扩大火焰探测器探测视角的方法与流程

本发明涉及火焰探测领域，具体地说，涉及一种扩大火焰探测器探测视角的方法。

背景技术：

光学火焰探测器是根据物质在燃烧过程中发出的光谱来探测火灾是否发生。根据光谱波长的不同，大致可以分为紫外火焰探测器，紫红外火焰探测器，红外火焰探测器以及视频火焰探测器等。相比于烟感和温感火灾探测器，利用光谱检测的方法灵敏度高，探测距离远，能够对风、雨、高温、高湿以及环境光和人工光源等干扰信号具有很好的免疫作用，并且使用寿命长。

通常点型火焰探测器，需要多个探测器组合安装在一个空间区域内，如果每个火焰探测器的探测视角不稳定或者探测视角较小，那么就会带来视角盲区，即使在发生火灾的时候，也会带来漏报的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种扩大火焰探测器探测视角的方法，采用自适应阈值，在不改变产品硬件的条件下，可以有效地扩大火焰探测器的探测视角。本发明采用的技术方案是：

一种扩大火焰探测器探测视角的方法，包括：

步骤s1，提取表征探测角度变化的第一特征值，建立多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数；

步骤s2，通过多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数，计算预测火焰探测器的实际探测角度；

步骤s3，提取表征火焰能量的第二特征值；建立阈值关于探测角度的隶属度函数，所述阈值在探测角度为0度时最大，随探测角度增大而减小；通过阈值关于探测角度的隶属度函数计算当前预测的实际探测角度对应的阈值，若第二特征值大于等于该对应阈值，则该实际探测角度的火焰能够被检测。

进一步地，第一特征值采用两个不同探测通道的探测信号时域值经过傅里叶变换，取设定的火焰闪烁频率范围内的频谱最大值之比，比值记为λ，作为第一特征值。

进一步地，所述建立多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数，具体包括：

从中间向两侧划分不同的探测角度，在每个探测角度同等距离采集多组探测信号的数据样本，计算出每个探测角度对应第一特征值λ的最值和均值；

探测角度0度时λ的范围为[k1,k2],均值为s；±α1度处的λ的范围为[k3,k4]，-α1度处的λ均值为s1，+α1度处的λ均值为s2；±α2度处的λ的范围为[k5,k6]，-α2度处的λ均值为s3，+α2度处的λ均值为s4；±α3度处的λ的范围为[k7,k8]，-α3度处的λ均值为s5，+α3度处的λ均值为s6；α3>α2>α1>0；；假定s1小于s2，s3小于s4；

多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数如下式表示：

其中，p0(λ)为探测角度0度关于λ的隶属度函数，pα1(λ)表示探测角度α1度关于λ的隶属度函数，pα2(λ)表示探测角度α2度关于λ的隶属度函数，pα3(λ)表示探测角度α3度关于λ的隶属度函数。

进一步地，所述计算预测火焰探测器的实际探测角度，具体包括：

根据实际采集的探测信号样本根据式(1)、(2)、(3)、(4)计算0、α1、α2、α3的隶属度值得到一个一维数组pα，记作：

pα＝[p0,pα1,pα2,pα3](5)

根据一维数组pα，计算预测出该探测信号样本的实际探测角度α′，记为：

进一步地，步骤s3具体包括：

根据采集的各探测角度处的各n组探测信号样本的数据，提取第二特征值为采集的该探测角度下火焰信号时域的峰峰值；

分别计算探测角度在0度、±α1度、±α2度、±α3度处时域峰峰值的均值，记为m1,m2,m3,m4；令m1,m2,m3,m4分别为0度、±α1度、±α2度、±α3度处的阈值；m1>m2>m3>m4；

各阈值关于探测角度α的隶属度函数，用公式表示为：

其中，pm1(α)，pm2(α)，pm3(α)，pm4(α)为分别为阈值m1,m2,m3,m4关于探测角度α的隶属度函数；

然后，通过计算预测的实际探测角度α′代入式(7)、(8)、(9)、(10)，计算阈值m1、m2、m3、m4的隶属度值得到一个一维数组pm，记作：

pm＝[pm1,pm2,pm3,pm4](11)

根据得到的一维数组pm计算出在该预测的实际探测角度下对应的阈值m，计算公式如下：

若实际提取的第二特征值大于等于该对应阈值m，则该预测的实际探测角度的火焰能够被检测。

本发明的优点在于：

1)火焰探测器的成本无需增加。

2)解决了多通道火焰探测器的探测视角较小或者探测视角不稳定的问题，有效地增加了探测视角。

附图说明

图1为本发明的探测视角划分示意图。

图2为本发明的探测角度隶属度函数示意图示意图。

图3为本发明的不同阈值的隶属度函数示意图。

图4为本发明的扩大探测视角的算法流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的扩大火焰探测器探测视角的方法，是在火焰探测器具备探测火焰能力的基础上，进一步扩大其探测视角，避免探测视角集中于火焰中心部位；

通常，为了能够探测火焰，火焰探测器包含四个探测通道的红外传感器，其中通道1为4.4～4.6μm，通道2为4.1～4.3μm，通道3为2.0～2.4μm,通道4为4.8～5.4μm；在其它的实施例中，也可以采用紫外传感器等其它的探测光传感器；

传感器信号经过滤波放大，模数转换，再通过mcu进行数据的采集，再将数据传送给上位机进行分析；

(一)提取表征探测角度变化的第一特征值，建立多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数；

如图1所示，首先根据与中心轴的夹角划分多个探测角度，中心轴对应的探测角度为0度；选用两个不同的探测通道，利用这两个探测通道对于探测角度增大能量衰减不同的特点，找到表征两个不同探测通道对于同一火焰在相同探测角度下探测信号差异的特征值，且该特征值的变化与探测角度的变化存在相关性；

本发明选用的第一特征值是两个不同探测通道的探测信号时域值经过傅里叶变换，取设定的火焰闪烁频率范围(通常为1～20hz)内的频谱最大值之比，比值记为λ，作为第一特征值；

然后，基于探测信号的多组数据样本，建立多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数；具体如下：

从中间向两侧划分不同的探测角度，在每个探测角度同等距离采集多组探测信号的数据样本，计算出每个探测角度对应第一特征值的最值和均值；

如图1所示，根据与中心轴的夹角划分探测角度，左侧为负，右侧为正，在0度、±α1度、±α2度、±α3度处采集同样大小火焰的探测信号数据样本；每处采集n组样本；本例中每处采集10组样本；0度角为中心角；中心轴是探测光传感器与火焰中心的轴线；α3>α2>α1>0；

分别计算各探测角度处的各n组样本的λ值，并计算出每处n组样本的λ的最大值，最小值以及均值；

0度时λ的范围为[k1,k2],均值为s；±α1度处的λ的范围为[k3,k4]，-α1度处的λ均值为s1，+α1度处的λ均值为s2；±α2度处的λ的范围为[k5,k6]，-α2度处的λ均值为s3，+α2度处的λ均值为s4；±α3度处的λ的范围为[k7,k8]，-α3度处的λ均值为s5，+α3度处的λ均值为s6；假定s1小于s2，s3小于s4；

如图2所示，多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数如下式表示：

其中，p0(λ)为探测角度0度关于λ的隶属度函数，pα1(λ)表示探测角度α1度关于λ的隶属度函数，pα2(λ)表示探测角度α2度关于λ的隶属度函数，pα3(λ)表示探测角度α3度关于λ的隶属度函数。探测角度的隶属度函数采用梯形隶属度函数。

(二)利用建立的多个不同探测角度关于第一特征值的隶属度函数，计算预测火焰探测器的实际探测角度；

根据实际采集的探测信号样本根据式(1)、(2)、(3)、(4)计算0、α1、α2、α3的隶属度值得到一个一维数组pα，记作：

pα＝[p0,pα1,pα2,pα3](5)

根据一维数组pα，计算预测出该探测信号样本的实际探测角度α′，记为：

(三)根据表征火焰能量的第二特征值设计阈值，建立阈值关于探测角度的隶属度函数；该阈值是自适应阈值，能够随探测角度增大而减小；

本发明需要根据探测角度的值来调整阈值m的大小；具体如下：

根据采集的各探测角度处的各n组探测信号样本的数据，提取第二特征值为采集的该探测角度下火焰信号时域的峰峰值；

分别计算探测角度在0度、±α1度、±α2度、±α3度处时域峰峰值的均值，记为m1,m2,m3,m4；令m1,m2,m3,m4分别为0度、±α1度、±α2度、±α3度处的阈值；m1>m2>m3>m4；

如图3所示，各阈值关于探测角度α的隶属度函数，用公式表示为：

其中，pm1(α)，pm2(α)，pm3(α)，pm4(α)为分别为阈值m1,m2,m3,m4关于探测角度α的隶属度函数。各阈值关于探测角度α的隶属度函数采用三角形隶属度函数。

然后，通过计算预测的实际探测角度α′代入式(7)、(8)、(9)、(10)，计算阈值m1、m2、m3、m4的隶属度值得到一个一维数组pm，记作：

pm＝[pm1,pm2,pm3,pm4](11)

根据得到的一维数组pm计算出在该预测的实际探测角度下对应的阈值m，计算公式如下：

若实际提取的第二特征值大于等于该对应阈值m，则认为在不改变原始火焰大小的情况下，该预测的实际探测角度的火焰能够被检测。

扩大火焰探测器探测视角的算法如图4所示，

步骤一，判断检测到的信号是否为火焰信号；

步骤二，提取第一特征值，计算预测当前的实际探测角度；

步骤三，计算当前实际探测角度对应的阈值m；

步骤四，提取第二特征值，判断第二特征值是否大于m；

步骤五，如果大于m，则认为该实际探测角度下的火焰能够被识别；

中心角0度的阈值m最大，随着探测角度α的增大，对应的阈值m减小；如果提取样本的时域峰峰值大于阈值m，则判断该实际探测角度下的火焰能够被探测。相比于传统的采用固定阈值的方法，这种方法能够有效地增大边沿角度识别的距离，从而扩大火焰探测器的探测视角，解决传统火焰探测器中心角时识别距离远，而两侧识别距离近的问题。

本发明在不改变产品硬件的条件下，可以有效地扩大火焰探测器的探测视野，减小视野盲区。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。