專利名稱：多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及消防領(lǐng)域，具體是涉及基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測(cè)器。
背景技術(shù)：
火災(zāi)的巨大危害不言而喻。人們一直尋找新的技術(shù)和方法，以期對(duì)火災(zāi)進(jìn)行檢測(cè) 控制，達(dá)到最大程度的減小“火”給人們帶來(lái)的災(zāi)難。目前通用的火災(zāi)探測(cè)方法是探測(cè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)生成的煙，經(jīng)信號(hào)處理、比較和判斷 后發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，但此類報(bào)警系統(tǒng)多是火災(zāi)已經(jīng)形成后進(jìn)行的報(bào)警。隨著城市建筑物朝著高層化、密集化的方向發(fā)展，建筑物的裝修用料和方式也越 趨多樣化，并且用電量及天然氣耗量的加大，對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高、更嚴(yán)格 的要求。近些年來(lái)大空間建筑(例如大型公共娛樂場(chǎng)所、歌劇院、大型倉(cāng)庫(kù)、大型集貿(mào)市場(chǎng)、 車庫(kù)、油庫(kù)、候車大廳和候機(jī)大廳等)及地下建筑(如地下隧道、地鐵站道、地下大型停車場(chǎng) 和地下商業(yè)街等)的數(shù)量不斷增加，由于此類建筑內(nèi)部往往舉架高、跨度大，火災(zāi)初期煙霧 擴(kuò)散受到建筑內(nèi)部安裝的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)等影響較大，有的場(chǎng)所人員密集，易燃品多，火災(zāi) 隱患多。而且此類建筑火災(zāi)蔓延迅速，生成煙氣毒性大，人員疏散避難及火災(zāi)撲救困難，一 旦發(fā)生火災(zāi)往往造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，從被動(dòng)的火災(zāi)撲救發(fā)展到 主動(dòng)的去探測(cè)預(yù)防火災(zāi)，探測(cè)和撲救并行，以期將其扼殺在尚未造成太大破壞發(fā)生的早期 是目前火災(zāi)報(bào)警的重點(diǎn)和難題?？v觀目前的探測(cè)技術(shù)，如圖1所示，接觸式探測(cè)有感溫探測(cè)技術(shù)、感煙探測(cè)技術(shù)、 氣體探測(cè)技術(shù)，靜電探測(cè)技術(shù)等。非接觸式探測(cè)有火焰探測(cè)技術(shù)、聲音探測(cè)技術(shù)、圖像探測(cè) 技術(shù)等。它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如感溫探測(cè)技術(shù)靈敏度低，探測(cè)速度慢，報(bào)警時(shí)間遲， 易受氣溫或溫度變化的影響，對(duì)陰燃火反應(yīng)差，不適用于早期報(bào)警。感煙探測(cè)技術(shù)無(wú)論是離 子感煙探測(cè)器還是光電感煙探測(cè)器都是對(duì)粒子進(jìn)行探測(cè)，易受各種灰塵、水滴、油霧、昆蟲 等粒子的干擾，誤報(bào)率高。火焰探測(cè)技術(shù)是一種對(duì)火焰發(fā)出的輻射進(jìn)行探測(cè)的火災(zāi)探測(cè)器， 當(dāng)響應(yīng)波長(zhǎng)低于400nm輻射磁通量時(shí)為紫外探測(cè)，波長(zhǎng)高于700nm輻射磁通量時(shí)為紅外探 測(cè)，響應(yīng)速度快，可早期報(bào)警，但易受電焊弧、雷擊、照明、太陽(yáng)光的干擾?？梢哉f(shuō)，所有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測(cè)。在現(xiàn)有的各種火災(zāi) 報(bào)警和消防監(jiān)控設(shè)備中，大多數(shù)場(chǎng)所的火災(zāi)檢測(cè)中，都采用常規(guī)的火災(zāi)探測(cè)的方法，如感 煙、感溫、感光探測(cè)器，它們分別利用火焰的煙霧、溫度、光的特性來(lái)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)。但在 室外倉(cāng)庫(kù)和大型室內(nèi)倉(cāng)庫(kù)等大空間場(chǎng)合中，上述傳感器信號(hào)由于空間的巨大而變得十分微 弱，即使是高精度的傳感器也會(huì)由于種種干擾噪聲而無(wú)法工作。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器用于對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)敏感現(xiàn)象(如煙霧濃度、溫度、火焰等)的實(shí) 時(shí)變化進(jìn)行檢測(cè)，提取實(shí)時(shí)參數(shù)，它的性能優(yōu)劣直接會(huì)影響火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的準(zhǔn)確度和可靠 性。因此，火災(zāi)探測(cè)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。由于一些大空間及地下建筑的 特殊性，普通的點(diǎn)型感煙、感溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息， 這些傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在一定的缺陷。[0008]一方面是因?yàn)樵谝粋€(gè)實(shí)際應(yīng)用的建筑物系統(tǒng)中各種探測(cè)器所處的環(huán)境相互之間 相差較大，每個(gè)探測(cè)器本身在一天或一年中不同的時(shí)刻相差較大。
另一方面，火災(zāi)危險(xiǎn)的場(chǎng)所往往不能使用感煙、感溫傳感器，因?yàn)槌跗诨鸬臒岷蜔?難以到達(dá)空間很高的場(chǎng)所，如劇場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等，這類探測(cè)器因此難以滿足早期探測(cè)并預(yù)報(bào)此類 建筑火災(zāi)的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，在高大空間或具有高速氣流的場(chǎng)合，尤其是在戶外(如森林防火)，早 期火災(zāi)的煙霧探測(cè)在世界范圍內(nèi)都是一個(gè)難題。因?yàn)樵谶@類環(huán)境下，存在著許多影響火災(zāi) 探測(cè)的因素，主要包括探測(cè)方式、空間高度、熱量屏障、覆蓋范圍、氣流速度、易爆、有毒氣 體、可以接受的誤報(bào)率、警報(bào)信息管理以及遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)鹊?。傳統(tǒng)的探測(cè)手段往往在這樣 的環(huán)境中失去了作用。在這種情況下，由于圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)對(duì)于火災(zāi)探測(cè)具有非接觸 式探測(cè)的特點(diǎn)，不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，使得該項(xiàng)技術(shù)成為在大 型工廠、倉(cāng)庫(kù)、森林等大空間和室外開放空間進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)的有效手段。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的之一是提供一種不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的 限制，可在大空間和室外開放空間(如森林防火)進(jìn)行火災(zāi)早期探測(cè)，誤報(bào)率低，且價(jià)格低 廉的多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器。本實(shí)用新型的另一目的是提供一種不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的 限制，可在大空間和室外開放空間(如森林防火)進(jìn)行火災(zāi)早期探測(cè)，的多波段紅外圖像型 大空間火災(zāi)探測(cè)器。為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型之一技術(shù)方案為多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元 及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理 和控制單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對(duì)符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的 即向報(bào)警單元報(bào)警，其中，圖像采集單元由半透半反分光鏡、及加裝紅外濾光片的圖像采集 裝置組成，其中被監(jiān)測(cè)區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長(zhǎng)紅外濾光片的兩個(gè)圖像采 集裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步地；圖像采集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像 頭與所述加裝濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置位于同一個(gè)位置，用于檢測(cè)同一個(gè)火災(zāi)區(qū)域，當(dāng) 由所述圖像采集裝置監(jiān)測(cè)的圖像被認(rèn)定符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述彩色攝像頭開始抓拍火災(zāi) 圖像。進(jìn)一步地；所述圖像采集裝置是USB數(shù)字?jǐn)z像頭；或由CXD模擬攝像頭和SDK圖像 采集卡組成。進(jìn)一步地；多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器還預(yù)留有通訊接口，可以與任何 滅火系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。其中兩濾光片波長(zhǎng)的選取可根據(jù)不同探測(cè)場(chǎng)合的溫度需要，依據(jù)維恩位移定律 λ_τ = a求出在某個(gè)溫度下光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)，和依據(jù)不同圖像采集裝置對(duì)能 夠成像波長(zhǎng)的響應(yīng)度來(lái)適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片。如果采用紅外焦平面陣列制作的攝像頭(熱像 儀)，則只要依據(jù)維恩定理計(jì)算出所需探測(cè)溫度的紅外濾光片波長(zhǎng)即可。[0019]本實(shí)用新型另一技術(shù)方案為多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元 及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理 和控制單元的處理，判斷所采集到的紅 外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對(duì)符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的 即向報(bào)警單元報(bào)警，其中，圖像采集單元由半透半反分光鏡和紅外焦平面陣列熱像儀組成， 其中被監(jiān)測(cè)區(qū)域通過半透半反分光鏡被兩個(gè)紅外焦平面陣列熱像儀同時(shí)監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型中所述的半透半反鏡是能夠?qū)θ肷涞墓馔干?0%光強(qiáng)，反射50%光 強(qiáng)，達(dá)到半透半反的效果。本實(shí)用新型中采用的半透半反鏡適用波長(zhǎng)范圍為400nm-750nm， 這是較常用的一種。其主要作用是為兩個(gè)加裝紅外濾光片的攝像頭提供相位完全一致的成 像光路，這就有效地保證了兩個(gè)位置不相重疊的攝像頭能夠拍攝到相位完全一致的紅外圖 像，而這兩幅相位完全一致的紅外圖像，在進(jìn)行圖像處理時(shí)，可以大大簡(jiǎn)化火災(zāi)圖像識(shí)別算 法的復(fù)雜度，有效提高火災(zāi)判別的精確度，誤報(bào)率低。一般來(lái)講，火災(zāi)圖像具有如下的特點(diǎn)早期火災(zāi)的熱物理現(xiàn)象主要有陰燃、火羽流、煙氣。陰燃是只在氣固相界面處的燃燒反應(yīng)，而沒有氣相火焰的燃燒現(xiàn)象。陰燃的溫度 較低，燃燒速度慢，不易發(fā)現(xiàn)，因而危險(xiǎn)性很大。作為自我維持而無(wú)明火燃燒，陰燃的典型溫 度范圍 600K-1000K?；鹩鹆魇侨魏位馂?zāi)都要經(jīng)歷的一個(gè)重要的初始階段即在火焰上方由浮力驅(qū)動(dòng)的 熱氣流持續(xù)上升進(jìn)入新鮮空氣所占區(qū)域。從火災(zāi)初起，就存在著這種被稱為火羽流的燃燒 現(xiàn)象。由于其包括火焰部分，故稱為火羽流?；鹩鹆鞯臏囟仁请S位置和時(shí)間變化且因燃燒 材料的不同而不同。由于熱解的典型溫度在600K-900K之間，而氣相火焰為1200K-1700K。 對(duì)火災(zāi)探測(cè)有意義的早期火羽流溫度不應(yīng)大于1700K。因此，典型的火羽流溫度范圍為 500K-1700K。煙氣是燃燒產(chǎn)物中的微小顆粒的集合。由于煙氣在流動(dòng)的過程中與周圍環(huán)境的熱 交換，其溫度逐漸下降，因此可以確定一般條件下，煙氣溫度的上限低于火羽流的溫度，而 下限高于環(huán)境溫度。一般為300K-800K。早期火災(zāi)各種熱物理現(xiàn)象的溫度范圍及對(duì)應(yīng)峰值 波長(zhǎng)范圍如圖2所示上述熱物理現(xiàn)象在火災(zāi)發(fā)生時(shí)都因與周圍環(huán)境存在著溫度差而有一定的邊緣和 形體效應(yīng)。通常，這種邊緣和形體效應(yīng)在可見光的范圍內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)，就是所謂的圖像信息。 若要領(lǐng)先其自身發(fā)光而表現(xiàn)出物體形體的圖像信息，其溫度必須在600K以上。獲得圖像信 息后，就要根據(jù)火災(zāi)輻射與背景輻射的區(qū)別，將其檢測(cè)出來(lái)。火災(zāi)輻射特點(diǎn)根據(jù)不同的性質(zhì)，火焰可以分為兩種，即預(yù)混合火焰和擴(kuò)散火焰。 預(yù)混合火焰具有藍(lán)色本性燈火焰的特征，火焰的燃燒是完全的。擴(kuò)散火焰是較普通的黃色 火焰，這種火焰是由于不完全燃燒的結(jié)果而形成的。這兩種性質(zhì)不同的火焰的光譜能量分 布特征如圖3所示?；鹧媸前鞣N燃燒生成物和中間物的高溫氣體和以含炭物質(zhì)、無(wú)機(jī)物為主體的 高溫固體微粒構(gòu)成。因此，火焰的熱輻射包含離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射。 火焰的波長(zhǎng)在0. 2-10 μ m的范圍內(nèi)，不同物質(zhì)的燃燒，其輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)分布多少有些不 同。如圖4所示各種不同材料的火焰光譜能量分布。[0030]可以看出，大多數(shù)材料如紙張、木材、油類、汽油和其它烴類物質(zhì)不僅發(fā)出可見光 輻射，而且還有很強(qiáng)的紅外輻射。閃爍閃爍是火焰區(qū)別其它輻射的一個(gè)顯著特征。研究表明，自由燃燒狀態(tài)下的火 焰產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的閃爍，如果對(duì)火焰發(fā)出的紅外線頻率進(jìn)行分析，可以觀測(cè)到其峰值頻率約 IOHz左右。當(dāng)然，受到火災(zāi)規(guī)模和風(fēng)的影響，其閃爍頻率在2-20Hz之間范圍內(nèi)會(huì)有所變化。由于擴(kuò)散火焰的輻射受這個(gè)有意義的調(diào)制量作用，而背景輻射一般情形下沒有類 似這種方式的調(diào)制作用，因此，按火焰閃爍原理工作的探測(cè)器可表現(xiàn)出對(duì)背景分辨能力很 大的改進(jìn)，從而相應(yīng)地減少誤報(bào)率。輻射亮度增長(zhǎng)液體火災(zāi)的輻射亮度的增長(zhǎng)速率很高，而對(duì)于像木材類的火災(zāi)輻 射亮度的增長(zhǎng)速率卻低得多。探測(cè)器探測(cè)初期火災(zāi)，檢驗(yàn)火災(zāi)初始的輻射亮度的增長(zhǎng)速率 是十分有用的。輻射面積增長(zhǎng)火災(zāi)從發(fā)生起就開始不斷地蔓延擴(kuò)散，其輻射面積在火災(zāi)發(fā)生的 初期速率增長(zhǎng)很高，而后慢慢降低。探測(cè)器探測(cè)初期火災(zāi)，檢驗(yàn)火災(zāi)初始的輻射面積增長(zhǎng)速 率是十分有用的。背景輻射特點(diǎn)在任何火災(zāi)探測(cè)過程中，均存在著一定的背景信號(hào)，因此，火災(zāi)信 號(hào)必須與背景信號(hào)區(qū)別開來(lái)。對(duì)于火焰探測(cè)器來(lái)說(shuō)，背景輻射信號(hào)主要來(lái)自太陽(yáng)的天然輻 射(陽(yáng)光直射、通過反射表面的反射)、其它自然光源和高強(qiáng)度的人工輻射光源的輻射。太陽(yáng)輻射在紅外光譜區(qū)，太陽(yáng)輻射是一種溫度約為6000K的黑體輻射。然而，在 地球上看到的太陽(yáng)光譜受大氣吸收而改變，在小于280nm的波長(zhǎng)上，陽(yáng)光輻射完全被上層 大氣的臭氧層吸收。在2. 7 μ m波長(zhǎng)上，由于水蒸氣和CO2的作用，在4. 3 μ m的波長(zhǎng)上，完 全由于CO2的作用，陽(yáng)光輻射也完全被吸收。火焰探測(cè)器的設(shè)計(jì)通常利用陽(yáng)光輻射被吸收的這些譜帶。背景輻射調(diào)制作用盡管太陽(yáng)是一穩(wěn)定的輻射源，但大氣的不均勻性引起的閃爍 將導(dǎo)致在地面上任意點(diǎn)接受的輻射有一個(gè)幅值調(diào)制分量。直接或經(jīng)反射的太陽(yáng)輻射的調(diào)制 作用，也可能由于云霧遮擋、風(fēng)吹樹葉及水面波浪、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)等引起。處于火焰閃爍頻率范 圍內(nèi)的背景輻射的調(diào)制作用必須引起足夠重視。人工輻射源與太陽(yáng)輻射源相比，人工輻射源的輻射比較容易預(yù)防。人工光源的總輻射能量通常是小于陽(yáng)光輻射能量。人工光源的變化是瞬間的，輻射亮度和面積增長(zhǎng)速率在瞬間由極大變?yōu)榱愕?。根?jù)普朗克輻射定律，凡是溫度大于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射。自然界 中實(shí)際物體的溫度均高于絕對(duì)零度。因此，自然界中的任何物體都存在紅外輻射，同時(shí)也吸 收周圍其它物體的紅外輻射。根據(jù)普朗克公式，絕對(duì)黑體的輻射出射度Μλ與黑體溫度T和 波長(zhǎng)λ的關(guān)系為Μλ = cI^"5 --(2-1)
e /λΓ -1其中C1 = 3. 7418 X 1(T16(W · m2)叫第一輻射常數(shù)，C2 = 1. 4388 X IO"2 (m · K)叫做 第二輻射常數(shù)。黑體的輻射出射度Μλ的含義是在指定波長(zhǎng)λ處，輻射源單位表面積向半 球空間發(fā)射的輻射功率，單位為W· m_3。普朗克公式描述了黑體輻射的光譜分布規(guī)律，它揭 示了輻射與物質(zhì)相互作用過程中和輻射波長(zhǎng)及黑體溫度的依賴關(guān)系，是黑體輻射的理論基石出。斯忒藩_玻爾茲曼定律該定律表達(dá)為黑體單位面積輻射到半球空間的在λ i λ 2波段內(nèi)的總功率M (W · cm_2)為 微分普朗克定律式(2-1)，求出極大值，就得到維恩位移定律AmaxT = B(2-3)式中λ max-光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)，其中a是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，a的近似值 是0.2897cm· K，T為開氏溫度。因此，光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比。將 (2-2)式帶入(2-1)式，得出維恩定律的另一個(gè)形式，給出了光譜輻射出射度的峰值 式中-光譜輻射出射度的峰值(W*cm_2· ynrlb為 1. 2862X 10_15W · cm—2 · μ m—1 · K-5。如圖6給出了 300Κ-1700Κ絕對(duì)黑體光譜輻射出射度與 波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。這些曲線可以看出黑體輻射的幾個(gè)特性每根曲線不相交，與曲線下的面積成正比的總輻射出射度是隨溫度增加而迅速增 加的，因而溫度越高，所在波長(zhǎng)上的光譜輻射出射度也越大；光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)隨溫度增加向短波方向移動(dòng)。然而，在自然界中絕對(duì)黑體是不存在的，為了描述非黑體的輻射，引入輻射發(fā)射率 的概念，用ε Λ表示 輻射發(fā)射率的含義為，在相同溫度下，輻射體的輻射出射度與黑體的輻射出射度 之比，是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，還與輻射體的表面性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)物體輻射發(fā)射率ε Λ的不 同，將輻射體分為三類1)黑體，ε λ = 1 ；2)灰體，ε λ = ε < 1，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)；3)選擇體，ε λ < 1且隨波長(zhǎng)和溫度而變化?？梢钥闯?，黑體的輻射特性1)、2)同樣適用與一般物體。從目標(biāo)出發(fā)的紅外輻射，在到達(dá)紅外系統(tǒng)之前受到大氣中某些氣體的選擇性吸 收、大氣中懸浮微粒的散射，因此，輻射能受到衰減。紅外輻射通過大氣的透過率可表示 為T=e_ox(2-6)式中σ為衰減系數(shù)，χ為通過大氣路程的長(zhǎng)度。值得注意的是，較大的液體金屬的鑄造過程可能產(chǎn)生高強(qiáng)度的人工輻射光源。鎢 絲白熾燈在0. 75-1. 4μ m波段內(nèi)發(fā)射50%的功率，鎢絲燈輻射功率最大值位于1 μ m波段， 波長(zhǎng)大于3. 5-4 μ m的輻射絕大部分透不過燈泡玻璃。交流電的燈光(尤其是輝光放電燈 管)發(fā)射受調(diào)制的輻射，但其調(diào)制頻率是在火焰閃爍頻率范圍以外，故可由適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器排除。可燃物在燃燒時(shí)會(huì)釋放出頻率范圍從紫外到紅外的光波，在可見光波段，火焰圖像具有獨(dú)特的色譜、紋理等方面的特征，使之在圖像上有明顯的區(qū)別與背景。可以利用這些 特征，利用圖像處理的方法，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行識(shí)別。所以借助紅外波段的圖像識(shí)別，利用紅外成 像的原理獲取燃燒初期所發(fā)出的紅外圖像進(jìn)行圖像處理，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。濾光片波長(zhǎng)的選擇主要依賴于光譜輻射理論基礎(chǔ)?？梢姽鈭D像和紅外圖像在成像 機(jī)制上存在固有差異，同一場(chǎng)景可見光圖像提供的特征與紅外圖像提供的特征通常并不相 同，它們具有不同的灰度級(jí)別特征，在可見光圖像中出現(xiàn)的特征并不一定在紅外圖像中也 出現(xiàn)，從而達(dá)到消除部分干擾信號(hào)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，對(duì)我們有用的溫度范圍為600K-1700K，在這個(gè)范圍我們可以盡早 的對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警，人眼只對(duì)380nm 780nm的電磁波有亮度感覺，而波長(zhǎng)小于400nm的電 磁波稱為紫外線，波長(zhǎng)大于750nm的電磁波稱為紅外線?；鹧嫒紵募t外輻射主要集中于 950nm 2000nm 波段。因此必須采用某種合適波段的濾光片，使得檢測(cè)區(qū)域高溫目標(biāo)輻射的最大區(qū)域在 攝像頭上成像，壓制現(xiàn)場(chǎng)低溫背景成像的幅度，同時(shí)最大限度地保留監(jiān)測(cè)的火災(zāi)目標(biāo)的能 量，實(shí)現(xiàn)增加對(duì)比度的目的，清楚的采集到火災(zāi)初期發(fā)生的紅外圖像。不同波長(zhǎng)的紅外濾光片有不同的應(yīng)用效果，因此選擇適合于火災(zāi)圖像上的紅外濾 光片波長(zhǎng)是必要的。紅外濾光片的選取主要根據(jù)以下兩條原則依據(jù)維恩定理計(jì)算所需探 測(cè)溫度的紅外波長(zhǎng)和依據(jù)不同攝像頭對(duì)能夠成像波長(zhǎng)的響應(yīng)度。如果采用紅外焦平面陣列 制作的攝像頭(熱像儀)，則只要依據(jù)維恩定理計(jì)算出所需探測(cè)溫度的紅外濾光片波長(zhǎng)即 可。采用波長(zhǎng)是0.8μπι和Ι.Ομπι濾光片的透過率如圖5所示。針對(duì)火災(zāi)的實(shí)際情況，需要監(jiān)控系統(tǒng)能在一定大的范圍內(nèi)并且有較高的精度來(lái)檢 測(cè)出火災(zāi)隱患。單波段算法對(duì)火災(zāi)紅外圖像的采集，其像素會(huì)隨著距離和光照等外界因素 的變化而變化，從而大大降低了探測(cè)精度，增加了誤報(bào)率的可能性。雙波段算法能有效地消除距離和光照等外界因素的干擾，并且通過兩個(gè)攝像頭的 監(jiān)控，大大降低了誤報(bào)率。采用在兩個(gè)攝像頭前加紅外濾光片來(lái)檢測(cè)同一幅圖像，分別檢測(cè)兩個(gè)波段，然后 再進(jìn)行處理，得出的結(jié)果與距離無(wú)關(guān)，只要在攝像的范圍之內(nèi)的火災(zāi)就可以檢測(cè)到。雙波段的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面采用的雙波段的檢測(cè)手段，可以進(jìn)行在攝像范圍之內(nèi)的檢測(cè)，而不受距離的約束， 提高精度。通過兩個(gè)攝像頭的采集，通過采集的兩幅圖像像素比值的運(yùn)算，有效地消除距離 和光照等外界因素的干擾，減小誤報(bào)率?；鹧嫒紵龝r(shí)的紅外輻射主要集中于950 2000nm波段，所在圖像獲取的時(shí)候可使 用帶有紅外濾光片的攝像頭，該濾光片能完全濾除可見光。對(duì)于圖像處理和控制單元而言經(jīng)過紅外濾光片拍攝的圖像，其實(shí)并非為純灰度 的圖像，故先將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化處理。再針對(duì)二值化圖像 中亮的區(qū)域進(jìn)行邊沿檢測(cè)和邊緣處理，還可以轉(zhuǎn)換為直方圖，觀察灰度分布情況。對(duì)于本實(shí)用新型圖像采集裝置而言，數(shù)字?jǐn)z像頭或模擬攝像頭與圖像采集卡等方法均可使用。其中USB數(shù)字?jǐn)z像頭包括CMOS攝像頭和焦平面陣列熱像儀。 市場(chǎng)上大多數(shù)圖像采集卡都是多路輸入，這樣便于一臺(tái)電腦可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)區(qū) 域。視頻采集設(shè)備可以將模擬攝像頭產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存 在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭拍攝到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過視頻采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)，才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。 數(shù)字?jǐn)z像頭可以將拍攝到得圖像直接通過USB接口傳到計(jì)算機(jī)里。現(xiàn)在電腦市場(chǎng) 上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以使用新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù) 字?jǐn)z像頭為主，目前市場(chǎng)上可見的大部分都是這種產(chǎn)品。CCD攝像頭在選擇攝像頭時(shí)，鏡頭是很重要的。按感光器件類別來(lái)分，現(xiàn)在市場(chǎng) 上攝像頭使用的鏡頭大多為CXD和CMOS兩種。其中CXD(ChargeCoupled Device,電荷耦 合組件)是應(yīng)用在攝像、圖像掃描方面的高端技術(shù)組件，CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件)則大多應(yīng)用在一些低端視頻產(chǎn)品中。但是這 樣的定位并不表示在具體的攝像頭使用時(shí)，兩者有很大區(qū)別。事實(shí)上經(jīng)過技術(shù)改造，目前 CXD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)大大的減小了。CCD是一種半導(dǎo)體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)、 抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至C⑶芯片上，C⑶根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng) 比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形 成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相 同的視頻圖像。USB攝像頭使用USB接口的攝像頭支持真正的即插即用，一旦你插入設(shè)備，系 統(tǒng)也會(huì)立即匯報(bào)，并為其尋找合適的驅(qū)動(dòng)程序，而且，USB攝像頭所使用的電源可以直接 從主板USB接口中得到，不再需要笨拙的獨(dú)立電源轉(zhuǎn)換器；USB(V2. 0)接口理論上提供了 480Mbps傳輸帶寬，傳輸速度大大高于電腦現(xiàn)有的外設(shè)端口。從這里不難看出，采用了 USB 接口的電腦攝像頭，在速度上是擁有很大優(yōu)勢(shì)的。紅外焦平面陣列熱攝像儀紅外熱攝像儀技術(shù)已成為全世界普遍關(guān)注的熱門產(chǎn)業(yè) 技術(shù)，像90年代中期的CXD固體攝像技術(shù)一樣，由于飛速發(fā)展的CXD制造技術(shù)已經(jīng)成熟，全 球范圍的各有關(guān)廠家中有的已批量投產(chǎn)，有的正在等待投產(chǎn)，CCD固體攝像機(jī)的應(yīng)用市場(chǎng)急 劇增長(zhǎng)，很快發(fā)展成為全球范圍的新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)包括生活領(lǐng)域(如數(shù)碼攝像機(jī)等)在內(nèi)的各 個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻而廣泛的影響。毫無(wú)疑問，從目前全球紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 來(lái)看，由于作為紅外熱攝像儀關(guān)鍵性技術(shù)的紅外探測(cè)器技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，特別是非致冷 紅外焦平面陣列技術(shù)取得的突破，實(shí)現(xiàn)了高性能廉價(jià)的小型化紅外攝像儀，解決了價(jià)格長(zhǎng) 期居高不下造成的應(yīng)用障礙，開拓了廣闊的民用和軍用市場(chǎng)。圖像采集卡本實(shí)用新型采用的采集卡是天敏公司帶可二次開發(fā)的SDK2000系列 采集卡。10M00NS SDK2000是一款專門針對(duì)系統(tǒng)開發(fā)商及電腦DIY發(fā)燒友的高品質(zhì)PCI視 頻卡。SDK2000具有高品質(zhì)的視頻采集性能，具備高速PCI總線，兼容即插即用(PNP)，支持
一機(jī)多卡。提供功能全面的二次開發(fā)包(以下簡(jiǎn)稱SDK)?？梢赃x擇VisualBasic、VisualC++、 Delphi等多種編程語(yǔ)言通過SDK進(jìn)行開發(fā)，SDK中包含DLL動(dòng)態(tài)庫(kù)(VC使用)，OCX控件(VB，Delphi使用)及其詳細(xì)說(shuō)明?？赏ㄟ^SDK控制圖像的輸入端口，圖像亮度，對(duì)比度，色 度，灰度等輸入信號(hào)，動(dòng)態(tài)截取圖像，以AVI格式進(jìn)行錄像偵測(cè)圖像是否有移動(dòng)目標(biāo)等等。

圖1火災(zāi)探測(cè)器分類示意圖 圖2早期火災(zāi)溫度及峰值波長(zhǎng)分布圖3火焰的光譜能量分布圖4各種不同材料的火焰光譜能量分布圖5本實(shí)用新型所選用的濾光片透過率曲線示意圖圖6300K-1700K絕對(duì)黑體光譜輻射出射度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖7本實(shí)用新型多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1 結(jié)合附圖7可見，多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，圖像采集單元 由半透半反分光鏡、紅外濾光片及USB攝像頭1和USB攝像頭2組成，加裝0. 8 μ m波長(zhǎng)濾 光片的攝像頭1和加裝1. 0 μ m波長(zhǎng)濾光片的攝像頭2固定朝向兩條垂直的光路，通過半透 半反分光鏡同時(shí)監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)區(qū)域。圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單 元，經(jīng)過圖像處理和控制單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對(duì)符 合預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警。USB攝像頭1與USB攝像頭2為HD-HV1302UM型；本實(shí)用新型所使用的USB攝像 頭不限于此，市場(chǎng)銷售的USB攝像頭各種型號(hào)均可使用。圖像采集單元采用型號(hào)是EC5_1719CLDNA (嵌入之星)，是一款采用Intel筆記本 電腦芯片組945GM設(shè)計(jì)的高性能單板電腦。本實(shí)用新型所使用的嵌入之星不限于此，市場(chǎng) 上任何型號(hào)PC均可使用。其中，加裝濾光片的攝像頭可用紅外焦平面熱像儀替換，其輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)，可以省掉圖像采集卡而直接送入圖像處理和控制單元，紅外焦平面熱像儀作為 圖像采集單元的主要優(yōu)勢(shì)是低溫成像范圍寬，可以用于低溫物體可燃物的探測(cè)場(chǎng)合。而采 用CCD攝像頭加裝濾光片主要作用是替代價(jià)格昂貴的紅外焦平面熱像儀，來(lái)完成對(duì)監(jiān)控目 標(biāo)的紅外溫度圖像采集，CCD攝像頭以其價(jià)格低廉和高溫成像范圍寬等優(yōu)勢(shì)，使整個(gè)火災(zāi)探 測(cè)器的造價(jià)大幅度降低。實(shí)施例2 實(shí)施例1中，濾光片的波長(zhǎng)的選擇可根據(jù)具體火災(zāi)檢測(cè)場(chǎng)合的需要，依 據(jù)維恩定理計(jì)算所需探測(cè)溫度的紅外波長(zhǎng)和依據(jù)不同圖像采集裝置對(duì)能夠成像波長(zhǎng)的響 應(yīng)度選取不同的波長(zhǎng)。如果采用紅外焦平面制作的攝像頭(熱像儀)，則只要依據(jù)維恩定理 計(jì)算出所需探測(cè)溫度的紅外濾光片波長(zhǎng)即可。如木材燃點(diǎn)為250°C 300°C，則紅外濾光片 的波長(zhǎng)應(yīng)選取5. 54 μ m 5. 06 μ m之間，棉花燃點(diǎn)為210°C 255°C，則紅外濾光片的波長(zhǎng) 應(yīng)選取6. 0 μ m 5. 49 μ m之間，煙頭表面溫度700°C 800°C，則紅外濾光片的波長(zhǎng)應(yīng)選取 2. 98 μ m 2. 7 μ m之間，紙張燃點(diǎn)為130°C，則紅外濾光片的波長(zhǎng)應(yīng)選取7. 19 μ m 7. 0 μ m 之間，麥草燃點(diǎn)為200°C，則紅外濾光片的波長(zhǎng)應(yīng)選取6. 12 μ m 5. 9 μ m之間，滌綸纖維燃點(diǎn)為390°C，則紅外濾光片的波長(zhǎng)應(yīng)選取4. 37 y m 4. 1 y m之間等。實(shí)施例3 實(shí)施例2或?qū)嵤├?中，圖像采集單元還包括一個(gè)未加裝濾光片的彩色 攝像頭3，攝像頭1和攝像頭2監(jiān)測(cè)的圖像被認(rèn)定符合預(yù)設(shè)值時(shí)，未加裝濾光片的彩色攝像 頭3開始抓拍火災(zāi)圖像。彩色攝像頭3采用HD-HV1302UC型號(hào)。實(shí)施例4 如圖7所示，本實(shí)用新型采用半透半反鏡和不同波長(zhǎng)的紅外濾光片來(lái)通 過2個(gè)(HD-HV1302UM) USB攝像頭采集雙波段紅外圖像到探測(cè)器中，通過軟件的算法來(lái)探測(cè) 攝像頭1和攝像頭2所監(jiān)控區(qū)域是否有火災(zāi)。一旦有可疑的火災(zāi)發(fā)生，則通過與串口連接的 GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)端服務(wù)器，同時(shí)也通過系統(tǒng)平臺(tái)的網(wǎng)口，將報(bào)警信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端 服務(wù)器上。其中，GSM模塊采用的是Siemens公司的TC35，TC35是Siemens公司推出的無(wú)線 通信GSM模塊，模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連 接器、天線接口六部分組成。通訊接口采用CAN總線或RS-485串口，主要用于火災(zāi)發(fā)生后的各類現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音報(bào) 警、遠(yuǎn)程INTERNET報(bào)警、GSM短信電話報(bào)警等，以及和現(xiàn)有消防滅火設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，通訊接 口根據(jù)圖像處理和控制單元預(yù)設(shè)火情等級(jí)的需要，會(huì)給出指令控制滅火設(shè)備的啟動(dòng)。
權(quán)利要求多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元及報(bào)警單元，其特征在于圖像采集單元由半透半反分光鏡、及加裝紅外濾光片的圖像采集裝置組成，其中被監(jiān)測(cè)區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長(zhǎng)紅外濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，其特征在于圖像采 集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像頭與所述加裝濾光片的兩個(gè) 圖像采集裝置位于同一個(gè)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，其特征在于所 述圖像采集裝置是USB數(shù)字?jǐn)z像頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，其特征在于所 述圖像采集裝置由(XD模擬攝像頭和SDK圖像采集卡組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，其特征在于多 波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器預(yù)留有通訊接口，可以與任何滅火系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。
6.多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，包括圖像采集單元、圖像處理單元及報(bào)警單 元，其特征在于圖像采集單元由半透半反分光鏡和紅外焦平面陣列熱像儀組成，其中被監(jiān) 測(cè)區(qū)域通過半透半反分光鏡被兩個(gè)紅外焦平面陣列熱像儀同時(shí)監(jiān)測(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及消防領(lǐng)域，具體是涉及基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測(cè)器。本實(shí)用新型多波段紅外圖像型大空間火災(zāi)探測(cè)器，包括圖像采集單元、圖像處理單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理單元，經(jīng)過圖像處理單元的處理算法，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對(duì)符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，圖像采集單元由半透半反分光鏡、紅外濾光片及攝像頭組成，其中被監(jiān)測(cè)區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長(zhǎng)紅外濾光片的兩攝像頭同時(shí)監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型具有不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，可在大空間和室外開放空間進(jìn)行火災(zāi)早期探測(cè)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08B17/12GK201616160SQ200920072959
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者單一帆, 官慧峰, 官洪運(yùn), 李江 申請(qǐng)人:官洪運(yùn)