一种火灾环境透烟雾探测方法、系统及其使用方法与流程

本发明涉及光电探测技术领域，尤其是涉及一种火灾环境透烟雾探测方法、系统及其使用方法。

背景技术：

火灾现场视觉探测直接影响着火灾救援、消防作业的效率。由于火灾现场往往存在着大量浓烟浓雾，目前业内常用的方法是利用在烟雾中透射率较高的红外成像提高视觉辨识能力。

发明人在研究中发现，现有技术的缺陷在于：目前常用的探测方式基本都属于被动式红外成像，其原理是利用人体等热源自身发出的红外光进行成像，虽然红外光对火灾现场常见的一氧化碳、二氧化碳、水汽、烟雾颗粒有较好地穿透性，然而火灾现场存在的大量高温气体或者火光，本身也可以发出红外光谱，这对探测物发出的红外光谱形成了干扰，因此需要提出适用于火灾环境下的新的红外探测技术。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种火灾环境透烟雾探测方法、系统及其使用方法，属于主动式红外成像探测技术，其可应用于火灾现场，较好地消除现场环境红外光谱的干扰，提高了火灾现场中的探测效率。

一种火灾环境透烟雾探测方法，包括：

产生连续红外光束，并将所述连续红外光束通过参考臂路径进行成像，得到背景参考光分布图像；

将所述连续红外光束调制为周期性脉冲红外光束；

将所述周期性脉冲红外光束分束为参考脉冲光束和物探脉冲光束，所述参考脉冲光束用以经过参考臂路径进行回收，所述物探脉冲光束用以射向被探测物以产生散射并经过物探臂路径进行回收；

调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系，使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在相干域产生全息干涉；

将产生全息干涉的物探脉冲光束和所述参考脉冲光束进行成像；

将所成图像与所述背景参考光分布图像相区分，以重构所述被探测物的形貌特征。

所述调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系，使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在相干域产生全息干涉的步骤，包括：

调节参考臂与物探臂的路径长度相等，完成物探脉冲光束与参考脉冲光束在相干域的选通，从而使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束产生全息干涉。

所述方法包括：对回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在汇聚处同时进行分束，一束用以探测物探脉冲光束是否与参考脉冲光束产生全息干涉，一束用以对物探脉冲光束和参考脉冲光束进行成像。

所述方法具体包括：当全息干涉时，探测到物探脉冲光束与参考脉冲光束输出的叠加脉冲序列幅值；

在所述叠加脉冲序列对应的高电平时间段，对所述物探脉冲光束和参考脉冲光束进行成像，而在低电平时间段停止成像。

所述重构所述被探测物的形貌特征的步骤，包括：

以下列算法重构被探测物的实际形貌：

其中，norm为取模运算，i为虚数单位，λ为红外波长，d为参考臂长度的二分之一，△x为成像像素在x轴的大小，△y为成像像素在y轴的大小，m为重构图像横轴第m个像素的编号，n为重构图像纵轴第n个像素的编号，m为全息图像横轴像素总数，n为全息图像纵轴像素总数，ih(k,l)为每一帧全息图像在横轴编号为k，纵轴编号为l处的像素值，ir(m,n)为重构图像在横轴编号为m，纵轴编号为n处的像素值。

一种火灾环境透烟雾探测系统，包括：红外光产生装置、调制装置、第一分束器、参考臂光路器件、物探臂光路器件、探测装置、成像装置以及数据采集控制装置；所述数据采集控制装置分别与所述红外光产生装置、所述调制装置、所述探测装置、所述成像装置电连接；

所述红外光产生装置，用于产生连续红外光束，经所述第一分束器、所述参考臂光路器件，由所述成像装置进行成像，得到背景参考光分布图像；

所述调制装置，用于在所述数据采集控制装置的控制下将连续红外光束调制为周期性脉冲红外光束；

所述第一分束器，用于将周期性脉冲红外光束分束为参考脉冲光束和物探脉冲光束，所述参考脉冲光束用以经过参考臂光路器件进行回收，所述物探脉冲光束用以射向被探测物产生散射并经过物探臂光路器件进行回收；

所述参考臂光路器件形成的参考臂路径为可调节，或者所述物探臂光路器件形成的物探臂路径为可调节，用于调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系，使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在相干域产生全息干涉；

所述探测装置，用于检测所述物探脉冲光束是否与所述参考脉冲光束产生全息干涉；

所述成像装置，用于对产生全息干涉的物探脉冲光束和参考脉冲光束进行成像；

所述数据采集控制装置，还用于将所成图像与所述背景参考光分布图像相区分，以重构所述被探测物的形貌特征。

所述系统还包括第二分束器，设置于回收的物探脉冲光束与参考脉冲束的汇聚处，用于对对回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在汇聚处同时进行分束，一束供探测装置检测物探脉冲光束是否与参考脉冲光束产生全息干涉，一束供成像装置对物探脉冲光束和参考脉冲光束进行成像。

所述探测装置，用于在未发生全息干涉时，分别探测到参考脉冲光束和物探脉冲光束不同幅值的脉冲，且具有时间差；调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系完成后，发生全息干涉，探测到参考脉冲光束与物探脉冲光束的叠加脉冲；

所述数据采集控制装置，用于在所述叠加脉冲的高电平处，控制打开所述成像装置的快门以进行成像，而在所述叠加脉冲的低电平处关闭快门。

一种火灾环境透烟雾探测系统，包括：红外光源1，反射镜2，声光调制器3，反射镜4，分束器5，反射镜6，反射镜7，可移动反射镜组8，透镜9，透镜10，反射镜11，分束器12，电光晶体快门13，光电探测器14，成像单元15，数据采集与控制单元16，透镜17。

一种火灾环境透烟雾探测系统的使用方法，应用于前述的系统，包括步骤：

步骤1，打开红外光源1、声光调制器3、电光快门13、光电探测器14、成像单元15和数据采集与控制单元16；

步骤2，通过数据采集与控制单元16向声光调制器3输出直流电平，使声光调制器3处于常开状态；

步骤3，通过数据采集与控制单元16向电光快门13输出直流电平，使电光快门13处于常开状态；

步骤4，确认通过参考臂传播的参考光波正确的入射到光电探测器14与成像单元15的感光区域，此时数据采集与控制单元16能接收到光电探测器14输出的直流信号和成像单元15输出背景参考光分布图像；

步骤5，调节数据采集与控制单元16向声光调制器3发出周期性脉冲调制信号，接收到周期性调制信号的声光调制器3将连续红外光波调制为周期性脉冲红外光波；物探脉冲光波经过物探臂后抵达光电探测器14，参考脉冲光波经过参考臂后抵达光电探测器14，由于物探臂与参考臂的长度不同，物探脉冲光波抵达光电探测器14的时间与参考脉冲光波抵达光电探测器14的时间具有时间差；

步骤6，数据采集与控制单元16根据脉冲间隔计算出物探臂与参考臂的长度差，调节可移动反射镜组8的位置，减小物探脉冲光与参考脉冲光的间隔；

步骤7，当调节完成后，物探脉冲光与参考脉冲光重合；参考臂与物探臂的长度相等，即完成了物探光与参考光在相干域的选通，此时物探光与参考光具有相干性发生全息干涉；

步骤8，此时数据采集与控制单元16采集到光电探测器14输出的叠加脉冲序列幅值即反映待测物在脉冲序列时刻的结构振动情况，当待测物出现小幅振动时，采集到的叠加脉冲幅值发生相应的变化；

步骤9，数据采集与控制单元16以光电探测器14监测到的脉冲作为触发信号，输出同等脉冲宽度的触发脉冲到电光快门13使得电光快门13在脉冲信号为高电平时打开、低电平时关闭；

步骤10，数据采集与控制单元16通过调节电光快门13触发脉冲的延时控制电光快门13的打开时刻，直到成像单元收集的图像亮度最大，即电光快门13打开时刻恰好为物探脉冲光和参考脉冲光抵达电光快门13的时刻；

步骤11，数据采集与控制单元16通过以下算法重构待测目标的实际形貌：

其中，norm为取模运算，i为虚数单位，λ为红外波长，d为参考臂长度的二分之一，△x为成像像素在x轴的大小，△y为成像像素在y轴的大小，m为重构图像横轴第m个像素的编号，n为重构图像纵轴第n个像素的编号，m为全息图像横轴像素总数，n为全息图像纵轴像素总数，ih(k,l)为每一帧全息图像在横轴编号为k，纵轴编号为l处的像素值，ir(m,n)为重构图像在横轴编号为m，纵轴编号为n处的像素值。

本发明提出一种主动式红外成像探测系统及其使用方法，其特征在于利用时域选通与相干域选通的原理提高火灾现场烟雾环境中的视觉探测效率。具体特征为利用红外光源主动发射脉冲红外光，透过烟雾后在待测物体上发生散射，部分散射光返回光电探测器和成像单元，通过调节参考光的时域选通和相干域选通特性到合适的状态时，参考光与物体的散射光发生全息干涉，通过信号处理可重构出待测物体的成像特征，同时能对待测物整体做结构振动分析。即本系统通过时域选通和相干域选通实现了烟雾环境中成像的两次降噪，并能同时监测物体形貌及整体结构振动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种火灾环境透烟雾探测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可移动反射镜组8调节过程中光电探测器14监测波形示意图；

其中，1：红外光源，2：反射镜，3：声光调制器，4：反射镜，5：分束器，6：反射镜，7:反射镜，8：可移动反射镜组，9：透镜，10：透镜，11：反射镜，12：分束器，13:电光晶体快门，14：红外光电探测器，15：红外成像单元，16:数据采集与控制单元，17：透镜，18：待测物，19：干扰光源。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一个实施例，首先提供一种火灾环境透烟雾探测方法，包括：

产生连续红外光束，并将所述连续红外光束通过参考臂路径进行成像，得到背景参考光分布图像；

将所述连续红外光束调制为周期性脉冲红外光束；

将所述周期性脉冲红外光束分束为参考脉冲光束和物探脉冲光束，所述参考脉冲光束用以经过参考臂路径进行回收，所述物探脉冲光束用以射向被探测物以产生散射并经过物探臂路径进行回收；

调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系，使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在相干域产生全息干涉；

将产生全息干涉的物探脉冲光束和所述参考脉冲光束进行成像；

将所成图像与所述背景参考光分布图像相区分，以重构所述被探测物的形貌特征。

相应的，本发明实施例提供一种火灾环境透烟雾探测系统，包括：

红外光产生装置、调制装置、第一分束器、参考臂光路器件、物探臂光路器件、探测装置、成像装置以及数据采集控制装置；所述数据采集控制装置分别与所述红外光产生装置、所述调制装置、所述探测装置、所述成像装置电连接；

所述红外光产生装置，用于产生连续红外光束，经所述第一分束器、所述参考臂光路器件，由所述成像装置进行成像，得到背景参考光分布图像；

所述调制装置，用于在所述数据采集控制装置的控制下将连续红外光束调制为周期性脉冲红外光束；

所述第一分束器，用于将周期性脉冲红外光束分束为参考脉冲光束和物探脉冲光束，所述参考脉冲光束用以经过参考臂光路器件进行回收，所述物探脉冲光束用以射向被探测物产生散射并经过物探臂光路器件进行回收；

所述参考臂光路器件形成的参考臂路径为可调节，或者所述物探臂光路器件形成的物探臂路径为可调节，用于调节参考臂路径与物探臂路径的相对长度关系，使回收的物探脉冲光束与参考脉冲束在相干域产生全息干涉；

所述探测装置，用于检测所述物探脉冲光束是否与所述参考脉冲光束产生全息干涉；

所述成像装置，用于对产生全息干涉的物探脉冲光束和参考脉冲光束进行成像；

所述数据采集控制装置，还用于将所成图像与所述背景参考光分布图像相区分，以重构所述被探测物的形貌特征。

下面参见本发明附图1和附图2提供的优选实施例，对本发明进一步详细的描述。

参见图1，一种火灾环境透烟雾探测系统，其包含红外光源1，反射镜2，声光调制器3，反射镜4，分束器5，反射镜6，反射镜7，可移动反射镜组8，透镜9，透镜10，反射镜11，分束器12，电光晶体快门13，光电探测器14，成像单元15，数据采集与控制单元16，透镜17，待测物18，干扰光源19。

其中数据采集与控制单元16与声光调制器3相连，用以控制声光调制器3将连续光调制为脉冲光；数据采集与控制单元16与可移动反射镜组8相连，用以控制可移动反射镜组8移动；数据采集与控制单元16与电光晶体快门13相连，用以控制电光晶体快门13的开启；数据采集与控制单元16与光电探测器14相连，用以采集光电探测器收集到的时域波形；数据采集与控制单元16与成像单元15相连，用以采集成像单元捕获的二维原始图像。

其中，红外光源1发出红外光照射到反射镜2上，反射镜2将红外光反射到声光调制器3并照射到反射镜4上，反射镜4将红外光反射到分束器5上，分束器5将红外光分为向透镜17传播的物探光波，其经过的物探臂为17–18–12–(13-15)和14；和向反射镜6传播的参考光波，其经过的参考臂为6–7–8–9–10–11–12–(13-15)和14。

物探光波经透镜17发散并向被干扰光源19遮挡的待测物体18传播，物探光波在待测物体18上发生散射，部分散射光反向传播，经过分束器12分束后分别向光电探测器14传播和前置了电光快门13的成像单元15传播。

参考光波照射到反射镜6上向反射镜7传播，照射到反射镜7上向可移动反射镜组8传播，照射到可移动反射镜组8上向透镜9传播，经透镜9聚焦后再经过透镜10准直，此时参考光的光束直径改变倍率等于透镜10焦距除以透镜9焦距的商，经透镜10准直的参考光向反射镜11传播，经反射镜11反射向分束器12传播，经过分束器12分束后分别向光电探测器14传播和前置了电光快门13的成像单元15传播。

相应于图1，本发明实施例提供一种火灾环境透烟雾探测系统使用方法，包含以下步骤：

步骤1：打开红外光源1、声光调制器3、电光快门13、光电探测器14、成像单元15和数据采集与控制单元16。

步骤2：通过数据采集与控制单元16向声光调制器3输出直流电平，使声光调制器3处于常开状态。

步骤3：通过数据采集与控制单元16向电光快门13输出直流电平，使电光快门13处于常开状态。

步骤4：确认通过参考臂传播的参考光波正确的入射到光电探测器14与成像单元15的感光区域，此时数据采集与控制单元16能接收到光电探测器14输出的直流信号和成像单元15输出背景参考光分布图像。

步骤5：调节数据采集与控制单元16向声光调制器3发出周期性脉冲调制信号，接收到周期性调制信号的声光调制器3将连续红外光波调制为周期性脉冲红外光波。物探脉冲光波经过物探臂后抵达光电探测器14，参考脉冲光波经过参考臂后抵达光电探测器14，由于物探臂与参考臂的长度不同，物探脉冲光波抵达光电探测器14的时间与参考脉冲光波抵达光电探测器14的时间具有时间差，如图2(a)波形示意图所示。

步骤6：数据采集与控制单元16根据脉冲间隔计算出物探臂与参考臂的长度差，调节可移动反射镜组8的位置，减小物探脉冲光与参考脉冲光的间隔，如图2(b)波形示意图所示。

步骤7：当调节完成后，物探脉冲光与参考脉冲光重合，如图2(c)波形示意图所示。参考臂与物探臂的长度相等，即完成了物探光与参考光在相干域的选通，此时物探光与参考光具有相干性发生全息干涉，而干扰光源19与参考光不具有相干性无法全息干涉。

步骤8：此时数据采集与控制单元16采集到光电探测器14输出的叠加脉冲序列幅值即反映待测物在脉冲序列时刻的结构振动情况，当待测物出现小幅振动时，采集到的叠加脉冲幅值发生相应的变化。

步骤9：数据采集与控制单元16以光电探测器14监测到的脉冲作为触发信号，输出同等脉冲宽度的触发脉冲到电光快门13使得电光快门13在脉冲信号为高电平时打开、低电平时关闭。

步骤10：数据采集与控制单元16通过调节电光快门13触发脉冲的延时控制电光快门13的打开时刻，直到成像单元收集的图像亮度最大，即电光快门13打开时刻恰好为物探脉冲光和参考脉冲光抵达电光快门13的时刻。此时由于成像单元15仅在物探脉冲光与参考脉冲光到来时接收信号，背景噪音降低。

步骤11：数据采集与控制单元16通过以下算法重构待测目标的实际形貌：

其中，norm为取模运算，i为虚数单位，λ为红外波长，d为参考臂长度的二分之一，△x为成像像素在x轴的大小，△y为成像像素在y轴的大小，m为重构图像横轴第m个像素的编号，n为重构图像纵轴第n个像素的编号，m为全息图像横轴像素总数，n为全息图像纵轴像素总数，ih(k,l)为每一帧全息图像在横轴编号为k，纵轴编号为l处的像素值，ir(m,n)为重构图像在横轴编号为m，纵轴编号为n处的像素值。

步骤12：调节所述火灾环境透烟雾探测系统的位置和角度，探测新的目标，重复步骤5到步骤11。

综上，本发明提出一种主动式红外成像探测系统及其使用方法，其特征在于利用时域选通与相干域选通的原理提高火灾现场烟雾环境中的视觉探测效率。具体特征为利用红外光源主动发射脉冲红外光，透过烟雾后在待测物体上发生散射，部分散射光返回光电探测器和成像单元，通过调节参考光的时域选通和相干域选通特性到合适的状态时，参考光与物体的散射光发生全息干涉，通过信号处理可重构出待测物体的成像特征，同时能对待测物整体做结构振动分析。即本系统通过时域选通和相干域选通实现了烟雾环境中成像的两次降噪，并能同时监测物体形貌及整体结构振动。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。