KR102476185B1 - 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓은 범위의 스펙트럼의 분석에 의해 화재시의 연기와 불꽃을 용이하게 감지하여 화재의 초기대응이 가능할 수 있을 뿐만 아니라 광범위한 영역에 걸쳐 화재의 감지가 가능하도록 된 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 화재를 예상하여 일정 공간의 감시영역(M)을 모니터링하도록 설치되는 화재감지시스템에 있어서; 감시영역(M) 상의 빛을 수광 가능하도록 된 광각렌즈(20)와; 상기 광각렌즈(20)가 장착되는 바디(31)와, 상기 바디(31) 내에 구비되어 상기 광각렌즈(20)에 의한 빛을 투과 또는 반사시켜 스펙트럼을 형성하도록 된 회절격자(33)를 포함한 분광기(30)와; 상기 분광기(30)에 연결되어 스펙트럼을 검출하도록 된 검출기(40)와; 상기 검출기(40)에 연결되어 스펙트럼을 분석하도록 된 프로세서(50)를 포함하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템이 제공된다.

Description

광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템{Fire sensing system using a wideband spectrometer}

본 발명은 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 범위의 스펙트럼의 분석에 의해 화재시의 연기와 불꽃을 용이하게 감지하여 화재의 초기대응이 가능할 수 있을 뿐만 아니라 광범위한 영역에 걸쳐 화재의 감지가 가능하도록 된 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템에 관한 것이다.

일반적으로 화재감지기는 열이나 연기 또는 불꽃 등과 같은 연소생성물에 의해 화재를 감지하게 된 것으로, 대개 작동방식이나 감지형태 등에 따라 기계적인 작동으로 온/오프되는 기계식 감지기나 온도나 연기 또는 불꽃 등을 개별적으로 감지하는 단일센서 또는 온도와 연기를 동시에 감지하는 열연복합센서 등으로 분류되어 있다.

그런데 통상적으로 연소생성물은 화재의 종류에 복합적으로 생성될 뿐만 아니라 화재상황이 아닌 경우에도 생성하는 경우가 있음으로 인해, 기존의 화재감지기의 경우에 화재상황에서 경보가 울리지 않는 오탐오류(false positive error)나 비화재상황에서 경보가 울리는 거짓부정오류(false negative error)와 같은 오동작이 빈번히 발생되어 작동 신뢰성이 떨어질 수 있는 것이다.

이러한 종래의 화재감지기는 화재시에 국부적인 공간에서 공기입자나 온도 또는 연기 등을 감지하는 통상의 포인트 센서(point sensor)와 같은 개념의 화재감지 기술인 것으로, 이는 전반적으로 민감도가 낮고 응답시간이 길 뿐만 아니라 안정성이 떨어지는 것인데, 연기감지센서는 공기의 확산으로 인하여 실내에서 신뢰도가 떨어질 수 있고, 열감지센서는 감지기의 주변 온도가 이미 높아진 상태에서 작동되는 감지원리로 인해 화재가 어느 정도 진행된 후에 감지가 이루어져 조기 검출이 어려운 단점이 있으며, 또한 불꽃감지기의 경우에는 실내에서 사용되고 있는 LED등에도 반응할 수 있음에 따라, 그에 따른 오검출을 일으킬 우려가 있는 것이다.

한편, 일부에서는 전술된 바와 같은 문제점을 개선하고자 영상기반의 화재 감지기는 CCTV에서 들어오는 영상 내의 불꽃 또는 연기를 알고리즘을 통해 영상을 분석 및 추출하여 감지하는 기술로, 이는 조기에 화재를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 화재의 진위여부를 모니터링에 의해 판단할 수 있기는 하나, 연기감지의 경우에는 확률모델을 사용하여 계산함으로 인해 데이터 정보가 많이 필요할 뿐만 아니라 처리속도가 느리고 가격이 비싸다는 단점이 있는 것이다.

또한 컬러영상을 이용하는 방법은 화재와 유사한 색인 조명 환경에 따라 오검출이 발생하는 단점이 있고, 적외선 영상을 이용하는 방법은 화재 영상의 명도 정보를 이용하여 화재라고 판단되는 기준치의 명도값을 갖는 영역을 화재로 검출하는데, 이는 명도 정보만을 가지고 판별함으로 인해 조명이나 환경의 변화에 따라 오검출이 발생될 우려가 있는 것이다.

한국 등록특허공보 제10-1165821호(2012. 07. 09)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 넓은 범위의 스펙트럼의 분석에 의해 화재시의 연기와 불꽃을 용이하게 감지하여 화재의 초기대응이 가능한 신속성을 갖출 수 있을 뿐만 아니라 연기와 불꽃을 동시에 다발적으로 감지하여 화재발생 상황에 대한 정확성과 광범위한 영역에 걸쳐 화재의 감지가 가능한 광역감지기능을 갖도록 된 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 화재를 예상하여 일정 공간의 감시영역(M)을 모니터링하도록 설치되는 화재감지시스템에 있어서;

감시영역(M) 상의 빛을 수광 가능하도록 된 광각렌즈(20)와;

상기 광각렌즈(20)가 장착되는 바디(31)와, 상기 바디(31) 내에 구비되어 상기 광각렌즈(20)에 의한 빛을 투과 또는 반사시켜 스펙트럼을 형성하도록 된 회절격자(33)를 포함한 분광기(30)와;

상기 분광기(30)에 연결되어 스펙트럼을 검출하도록 된 검출기(40)와;

상기 검출기(40)에 연결되어 스펙트럼을 분석하도록 된 프로세서(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 회절격자(33)는 상하 또는 좌우로 나란하게 배치되어 상호 다른 파장을 회절시키도록 된 제1 회절격자(34)와 제2 회절격자(35)로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 검출기(40)는 상호 다른 파장을 검출하도록 된 제1 검출기(41)와 제2 검출기(42)로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 분광기(30)에는 상기 회절격자(33)의 전단에 배치되어 상기 광각렌즈(20)로부터 수광된 빛을 집속하여 상기 회절격자(33) 측으로 입사시키도록 된 실린더렌즈(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템이 제공된다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 광각렌즈(20)를 통해 들어오는 빛을 분광기와 프로세서에 의해 스펙트럼을 분석함에 따라, 광각렌즈(20)에 의해 감시영역을 넓게 확보할 수 있을 뿐만 아니라 종래처럼 영상만으로 화재를 감지하는 방법보다 화재의 진위여부를 판단하는 데에 분석 및 처리속도가 빠르며, 본 발명은 적외선 영상을 이용하는 종래의 방법처럼 영상 정보를 이용하여 화재라고 판단되는 기준치의 명도값을 갖는 영역만을 화재로 검출하는 방식이 아니므로, 감시영역(M)의 조명환경 등의 변화에 따라 발생될 수 있는 오검출을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 회절격자(33)나 검출기(40)는 다른 파장을 회절 또는 검출하도록 복수개가 배치됨에 따라, 광대역 파장을 분리하여 검출 및 분석이 가능할 뿐만 아니라 이로 인해 회절격자(33)에 의해 회절된 파장의 스펙트럼이 겹침에 따른 분석상의 오류나 부정확성을 해소할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 회절격자(33) 측으로 입사시키도록 된 실린더렌즈(60)가 구비됨에 따라, 상기 실린더렌즈(60)에 입사광을 집속하여 회절격자(33)에 입사시켜 통상의 흡수분광기와 같이 대기중의 화학적 성분에 대한 정보를 광학적으로 추출 가능할 뿐만 아니라 이로 인해 화재발생시에 연소과정에서 발생되는 가스성분을 분석하여 화재 초기에 감지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 구성도
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 참고도
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 다른 참고도
도 4는 본 발명을 설명하기 위한 또 다른 참고도
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 구성도
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 구성도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 구성도

상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 다양한 일실시예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 화재감지시스템(10)은 화재가 예상되는 일정 공간의 감시영역(M)을 모니터링하도록 설치되는 것으로, 이를 위해 모니터링하는 감시영역(M)을 최대한 넓게 확보하도록 광각렌즈(20)를 사용하여 자연광을 집속하도록 구비되고, 상기 광각렌즈(20)에 의한 빛에 의해 스펙트럼을 형성하도록 된 분광기(30)가 구비되는데, 상기 분광기(30)는 광각렌즈(20)가 장착되는 바디(31)가 구비되고, 이 바디(31) 상에 상기 광각렌즈(20)에 의해 수광된 빛이 통과되는 슬릿(32)이 형성되며, 바디(31)의 내부에 상기 슬릿(32)을 통과한 빛을 투과 또는 반사시켜 스펙트럼을 형성하도록 된 회절격자(33)가 내장된 것으로, 이러한 분광기(30)에 의해서 광성분에 따라 달라지는 굴절률과 주파수에 의해 다양한 스펙트럼 데이터를 얻을 수 있게 된다.

또한 상기 분광기(30) 상에는 회절격자(33)에 의해 생성된 스펙트럼을 검출하기 위한 검출기(40)와 이 검출기(40)에 연결되어 스펙트럼을 분석하기 위한 프로세서(50)가 구비되는데, 상기 검출기(40)는 분광기(30)에 의한 스펙트럼 데이타를 카메라 또는 각 파장별 센서를 통해 전기적 신호로 바꾸어 상기 프로세서(50)에 전달하게 되고, 상기 프로세서(50)는 PC 등을 이용하여 화재 검출을 위한 알고리즘이 내장하여 상기 검출기(40)에 의해 전달된 스펙트럼 데이터를 분석하여 화재에 대한 진위여부나 발생상황에 대한 정보를 제공하게 된다.

이러한 본 발명은 종래처럼 단순영상만으로 판단하는 것이 아니라 입력광에 포함된 여러 파장의 빛을 회절격자(33)를 통해 각 파장으로 분리된 스펙트럼을 데이터화하고, 이 스펙트럼 데이터를 이용하여 화재를 감지하도록 된 것인데, 이러한 세부적인 구성의 설명에 앞서 화재발생시의 온도와 파장의 관계 등을 도시된 도면에 의해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2의 (a)는 흑체에서 방사되는 최대 온도와 최대 파장의 관계를 나타낸 그림으로, 이에 따르면 일반적인 화재의 경우 흑체의 경우에 완전히 일치하지는 않지만, 온도가 높을수록 스펙트럼이 짧은 파장 쪽에 위치되는 것을 알 수 있고, 가시영역 파장인 380~750nm인 영역에서는 온도가 피크를 포함한 영역에 도달해 있으므로, 분석단계에서 가시광선의 영역대의 파장이 검출된다면 이는 화재가 상당 부분 진행이 된 상태로 판단할 수 있는 것이다.

또한 도 2의 (b)는 대략 200~2000℃에서 방출되는 최대 파장의 관계를 나타낸 그림으로, 이는 통상의 Wien 법칙과 같이 온도가 높으면 높을수록 방출하는 파장은 짧아지는 것을 알 수 있고, 복사에 의한 열전달은 전자기파의 형태로 전환되어 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 전달되기 때문에 화재 초기의 발원부근의 온도를 원거리에서 검출하기 위해서는 복사에 의한 온도를 검출하는 것이 매우 효율적이고, 이러한 복사에 의한 열전달 분석은 온도와 파장간의 관계를 나타내는 Wien 법칙에 따른 수식 등을 분석할 수 있는 것이다.

한편, 도 3은 광성분을 영역별로 스펙트럼하여 나타내는데, 적외선 파장대역을 3구역을 세분화하여 나타낸 것이다. 여기에서 보면, 장파적외선(Long wave IR)파장 대역과 중파적외선 대역이 구분되는 파장이 4㎛인데, 이를 온도로 환산하면 대략 850℉ (454℃)로 이다.

대개 화재 초기에 발생하는 온도는 촛불의 심지에 가까운 온도(400~900℃)정도로 생각할 수 있는데, 이 온도의 파장은 전술된 바와 같이 적외선 대역에 해당되므로, 보통의 가시광선 대역에 사용되는 일반 카메라에서는 검출이 불가능한 파장대역인 것이다.

이상에서와 같이, 화재발생 초기 및 그 진행상태 등을 정확하게 파악하기 위해서는 가시광선으로부터 적외선 대역의 파장을 이르도록 넓은 영역의 파장을 검출할 수 있어야 하는 것이다. 본 발명에서는 전술된 바와 같은 광각렌즈(20)가 장착된 분광기(30)에 의해 광대역의 파장을 검출할 수 있는 것으로, 특히 상기 분광기(30)에 내장되는 회절격자(33)는 광원의 파장성분을 공간적으로 분산시키는 데에 이용되는 대표적인 광학 소자인데, 이를 도 4와 도 5에 의해 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 입사광은 파장별로 구분되지 않은 상태로 회절격자(33) 측에 도달되고, 입사광이 회절격자(33)를 통과한 후에 파장에 따라 회절각도로 분산되는데, 통상적으로 회절격자(33)의 기본원리는 격자표면에 생성된 홈(36)에서 반사된 광의 간섭효과를 이용한 것이고, 이 회절각도를 계산하기 위해서는 다음과 같은 회절격자 방정식을 이용할 수 있는 것이다.

식(1)

여기에서, d 는 회절격자 표면 1mm 당 포함된 홈(36)의 개수를 뜻하고, α는 회절격자(33)로의 입사각, β는 입사파장에 대한 회절각, m은 회절차수(m=±1, ±2, ±3, ...), λ는 입사파장을 나타낸다.

예를 들면, 회절격자(33)의 홈개수가 d=1800[lines/mm] 이고, 광원의 입사각이 49°이라면, +1차로 회절되는 각 파장의 회절각도가 식(1)에 의해 정해지는데, 800nm와 900nm 파장에 대해서 회절각을 계산하면 각각 62°와 43°를 얻을 수 있고, 이로부터 분산각은 두 각도의 차인 19°로 계산된다.

이와 같은 회절격자(33)를 결정하는데 있어서 고려할 가장 주요한 요소는 d값으로, 이 값에 따라서 회절각이 달라지고 그 결과 전체 분산각을 결정하는 요인이 되는데, d값이 크면 분산각이 증가하고, d값이 작으면 작은 회절효율을 가지게 되고, 광학계의 결상조건을 고려하여 d값이 변경될 수도 있기 때문에 최적화과정에서 조건이 수정될 수 있음은 당연하며, 이 분산각은 회절격자(33)를 통과한 뒤 선형 광센서 등에 최적의 상태로 맺히기 위한 센서배열이나 위치결정 등에 활용되는 것이다.

한편, 본 발명처럼 계산된 분산각이 넓으면 적용된 파장 영역이 보다 넓어지기 때문에 높은 파장의 2차 회절된 스펙트럼과 낮은 파장의 회절된 스펙트럼 영역이 겹쳐지는 현상이 일어날 수 있는 것으로, 이는 한 파장의 광원이 회절격자(33)를 통과한 후 식(1)에 의해 차수m의 값에 따라 여러 회절각도 값(

)이 나오는데, 식(1)에서 m은 정수로 크기가 1보다 높은 경우를 고차 회절각이라고 한다. 광대역 파장의 빛이 격자를 통과할 때, 차수가 인접한 스펙트럼에 대해 부분적으로 겹칠 수 있다. 이때에, 겹치지 않는 입력 최대 입사광의 파장대역을 '자유스펙트럼 범위'라고 하는데, 이는 다음과 같은 식(2) 방정식이 충족되면 λ1~λ2 범위의 파장을 가진 m차 빛을 겹치지 않고 사용할 수 있다.

식(2)

예를 들면, 400nm~1600nm 범위의 파장을 가진 1차 빛을 사용하는 경우, 400nm~800nm 범위의 파장대역의 2차 회절 빛들은 1차의 800nm~1600nm의 회절빛과 겹치게 되는데, 본 발명에서는 다음과 같은 구성에 의해 이를 해결하고자 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 분광기(30)의 바디(31) 상에 내장되는 회절격자(33)를 슬릿(32)으로부터 동일한 거리로 상하 배치되는 제1 회절격자(34)와 제2 회절격자(35)에 의해 자유스펙트럼 영역을 원천적으로 확보할 수 있도록 구비되는데, 이 상기 제1 회절격자(34)와 제2 회절격자(35)는 서로 다른 홈개수(d)를 갖도록 제작되어 다른 영역대의 파장을 회절시킬 수 있도록 구비된 것으로, 예를 들면, 제1 회절격자(34)를 400nm~800nm용으로 제작하고, 제2 회절격자(35)를 800nm~1600nm용 격자를 제작하여 상하로 수직으로 배치하여 광대역 파장을 동시에 처리 분리하면 가시광선과 열에 민감한 적외선 대역의 파장 성분을 독립적으로 분해할 수 있게 된다.

또한 자유스펙트럼 영역을 확보할 수 있는 다른 방법으로는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 검출기(40)는 다른 대역의 파장을 검출하도록 제1 검출기(41)와 제2 검출기(42)로 구성하여 나란하게 배치하는데, 예를 들면, 장파적외선인 400nm의 2차 회절광은 단파적외선 800nm의 1차 회절광과 겹칠 때에, 전술된 바와 같은 제1 검출기(41)와 제2 검출기(42)를 같은 위치에 배치하여 각각 다른 파장을 검출하도록 된 것이다.

이러한 본 발명은 가시광선 대역의 스펙트럼에서는 화재시 발생하는 영상의 특징을 추출하고, 적외선 대역의 스펙트럼에서는 온도에 대한 정보를 추출하여 이를 통합하며, 통합된 데이타를 러닝머신 기법 등을 통해 분석함으로써 빠르고 효과적인 화재 경보를 발생하는 시스템을 제공할 수 있게 된다.

한편 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 분광기(30) 상에는 슬릿(32)과 회절격자(33) 사이에 실린더렌즈(60)가 더 내장될 수 있는 것으로, 이러한 실린더렌즈(60)는 슬릿(32)을 통해 유입되는 입사광을 회절격자(33)에 대해 평행한 축으로 집속하여 상기 회절격자(33)에 입사시키는데, 이에 의해서는 통상의 흡수분광기와 같이 대기중의 화학적 성분에 대한 정보를 광학적으로 추출할 수 있게 된다.

이러한 방법은 화재발생 초기에 가연성 물질이 연소됨에 따라 방출되는 가스 및 빛의 변화를 분광기(30)와 프로세서(50)에 의한 스펙트럼 데이터를 분석하여 화재 초기에 정밀하게 감지할 수 있는 성능을 갖출 수 있을 뿐만 아니라 광학계로 입력되는 스펙트럼 데이타를 이용함으로 인해 넓은 공간에서도 화재를 감지할 수 있고, 이에 의해 화재 초기 경보와 화재의 근본 원인도 찾아낼 수도 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10: 화재감지시스템 20: 광각렌즈
30: 분광기 31: 바디
32: 슬릿 33: 회절격자
34: 제1 회절격자 35: 제2 회절격자
36: 홈 40: 검출기
41: 제1 검출기 42: 제2 검출기
50: 프로세서 60: 실린더렌즈

Claims (4)

1. 화재를 예상하여 일정 공간의 감시영역(M)을 모니터링하도록 설치되는 화재감지시스템에 있어서;
   감시영역(M) 상의 빛을 자연광 상태로 수광 가능하도록 된 광각렌즈(20)와;
   상기 광각렌즈(20)가 장착되는 바디(31)와, 상기 바디(31) 내에 구비되어 상기 광각렌즈(20)에 의한 빛을 투과 또는 반사시켜 스펙트럼을 형성하도록 된 회절격자(33)를 포함한 분광기(30)와;
   상기 분광기(30)에 연결되어 스펙트럼을 검출하도록 된 검출기(40)와;
   상기 검출기(40)에 연결되어 스펙트럼을 분석하도록 된 프로세서(50)를 포함하며;
   상기 회절격자(33)는 상호 다른 영역대의 파장을 회절시키도록 된 제1 회절격자(34)와 제2 회절격자(35)로 구성되되, 상기 제1 회절격자(34)와 제2 회절격자(35)는 상하로 나란하게 수직 배치된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 검출기(40)는 상호 다른 파장을 검출하도록 된 제1 검출기(41)와 제2 검출기(42)로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 분광기(30)에는 상기 회절격자(33)의 전단에 배치되어 상기 광각렌즈(20)로부터 수광된 빛을 집속하여 상기 회절격자(33) 측으로 입사시키도록 된 실린더렌즈(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 광대역 분광기를 이용한 화재감지시스템.

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