い間隔の偽の信号により警告信号を発
生させるのを防止するための遅延回路が組込まれてい
る。しかし、このようなシステムはちらちらする湖面か
ら反射される太陽光、あるいは太陽または白熱電球から
の光を横切る回転ファンのような簡単でありふれた、そ
の他のフリッカー源に惑わされ易い。

Ｍｕｌｌｅｒの米国特許第３、７３９、３６５および第
３、９４０、７５３は入射する放射線の異なる分光レン
ジにそれぞれ感応する光電変換センサを利用した複数の
システムを開示している。これらのシステムからの信号
はフィルタにかけられて、約５Ｈｚ乃至２５Ｈｚの周波
数レンジ内のフリッカーが検出される。差動増幅器は、
各チャンネルにおける信号が選択された値または選択さ
れた値のレンジと所定値以上異なる場合は、これらのシ
ステムの１つでアラーム信号が発生する。他のシステム
では、差動増幅器からの出力信号が、しきい値回路と遅
延回路を有した位相比較器に印加される。入力信号が、
同相で、しきい値レベルを越える振幅と、あらかじめセ
ットされた遅延量を十分に越える期間を有するときにの
み、警告信号が発生される。しかしながら、このような
システムは、きらきら光るあるいは雲が調節された太陽
光がある場合に、（フリッカを有している）ジェットエ
ンジンの排気ガスのような非火災を便別するには有効で
ない。

Ｐａｉｎｅの米国特許３、６０９、３６４号は特に、太
陽の放射線とロケットエンジンの水柱による放射線とを
弁別するために高高度のロケット機内の水素の燃焼を検
出するために多重チャンネルを利用している。

Ｍｕｇｇｌｉの米国特許４、２４９、１６８号は４．１
乃至４．８ミクロンおよび１５乃至３ミクロンのレンジ
の波長にそれぞれ応答する２重チャンネルを用いてい
る。両チャンネルの信号は、フレームフリッカ周波数に
応答するように４乃至１５Ｈｚの透過視界を有するバン
ドパスフィルタにかけられる。両チャンネルはＡＮＤゲ
ートに接続されているので２つのチャンネルにおける検
出が一致してはじめて火災警告信号が発生される。

Ｂｒｉｇｈｔの米国特許４、２２０、８５７号は、それ
ぞれ異なる燃焼精製物にそれぞれ応答する第１および第
２チャンネルを有する光学フレームおよび爆発検出シス
テムを開示している。各チャンネルはスペクトル感度を
制限するために、帯域の狭いフィルタを有している。各
チャンネルのレベル検出器は所定のしきい値レベルを越
える放射線を検出する。比検波器は２つのチャンネル信
号比があるしきい値を越えたとき、出力信号を供給す
る。検出した放射線がこれらの３つのしきい値をすべて
越えたとき、火災信号が出力される。

その他の火災警告システムおよび火災検出システムは、
ＭａｃＤｏｎａｌｄの米国特許３、９９５、２２１号、
Ｓｃｈａｐｉｒａの米国特許４、２０６、４５４号、Ｓ
ｔｅｅｌ他の米国特許３、１２２、６３８号、Ｋｒｕｅ
ｇｅｆの米国特許２、７２２、６７７号、および米国特
許２、７６２、０３３号Ｌｅｎｎｉｎｇｔｏｎの米国特
許４、１０１、７６７号、Ｔａｒの米国特許４、２８
０、０５８号、およびＮａｋａｕｃｈｉの米国特許４、
１６０、１６３、および米国特許４、１６０、１６４号
に開示されている。

従来より火災検出システムはたくさんあるが、偽の警告
信号を完全に弁別できるシステムは無い。感度が強化さ
れたこれらのシステムでは偽の警告信号からまぬがれる
ようなその他のパラメータが劣化する。この発明は、火
災検出の信頼性を改善するために放射線検出データを解
析するための技術に関連している。

発明の要約ある種の環境下では、人間が作った現象あるいは、一時
的かつ局地的な自然現象は火災の特性を周波数領域に複
製することができる。例えば、電球（あるいは光と熱の
両方を放出する、その他の火災源）からの放射線は、周
期的に変化する割合いで光が切られるならば、検出器に
は周波数領域における火災として現れる。水面のさざ波
により反射される太陽光は同様の効果を作り出すことが
できる。現在知られている従来の火災検出システムは周
波数領域の解析を行うことにより火災検出を行ってい
る。この発明では異なるチャンネルからの振幅情報を時
間領域で統計的に処理し、周波数領域における混乱とエ
ラーの可能性を無くしている。この発明は、特別な統計
的方法を用いてこの結果を得ている。

この基本技術は、火災を確立過程としてモデル化し、統
計力学をテストして確立過程の特性を得る。火災の”確
立”を表すのに用いられるパラメータとしては、時間領
域信号のピークまたは勾配が変化する点の振幅値の分布
が選択される。ゼロクロスタイムインターバルや２次導
関数が零に等しい点等のその他のパラメータを用いるこ
とも出来る。従って時間領域統計手法を適用するための
データを作るためには、検出した放射線信号のピーク値
を連続して作表化する必要がある。これは、勾配が変化
する点の信号をサンプリングすることにより行われる。
信号波形の一次導関数の極性が変化したときにサンプリ
ングが行なわれる。この発明の１つの特定の実施例にお
いては、５秒間のサンプリング信号がマイクロプロセッ
サのメモリロケーションに記憶される。５秒以下でサン
プリグしたとしても、約４０ないし５０のデータ採取点
があれば、解析には十分である。メモリに記憶中に、５
秒以上前のデータ点は破棄される。周期的に（約１秒に
１度）メモリに記憶されているデータ点を用いて計算が
なされる。

一度データ点収集がメモリに記憶されると、種々の統計
力学を用いてデータ点の分布が公知の確立過程に一致す
るか否かを決定することができる。周期的な放射線源の
非確率に対する火災の確率を最も確実であることを証明
する１つのパラメータはとがりのパラメータである。と
がりは平均値のまわりにどれだけのデータが集中してい
るかを示す尺度である。とがりの値が大きければデータ
点の分布が平均値から広い範囲に分散していることを表
す。

平均値を決定するためには、分散散（すなわち、である標準偏差）及びとがりは、Ｘｉが種々のデータ点
を示し、ｉ＝１，……Ｎ，であるとすると、とがりは２次中心積率の二乗に対する４次中心積率の比
として定義される：この場合、４次中心積率は４のベキに対して生じるすべ
ての偏差の平均値であり、２次中心積率は２のベキに対
して生じるすべての偏差の平均値である。後で示すよう
にとがりは火災と非火災の場合とでは全く異なる。しか
しながら、二乗および４のベキを取る装置は、マイクロ
プロセッサで具現化した場合、かなりの計算時間がかか
り、小さなマイクロプロセッサに使用するには簡単な装
置が望ましい。

統計的に変化するパラメータが有する最も可能性の高い
値（平均値、中央値、モード等）を表すためにいくつか
の定義が存在するように、データ点がこの”平均値”の
回りに分散される度合いを表す１つ以上の定義が存在す
る。各データ点は偏差、すなわち固有値と標本平均値の
差を有し、この実施例では算術平均値としてみなされ
る。全体の偏差を表す代表的なパラメータは一連の偏差
のｒｍｓ値である標準偏差（σ）である。一連のＮ個の
標本Ｘ１乃至ＸＮの相加平均値（）は次式により与え
られる。

また、標準偏差は次式により与えられる。

これは、逆極性の偏差値が相殺されないように、偏差値
の二乗が正の成分になるので有効な定義である。また、
二乗機能は代数学により容易に扱うことができる。

別の定義によれば、二乗の代わりに絶対値を用いること
ができ、それにより、各偏差値からの正の寄与値が維持
される。これは平均偏差値として知られ次式で表され
る。

標準偏差があまり一般的でないのは絶対値関数が、常に
正の結果を生ずるものとして定義されるからである。

ｘ≧０の場合｜ｘ｜＝ｘｘ＜０の場合｜ｘ｜＝−ｘは代数学の計算を行う場合に
ときとして扱いにくい。しかしながら、マイクロプロセ
ッサのアプリケーションには強い魅力があった。何故な
ら極性の反転を２進表示で行なえる（補数を取り、１を
ＬＳＢに加える）ということは、２乗や平方根の機能よ
りはるかに履行しやすいからである。

平均値のまわりの偏差の測定を定義した場合、個々の偏
差が平均偏差のまわりに分散する程度を表わすための同
様の特性を定義することが望ましい。２つの対照的な信
号はこの必要性を示している。即ち、広域ガウス雑音源
と、前記ガウス雑音源の平均偏差または標準偏差に等し
い零−ピーク他を有する方形波である。これらの２つの
信号は根軸に対して異なる時間特性および確率分布関数
（ＰＤＦ）を有しているが、方形波はすべてのデータ点
が同じ偏差で密集しているので、おなじ平均偏差を有し
ている。

特別な方形波の場合、すべての偏差が等しく、とがりは
１の値を取る。偏差が次第に分散すると、σより大きい
偏差は、σより小さい偏差がμ_４から減ずるよりさらに
μ_４に寄与する。これは、μ_４の４のベキが陰関数表示
であるため非線形となるためである。分母の▲μ² ₂▼
は、Ｋの単位が無く、μ_２あるいはσという実際の値と
無関係の正規化係数と考えられる。

標準偏差（あるいは平均偏差のいずれかが選択される）
の回りのデータの分散を評価するもうひとつの手段は”
偏差に対する偏差”の平均値、すなわち、各偏差が平均
（あるいは標準）偏差と異なる平均量を見付けることで
ある。各標本からの正のコントリビューションを保持す
るために、再び絶対差が用いられる。従前のように各偏
差が｜ｘｉ−｜で与えられる場合、各偏差と平均偏差
（以下、適切な用語が無いので、”広がり”と定義す
る）は次式により表される。

これはで割算することにより正規化することが出来、
パラメータがキャリアーの振幅変調のパラメータに極めて良く相似しているの
で、”変調”と呼ばれる。変調されないキャリアは（例
え周波数が変化したとしても）ある広がりを有し、それ
ゆえ零の変調を有する。考えられる最大の定常状態の広
がりは、平均偏差に等しく、それゆえ変調は零から１即
ち１００％まで変化する。

上述した変調を定義することにより、とがりにより得ら
れる同じ特性の信号の評価が可能になり、しかも乗算
（２乗および４のベキ）や平方根を求める必要がない。
に対して平均偏差が使用され、Ｎに対して２の整数ベ
キが用いられ、判定基準として一定の度合いの変調が用
いられた場合、真の割算は行う必要がない。Ｎによる見
かけの割算は一連の右シフト（オーバフローを起こす前
に行われる）になる。しきい値テストは、右シフトし、
（そして所望の分数を得るために加算することにより）
再度得られる、の一定の分数とひろがりとの間の比較
になる。除算は、調査のためにアナログ測定値が必要に
なる場合にのみ行われる。従って、この”簡単なとが
り”を実行することにより、小さくかつ安価なマイクロ
プロセッサを用いて火災検出用統計弁別器のタスクをリ
アルタイムで実行することができる。

この発明にもとずいて実際にデータを収集するために、
検出した放射線信号からデータを読込むための機構とし
てヒステリシス回路を有している。このヒステリシス回
路は、存在し得る小さな乱れすなわちノイズから主情報
を分離するためにデータを清掃することである。このヒ
ステリシス回路は、傾きが逆になり、デッドゾーンを交
差するまで入力信号に対して一定のオフセットだけ遅れ
て続く出力信号を発生する。そのとき、出力は逆極性の
オフセット分遅れて入力に追従する。この結果、フルス
ケールの１乃至３パーセント未満の小さな信号の揺れ
は、後段のピーク検出器により新しいサンプリング値と
して検出されることはない。傾きが逆になった事を示す
出力信号はピーク検出器に格納される。リアルタイムな
信号偏差は最大および最少サンプリング出力信号をサン
プル平均他と比較することにより得られる。これらの結
果を平均偏差と比較し、１次の遅れ分再び補整すること
により、零と平均偏差に等しい値との間にある、ひろが
りの値が得られる。アナログ徐算器を用いて割算するこ
とにより、変調比Ｓ／Ｄが得られ、一定の基準しきい値
と比較できる。最終的な２進の出力は、前記変調が、火
災を示すフリッカ信号の変調に適合するときは論理的に
真となる。

メモリ内のデータ群がランダムに分散されているかどう
かを判断するのに用いられるもう一つのパラメータは、
簡単なアップダウンカウンタの出力である。このカウン
タが例えば３ヘルツの割合いでカウントダウンし、デー
タが波形のピークから受取られる割合いでカウントアッ
プするようにプログラムされていれば、波形がランダム
であるとないとにかかわらず、低周波の波形は所定のカ
ウントしきい値を越えることはない。火災からの波形は
高い周波数成分を有していることが知られているので、
アップダウンカウンタのパラメータは、小さいが火災と
非火災とを区別するもうひとつの基準となる。

ランダム性を判断するのに使用できるもうひとつのパラ
メータは”適合度”を測定するためのｘ^２検定として知
られている。統計学では、所定の結果が偶然に起り得な
いということが９５％の信頼係数で言えれば、その結果
は統計的に”検定の危険”であるといえる。同様に、９
９％の信頼係数は”高い検定の危険率”である。

ｘ^２検定をメモリ内のデータ群に適用した場合、ｘ^２検
定が正であれば、９５％の信頼係数を有して、所定のデ
ータ群が”危険率”の程度にまで正規に分布していると
言える。このｘ^２検定はデータ群がどの程度までランダ
ム分布に近いかを判断する。従って、ｘ^２検定は、とが
りパラメータと一緒に作用して非火災波形を排除するこ
とができる。例えば、２乃至３の大きくかつ狭いピーク
を有するが、その情報の殆どは、ほぼ零である波形は、
大きなピークの４のベキにより大きなとがりを持つこと
になる。しかしながら、ｘ^２検定はデータ点群はランダ
ムに分散されていないことを認識する。

他方、周期的な信号は、データ点群の収集がｘ^２検定を
通過することのできる点に、疑似ランダムにその振幅を
変調することができる。これは、特にｘ^２検定が多くの
データ点を有せず、またデータ点群が平均値のまわりに
密集している場合である。しかしながら、とがりパラメ
ータは、例え、データ点が１０以下であってもランダム
が平均値のまわりに密集し、２、３のデータ点が利用で
きるｘ^２検定のギャップを埋めることができる。

図面の簡単な説明この発明は添附した図面とともに以下の説明を考慮する
と良く理解できる。

第１図は長波長チャンネルおよび短波長チャンネルにお
けるフリッカ火災からの波形の時間領域プロットであ
る。

第２図はランダムに断続される熱く、ほの暗い電球の、
比較に適した波形の時間領域プロットである。

第３図は周波数領域におけるフリッカ火災から検出され
た放射線の波形のグラフである。

第４図は一定周波数で断続される、熱くほの暗い電球か
ら検出された放射線の周波数領域プロットである。

第５図はランダムに断続された場合の、第４図のプロッ
トに相当するプロットである。

第６図はこの発明の特別の構成を利用した代表的なプロ
グラムを示すフローチャートである。

第７図はこの発明による他の特別の構成を表す機能ブロ
ック図である。

第８図は相互相関器タイプの、２重スペクトル周波数に
応答する火災検出器にこの発明を適用した場合のブロッ
ク図である。

第９図乃至第１６図はこの発明のアプリケーションを説
明するのに含まれる種々の波形を示すプロットである。

第１７図は火災検出のためにカウンタととがり検定を組
合わせた場合のフローチャートである。

第１８図は火災検出のためのｘ^２検定を示すフローチャ
ートである。

好適実施例の説明第１図および第２図は検出した放射線の時間領域プロッ
トであり、フリッカ火災による放射線と人工的な放射線
源との差を示す。第１図は、火災から検出された放射線
の時間領域プロットである。第１図の波形は２つのチャ
ンネルにおける検出を表す。上側の波形は０．８−１．
１ミクロンの範囲の応答特性を有する短波形検出器から
の信号を示す。下側の波形は７−２５ミクロンの範囲の
応答特性を有する長波形検出器の出力を示す。上側波形
および下側波形との間の時間軸上の相関は明らかであ
る。与えられた波形の振幅は準ランダムである。

第２図は、ランダムに断続される、熱くほの暗い電球か
ら検出される放射線の時間領域プロットを示す。第１図
に対してタイムスケールが拡大され、２つの波形が相互
に変わっている。すなわち、第２図の下側の波形が、
０．８−１．１ミクロンの範囲の短波形検出器の出力を
表し、上側の波形は７−２５ミクロンの長波形検出器の
出力を表す。

第３図は零乃至２５ヘルツの周波数領域のフリッカ火災
から検出された放射線のプロットを表す。上側の波形は
短波長放射線を表し、下側の波形は長波長放射線を表
す。このデータを収集するための時間幅は１０秒であ
り、山と谷が時間の経過とともに変化する。

しかしながら、一般的には、周波数が高くなる程減衰す
る。

第４図は２．６ヘルツで断続される、熱くほの暗い電球
から検出される放射線の波形を示す。長い波長の波形
が、図の右側において上側の波形である。断続周波数の
奇数高調波に対応して、２．６ヘルツ、７．８ヘルツお
よび１３ヘルツに明瞭なピークが見られる。

第５図は第４図に示す、熱く、ほの暗い電球が一定の周
波数では無くランダムの場合に検出された放射線の場合
のプロットを示す。長波長波形が図の左半分において上
側の波形である。明瞭なピークは存在せず、周波数領域
のプロットは第３図のそれと良く似ている。

第２図ないし第５図は、１０秒間の標本積分に対する周
波数領域の動作では、火災とランダムに断続される電球
とを区別するための十分な情報が得られない。時間領域
処理が必要になる。

断続された波形は相対的に正のピークと負のピークとが
等しいので、ピーク検出を行って処理すべきデータを作
る。この処理を行うために、Ｉｎｔｅｌ社の２９２０が
使用された。２９２０の計算能力には限界があるので、
１秒間１００標本の割合いで、μ_４／▲μ² ₂▼の真のと
がり計算を行うことは出来なかった。従って、（”変
調”と呼ばれる）真のとがりの近似値が第１実施例では
用いられた。この近似値を用いることにより、第１図お
よび第３図のランダム火災信号と、第２図、第４図及び
第５図の断続された電球の放射線とを明瞭に区別するこ
とができた。

第６図のフローチャートは上述した変調テストを行うの
に使用することができる代表的なプログラムを表す。こ
の場合、ひろがりは次式から決定される。

このひろがりはにより割算され、変調を行うことによ
り正規化される。第６図に示される特定のプログラム
は、１００標本／秒と、５秒間の平滑時定数と、入力信
号が断続放射線あるいはランダム放射線かの判断に対し
て３８％の変調しきい値を用いてＩｎｔｅｌ２９２０信
号プロセッサにより実行される。

０．０１秒毎に入力されるデータ標本はリカーシブなデ
ィジタル技術により、３極４ヘルツロウパスフィルタに
通す。このフィルタはガウス構成とほぼ同様であるが、
急速な入力変化からのオーバシュートを無くすために、
共役極の減衰がわずかに高くなっている。さらに、所望
の信号通過帯域以上の過度的なノイズからの分散をさら
に減少するために、４つのサンプリング期間により分離
される出力標本間の差から勾配の極性が得られる。

勾配の極性はいつ、フィルタを通過したデータ標本が新
しい正のピーク（ｘ_ｐ）あるいは負のピーク（ｘ_ｎ）と
して保持されるかを判断するのに用いられる。保持する
ためには、前のピークから、フルスケールの少なくとも
１％の信号変化の後に生じなければならない。このデッ
ドゾーンは小さな変動がピークデータの有効性を劣化さ
せる確率を減少させる。正および負のピーク値はそれぞ
れ２．５秒の時定数を有する単極フィルタにより、真の
平均値_ｐおよび_ｎとして平滑化される。

これら２つの値から標本平均値は、１／２（_ｐ＋
_ｎ）として評価され、平均偏差は＝１／２（_ｐ−
_ｎ）として評価される。この場合、各ピーク標本ｘ_ｐあ
るいはｘ_ｎは、上述したように、ひろがりと変調を計算
するために用いることのできる各偏差ｘ_ｉ−を供給す
る。およびに印加されれる平滑時定数は５秒であ
る。過度以下の条件はを越えることは出来ず、負あ
るいは１よりも大きいを生じるようにとを出力す
るのに用いられる時間よりも長い。しきい値テストにお
いて＞３／８であれば、変調は火災信号を示すのに
十分であると考えられる。

この実施例では、入力信号の第２および第４のベキを無
くすことにより、とがり機能を真に行う場合のダイナミ
ックレンジの問題を避けることができる。例えば、３０
デシベルのＡＧＣ補償で、有効レンジが３フィートない
し１００フィートの場合、３０：１の入力信号レンジが
一般的である。４のベキにレンジが取られると、ダイナ
ミックレンジは８１０、０００：１となり、１１８デシ
ベルにさらに、最も弱い信号の波形の分解能に対して１
０ないし２０デシベルが必要である。したがって、火災
検出器のアプリケーションの場合には、２９２０よりも
かなり計算能力の高いマイクロプロセッサが必要であ
る。変調近似値法によれば、信号のダイナミックレンジ
に波形分解能として、１０ないし２０デシベルが必要に
なるだけなので、トータル４０ないし５０デシベルで済
む。

第７図の機能ブロック図はとがり近似のための変調検出
器の他の実施例を示す。すなわち、４ヘルツのカットオ
フ周波数を有するロウパスフィルタ２０を有する入力段
からなる。この入力段の後にヒステリシス回路２２が設
けられ、この回路２２で信号が正と負に分けられ、各ピ
ーク検出器に印加される。各検出器は、２．５秒の時定
数を有するロウパスフィルタ２６，２７にそれぞれ接続
される。これらのロウパスフィルタ２６、２７は、次式
に示すように、平均値を計算するためにｘ_ｉを加算する
ように、ディジタルではなく、アナログでｘ_ｐとｘ_ｎの
加算を行う。

次に、これらの値は各チャンネルを介して、減衰器２
８、２９および演算増幅器３０、３１に印加される。増
幅器３０の出力は、この出力を受取るように、さらに残
りの入力はピーク検出器２４、２５の出力からの信号を
受取るように接続された別の演算増幅器３２、３３に印
加される。減衰段３４、３５はそれぞれ増幅器３２、３
３の出力と接続され、さらに加算増幅器３６に入力を供
給するように接続され、加算増幅器３６は増幅器３１の
出力に接続される。増幅器３６の出力は、５秒の時定数
を有するロウパスフィルタ３８に接続され、ロウパスフ
ィルタ３８はアナログディバイダ４０に接続され、アナ
ログディバイダ４０は第２入力に増幅器３１からの出力
を受取る。比較器４２はディバイダ４０の出力に接続さ
れ、基準レベル入力を有している。

この発明の好適実施例によれば、検出器２４、２５は入
力波形の勾配の変化に応答するピーク検出器で構成され
る。なお、検出器２４、２５は零を交差する時間間隔を
決定するゼロクロス検出器でも良いし、あるいは、例え
ば、２次導関数に等しい零検出器でもよい。このような
検出器２４、２５は選択された標本信号のフォームでデ
ータを作り、次に、この発明に従って、入力波形を解析
するために処理される。第７図および第７Ａ図の実施例
の説明では、回路はピーク検出器２４、２５として構成
したが、その他の形態であってもよい。

第７図の回路において、入力信号は、高周波ノイズを取
除くために、４ヘルツ以下となるようにフィルタがかけ
られ、ヒステリシス回路２２に印加される。この段は従
来より知られている、積分器、ダイオード、およびオフ
セットの組合わせにより構築でき、勾配が逆になり、デ
ッドゾーンを交差するまで、入力信号に対して一定のオ
フセット分遅れて、出力信号を発生する。そのとき、出
力信号は、逆極性の遅延オフセットを有して、入力信号
に追従する。この結果、フルスケールに対して、１ない
し３％以下の、小さな信号の揺れがあっても、次段のピ
ーク検出器に、新しい標本信号として検出されることは
ない。従前の逆勾配を基準として、１％以上の大きな揺
れの後に、勾配が逆になるたびに、新しいピーク値（正
または負）がピーク検出器に格納される。この結果得ら
れる階段状の波形は２．５秒の時定数を有する１次の遅
延フィルタにより平滑化される。次の円２８、２９、加
算増幅器３０および差動増幅器３１とにより、それぞれ
ｘ_ｐおよびｘ_ｎの１／２ずつを加算して平均値を得、さ
らに差の１／２を取り、中点からピーク点までの揺れ、
すなわち、平均偏差を得る。最大および最小標本（ｘ_ｐ
およびｘ_ｎ）からの階段状の値は標本平均値と比較さ
れ、リアルタイムの偏差を得る。これらの値を、再び１
次の遅延により平均偏差と比較し、そして、零と平均偏
差に等しい値との間にあるひろがりの値が得られる。
アナログディバイダ４０で割算することにより、変調比
／が得られ、比較器４２において一定の基準しきい
値レベルと比較される。従って、２進出力は、前記変調
がフリッカ信号の変調に適合したときは、論理的にＴＲ
ＵＥになる。

上述したとの式は、２９２０信号プロセッサ能力に
適合するように、第６図および第７図に示すように実行
される。従って、Ｎ個のデータ点を格納しなくてすむよ
うに、次式を満足するように計算された平均値のかわり
にロウパスフィルタが用いられた。

さらに大きなメモリを有するマイクロプロセッサの場合
には、上記式を直接計算してもよい。

第７Ａ図は第７図の回路の付属回路として包含しうる、
この発明の１つの特徴にもとずく回路を示すブロック図
である。第７Ａ図の回路は第７図の回路に図示の如く接
続することができる。

カウンタ７２をアップカウントさせるための信号は、波
形補正値が印加される前に、第７図の正および負のピー
ク検出器２４、２５から得られる。これらの信号はＯＲ
ゲート７４に印加され、つぎにカウンタ７２のＵＰ入力
に印加される。カウンタへのＤＯＷＮ入力は（ロウパス
フィルタ２０により、信号が約４ヘルツでカットオフさ
れる第７図の回路の場合）約３ヘルツで動作するクロッ
ク信号から来る。カウンタ７２で作られたカウント値
は、信号比較のためにあらかじめ選択された基準レベル
入力を有するしきい値段７６に入力される。しきい値７
６の出力は、第２入力が、第７図の比較段４２からの出
力信号を受取る、ＡＮＤゲート７８に印加される。ＡＮ
Ｄゲート７８への両入力が、ＴＲＵＥのときのみＡＮＤ
ゲート７８の論理出力はＴＲＵＥとなり、火災を知らせ
る。

カウンタ７２が３ヘルツのクロックレートでカウントダ
ウンし、ピーク検出器２４、２５の波形ピーク値からデ
ータを受取るレートでアップカウントするように構成し
たので、低周波の波形は、ランダムであるとないとにか
かわらず、しきい値段７６の所定のカウントしきい値を
越えることは無い。しかしながら、火災からの波形が検
出されると、上述した波形の高周波成分により、しきい
値段７６のプリセットした基準レベルを越える。この結
果、ＴＲＵＥ信号がＡＮＤゲート７８に印加される。

第８図は、この出願の出願人に譲渡された、同時係属出
願第５９２、６１１号（米国特許第４、６９１、１９６
号）（ＭａｒｋＴ．Ｋｅｒｎ、２重スペクトル周波数
応答火災検出器）に記載されているような、２重スペク
トル周波数応答火災検出器にこの発明の統計弁別器を適
用した場合のブロック図である。５９２、６１１号の内
容が、５９２、６１１号で述べた事を引用することによ
り、この第８図の中に組込んである。第８図の回路は、
出願番号第５９２、６１１号の第５図において、周期信
号検出器をこの発明の統計弁別器に変え、この出願の譲
り受け人に譲渡された同時係属出願第７３５、０３９
（米国特許第４、６３９、５９８号）（発明の名称「火
災検出器の相互相関器および方法」）の第５図に開示さ
れているような相互相関検出器を追加したものに相当す
る。出願番号第７３５、０３９号の出願の記述を引用す
ることにより、その内容が盛込まれている。

第８図において、システム５０はｎ個の２波長狭帯域チ
ャンネル１、２、・・・ｎを有している。各チャンネル
は異なる狭域フィルタスペクトル通過帯域Ｆ１，Ｆ２，
・・・Ｆｎに設定されている。狭域チャンネルの各々
は、短波長検出器５３に接続された増幅器５５、および
長波長検出器５４に接続された増幅器５６から比検波器
５７へ延在している２波長信号チャンネルに組込まれて
いる。図示するように、短波長検出器５３は０．８ない
し１．１ミクロンの波長に応答し、長波長検出器５４は
７ないし２５ミクロンの波長に応答する。逆に短波長検
出器５３を１．３ないし１．５ミクロンのレンジの波長
に応答するように設定してもよい。

各信号チャンネルは、増幅器５５または５６、場合によ
っては比検波器段５７の入力との間に狭帯域フィルタ、
全波整流器、およびロウパスフィルタが直列に接続され
ている。ｎ個の狭帯域チャンネル１、２、・・・ｎの比
検波器５７は決定論理段５９に印加される。決定論理段
５９はｎ個の狭帯域チャンネルからの大半の比検波出力
信号に従って、ＴＲＵＥまたはＦＡＬＳＥのいずれかの
出力信号を発生する。決定論理段５９の出力端子はＡＮ
Ｄゲート６０の第１入力端子と接続され、他の入力端子
は相互相関検出器６２の出力端子、および１対の統計弁
別器６４、６５の出力端子とインバータ段６６、６７を
介して接続される。ＡＮＤ段６１の出力信号は遅延段７
０に印加され、この遅延段７０から検出システム５０の
出力が供給される。

第８図の統計弁別器６４、６５は第７図に示す回路に相
当する。これらの弁別器は以前の出願（米国特許第４、
６３９、９８号）の周期信号自動相関検出器にとってか
わるものであり、人工的な断続源が改善され、それによ
り偽の警告信号に対して安全性を高めている。第８図の
回路において、人工的に断続された信号が統計弁別器６
４、６５により、そのように認識され、それゆえＡＮＤ
ゲート６０が出力段に偽の警告信号としてＴＲＵＥ信号
を出力するのを禁じる。この発明の統計弁別器は、他の
火災検出装置の周期信号検出器と置換えることにより、
人工的に断続される放射線源に対する応答性をさらに制
限することができる。

統計理論によれば、真のランダム処理は３．０のとがり
を持つ。火災信号と非火災信号がどのように比較される
かを見るために、記録されたデータのとがりの区間を計
算することにより、解析が行われた。

第９図ないし第１６図は、選択されたリアルタイム信号
にもとずいて、この発明により行われたとがり計算を示
す。これらの図において、第９図の波形は、比較のため
に作られた真正のサイン波である。第１０図および第１
１図の波形は、断続される、熱く、ほの暗い電球からの
放射線である。第１０図の波形を断続すると周波数が変
わる。第１２図の波形は晴れた日の太陽光の放射線に相
当する。第１３図、１４図および１５図の波形は、それ
ぞれ１００フィート、５０フィートおよび２０フィート
の距離にある火災からの放射線に相当する。最後に、第
１６図の波形は、所により曇りの日の太陽光から得られ
る。

これらの場合、計算は真のとがり式により行われ、上述
しようにで割算することにより得られるひろがりの
近似にもとずくものではない。

第９図ないし第１６図の波形の計算は２０のデータ点
（１０の正データ点と１０の負のデータ点）を表す。ミ
リボルト単位で後に増幅されるデータは表１の様にな
る。このうち、いくつかの信号については、適切な分解
能を得るために他の信号よりも余計に増幅してある。

表１および第９図ないし第１６図の波形で表される、各
信号は約１ボルトのＤＣレベルである。これは、分散と
とがりを得るためにデータ点は、平均値（）を引算す
るので、変わらない。

表１から明らかなように、第９図ないし第１１図の断続
された波形は、例え第１０図のように周波数が変わった
としても、真のサイン波（第９図）に非常に近いとがり
を有する。他方、火災は、例え１００フィートの距離で
も根基的に異なるとがり（Ｋ＝２．５ないし３．２）を
有し、真にランダム処理した場合のとがりに非常に近い
値を有している。

第１２図および第１６図に示す太陽光信号は、断続信号
というよりランダム信号のように見える。第１２図の小
さい方の太陽光信号は、火災信号と断続信号との間の領
域にあるとがりを有している。他方、第１６図の大きな
太陽光信号（２０点計算ではなく１５点計算）は火災の
とがりと同様のとがりを有している。これは断続性に対
するランダム性による。火災検出システムのアプリケー
ションでは、曇りの日の太陽光のとがりは高いので、直
接太陽光がある場合でも、上述した２つの同時係属出願
（米国特許第４、６９１、１９６号および米国特許第
４、６３９、５９８号）の主題である機構のような他の
機構により火災が検出できる。

第１７図のフローチャートはとがりテストがアップダウ
ンカウンタテストとともにどのように機構化されている
かを示す。１／３秒経過したかを判定する箱はカウント
ダウンを行う３ヘルツカウンタ７２を表す。カウンタ７
２は勾配極性の変化により発生されるピーク信号により
カウントアップされる。しきい値である４のカウントの
値は、勾配変化からのデータが、火災を表すのに十分高
速に受取られるかどうかの判断点として用いられる。

同様に、２．４のとがりの判断点は、データ点群が火災
を示すように適当に分布しているかどうかを示すのに用
いられる。この２．４という基準レベルは、非火災のと
がりが１．０ないし１．９にあるので、表１から２．５
ないし３．２のレンジにある火災のとがりの分散から経
験的に得られる。

第１８図は火災の存在を検出するために、受取った放射
線から標本データにｘ^２検定を行うためのフローチャー
トである。第１８図では、ｘ^２検定を計算するのに使用
されるビンの数があらかじめプログラムされている。さ
らに、トータル標本数Ｎのパーセンテージで表されるビ
ンあたりの標本の期待数がメモリにあらかじめプログラ
ムされている。従ってｅ^ｉを知り、とσに関してビン
の離散的境界が計算され、メモリ内のすべてのデータ点
はＫ個のビンに格納される。従って、ｂ_ｋはｋ番目のビ
ンに格納される標本の数である。このようにしてｘ^２検
定が計算され、判定値ｃと比較される。この判定値もＫ
を知ることにより、第１８図において、あらかじめプロ
グラムされている。

一例として、表１の第１５図の欄において、Ｎ＝２０の
標本を使い、Ｋ＝６の区間を用いて、９５％の信頼係数
レベルを有する正規の確立分布から得られる、仮説をテ
ストする場合について考える。火災区間境界Ｂ_ｊは、 −σ，−σ／２，，＋σ／２，および＋σ において等間隔になるように（任意に）選択しうる。誤
差の正規曲線の表から、これらの区間に入ると期待でき
る標本の数は、ｅ１ないしｅ６が、それぞれ３．２、
３．０、３．８、３．８、３．０および３．２である。

表１の第１５図の場合から、ｂ１ないしｂ６のカウント
がそれぞれ、３、２、７、３、２、および３である区間
にテスト標本が分類される。ｘ^２検定は次のように計算
される。

９５％の信頼係数レベルで自由度３のｘ^２検定表から、
判定値ｃ＝７．８１となる。表１の例はこれよりも小さ
く、それゆえ、２０のデータ点は９５％の信頼係数を有
して正規に分布していると判断される。ｃに近いｘ^２検
定の値の場合、第１３図の欄に示すように、メモリ内の
データ標本の数にもとずいて判定テストが行われる。デ
ータ標本の数が２０より少ない場合、ｘ^２検定は信頼度
が少なくなる。従って、メモリ内の標本の数が２０より
少ない場合、ｘ^２検定値は、とがり／カウンタテスト結
果と矛盾する場合、無視される。メモリ内のデータ点が
２０以上ある場合、信頼性を高めるために、ｘ^２検定の
出力がとがり／カウンタテストの出力と結合される。

要約すると、この発明は、火災源と、放射線の人工源と
を弁別するための手段として、検出された放射線信号に
統計学的解析を加えるものである。この統計学的解析を
時間領域の放射線に適用することにより、いままで作ら
れた周波数領域検出システムに別の次元の能力を提供す
ることができ、このようなシステムとの組合わせによ
り、検出感度を高め、偽のアラーム信号を弁別すること
ができる。この発明の統計弁別器によれば、マイクロプ
ロセッサに適応した統計解析パラメータを用いて信号の
サンプリングとデータ処理を行うことができる。この発
明では、真のとがり式に従う。この発明によれば、マイ
クロプロセッサの処理速度を遅くする乗算、平方、４の
ベキ、あるいは平方根の計算を無くした簡単なアプロー
チによりとがりが近似される。

また別の装置によれば、アップダウンカウンタを用い
て、火災では起り得ない低周波信号が信号処理を妨害す
るのを防止している。

この発明を用いて効果を得るような態様で説明するため
に、この発明の火災検出統計弁別器の特定の構成につい
て述べたが、この発明はこれに限られるものではない。
従って、例えば、ランダム処理にもとずく他のテストの
ように当業者により考えられる、他の実施例、変形例、
あるいは均等物は添附したクレームで定義されるこの発
明の範囲内にあると考えるべきである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】火災源からの放射線を含むあらかじめ選択
された放射線に応答する放射線検出器に接続されるロウ
パスフィルタと；前記ロウパスフィルタの出力端子に接続され、残りの信
号成分のピーク値を検出するピーク検出手段と；ピーク信号を処理し、ピーク信号の各予測される平均値
と、平均偏差値を計算する手段と；前記平均偏差値を計算する手段と接続され、前記ピーク
信号を、前記予測される平均値、および平均偏差値と結
合し、信号のひろがりのレベルを計算する手段と；およ
び前記信号のひろがりのレベルおよび対応する平均偏差値
を受け取るように接続され、前記信号のひろがりのレベ
ルを平均偏差値で除算して、放射線変調を決定し、放射
線変調値が所定の基準レベルを越えたとき火災と判断す
る手段とを有する火災検出器を備えたことを特徴とする
火災検出装置。
【請求項２】前記ピーク検出手段は、前記フィルタの出
力端子に接続され、極性に応じて信号のピーク値を分離
し、逆極性のピーク信号を一対のパラレル信号チャンネ
ルに印加する、一対の逆極性ピーク検出器から成り、前
記２つの信号チャンネルに接続され、前記正および負の
極性ピーク信号を、前記予測される平均値と結合し、前
記予測平均値からの各ピーク信号の偏差に対応する信号
レベルを作る手段と、各ピーク信号偏差を前記予測平均
偏差値と結合する手段とを更に有したことを特徴とする
請求の範囲第１項に記載の火災検出装置。
【請求項３】前記ロウパスフィルタとピーク検出器との
間に接続され、小さな信号の変化に対してピーク検出器
が応答しないようにするための不感帯を作る手段を更に
有したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の火災
検出装置。
【請求項４】前記不感帯を作る手段は、前記ロウパスフ
ィルタからの出力信号に応答するように結合された、所
定のレベルの感度を有するヒステリシス段で構成される
ことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の火災検出装
置。
【請求項５】前記２つの信号チャンネルの各々は、対応
するピーク検出器の出力端子に接続されたロウパスフィ
ルタ段を有することを特徴とする請求の範囲第２項に記
載の火災検出装置。
【請求項６】前記パラレル信号チャンネルの各々は、各
出力端子に、予測平均値と予測平均偏差値を出力する第
１の一対の増幅器の入力端子に信号を供給するように接
続されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載
の火災検出装置。
【請求項７】各入力端子に予測平均値と対応する前記ピ
ーク検出器からの正および負のピーク信号の１つを受け
取るように接続され、前記予測平均値からの各ピーク信
号の偏差に対応して各偏差信号を供給する第２の一対の
増幅器をさらに有したことを特徴とする請求の範囲第６
項に記載の火災検出装置。
【請求項８】前記各偏差信号を、予測平均偏差値と結合
する加算段と、前記加算段の出力端子に接続され、前記
加算段からの出力信号を平滑化し、信号のひろがり値を
作るロウパスフィルタをさらに有したことを特徴とする
請求の範囲第７項に記載の火災検出装置。
【請求項９】前記火災と判断する手段の出力端子と接続
され、前記変調を一定の基準しきい値レベルと比較し、
前記基準しきい値を越えた変調に対する火災検出を示す
出力信号を作る手段をさらに有したことを特徴とする請
求の範囲第１項記載の火災検出装置。
【請求項１０】アップダウンカウンタと、前記ピーク検
出器からのピーク信号を前記カウンタの一方の入力端子
に供給し、第１の方向にカウントする手段と、前記他方
の入力端子に供給され、第２の方向にカウントさせるク
ロック信号と、前記カウンタの出力端子と接続され、前
記カウンタからの出力信号を、あらかじめ選択された基
準レベルと比較し、前記あらかじめ選択された基準レベ
ルを越えたときの前記カウンタのカウント状態に応じて
論理的にＴＲＵＥの信号を出力し、それにより火災の検
出を示すしきい値とをさらに有したことを特徴とする請
求の範囲第１項記載の火災検出装置。
【請求項１１】放射線変調を示す信号を受け取るように
接続され、あらかじめ選択された基準レベルと比較し、
前記放射線変調が前記比較段の基準レベルを越えたとき
火災の検出を示す論理的ＴＲＵＥの信号を出力する比較
手段をさらに有したことを特徴とする請求の範囲第１０
項に記載の火災検出装置。
【請求項１２】前記しきい値段および比較手段からの各
出力信号を受け取るように接続され、前記しきい値段お
よび前記比較手段からの論理的ＴＲＵＥ信号が一致した
とき火災の検出を示す論理的ＴＲＵＥ出力信号を供給す
るＡＮＤゲートをさらに有したことを特徴とする請求の
範囲第１１項記載の火災検出装置。
【請求項１３】火災源からの放射線を含むあらかじめ選
択された放射線に応答する放射線検出器に接続されるロ
ウパスフィルタと；前記ロウパスフィルタの出力端子に
接続され、残りの信号成分のピーク値を検出するピーク
検出手段と；ピーク信号を処理し、ピーク信号の各予測
される平均値と、平均偏差値を計算する手段と；前記平
均偏差値を計算する手段と接続され、前記ピーク信号
を、前記予測される平均値、および平均偏差値と結合
し、信号のひろがりのレベルを計算する手段と；前記信
号のひろがりのレベルおよび対応する平均偏差値を受け
取るように接続され、前記信号のひろがりのレベルを平
均偏差値で除算して、放射線変調を決定し、放射線変調
値が所定の基準レベルを越えたとき火災と判断する手段
とを有する一対の火災検出器と、放射線検出器および関連する増幅器から成る検出チャン
ネル群であって、前記各火災検出器が対応する出力端子
に接続される検出チャンネル群とを具備し、前記１のチャンネルの放射線検出器は、７乃至２５ミク
ロンのレンジの長波長放射線に応答するように選択さ
れ、他のチャンネルの放射線検出器はあらかじめ選択された
レンジの短波長放射線に応答するように選択されること
を特徴とする火災検出装置。
【請求項１４】前記あらかじめ選択されたレンジは０．
８乃至１．１ミクロンであることを特徴とする請求の範
囲第１３項に記載の火災検出装置。
【請求項１５】前記あらかじめ選択されたレンジは１．
３乃至１．５ミクロンであることを特徴とする請求の範
囲第１３項に記載の火災検出装置。
【請求項１６】前記２つの火災検出器と並列に接続さ
れ、火災からの放射線の検出を示す結合された出力信号
を供給する相互相関検出器をさらに有したことを特徴と
する請求の範囲第１３項に記載の火災検出装置。
【請求項１７】前記相互相関検出器は別個の入力端子を
介して両検出チャンネルから信号を受け取るように接続
され、前記火災検出器からの出力信号に並列に第１の検
出出力信号を供給することを特徴とする請求の範囲第１
６項に記載の火災検出装置。