基于多传感器的火焰探测装置的制作方法

文档序号:26012962发布日期:2021-07-23 21:33阅读:126来源:国知局
基于多传感器的火焰探测装置的制作方法

本发明属于火焰探测领域,具体涉及一种基于多传感器的火焰探测装置。



背景技术:

近年来油气田、加油站、石化工厂、可燃物仓库、煤矿等工业场所的火灾时有发生,给国家和人民的生命与财产安全造成了极大的损失。在这些易燃易爆场所一旦发生火灾,火势蔓延迅速,如果不及时报警和灭火,将会导致非常严重的后果。

传统的烟感、温感、光感火焰探测器分别利用火焰的烟雾、温度、光的特性来对火焰进行识别,由于其制造工艺简单,价格低廉,在酒店、列车、居民住宅等场所得到了很好的应用,但是这些探测方式多采用检测浓度法,而并不检测火焰本身的特征,所以其响应时间长、探测范围窄,对周围环境要求高,抗干扰能力差,对某些情况也无法预报,比如无烟火焰等。随着机器视觉技术的不断发展,利用人工神经网络与图像识别方法的火焰探测技术取得了一定的进展,其具有较高的干扰免疫能力和探测精度,但是早期火灾图像探测的基础理论研究尚不充分,而且它的算法复杂,需要很大的训练样本、算法收敛速度慢效率较低。

基于红外热释电原理的火焰探测技术,利用红外热释电传感器作为敏感元,接收火焰燃烧辐射的红外线信息,并转换成电压信号。早期,国际上使用单点红外探测器对易燃易爆、大范围大空间且需要快速报警的场所进行火焰探测。由于其只采集了单一波段的红外线信息,很难将真实的火焰信号与高温热源、人工光源等“假火”信号区分开来,因此误报率很高,再加上红外线在空气中传播随着距离增加衰减很快,因此探测范围非常有限。近年来美国、日本、德国、瑞士等国家先后成功研制并使用多波段红外(mir)火焰探测器来识别火焰,引入了参考波段来剔除“假火”信号,使得抗干扰能力得到很大改善,采用各波段间的相关性分析法来取代单波段探测技术的能量阈值分析法,很好的克服了红外线随距离衰减的难题。但不论是单波段还是多波段的红外热释电火焰探测器,都无法解决运动火焰检测问题,如隧道中的运动车辆因局部摩擦或故障起火。因此亟待于提供一种能够准确实现运动火焰检测的方法和装置。



技术实现要素:

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题,并提供一种基于多传感器的火焰探测装置。

本发明所采用的具体技术方案如下:

一种基于多传感器的火焰探测装置,其包括多波段红外探测装置、红外热成像图像采集装置、第一信号处理装置、第二信号处理装置和报警输出装置;

所述多波段红外探测装置,用于通过多个红外传感器探测目标区域内不同波段的红外辐射数据,并将其实时发送至第一信号处理装置,由第一信号处理装置判断目标区域中是否存在火焰,并输出对应的第一火焰探测信号;

所述红外热成像图像采集装置,用于获取目标区域的红外热成像图像,并将其实时发送至第二信号处理装置,由第二信号处理装置分析红外热成像图像中是否存在符合火焰特征的区域,并输出对应的第二火焰探测信号;

所述报警输出装置,用于获取所述第一判断信号和所述第二判断信号,并根据预设的报警模式对两者进行融合后,输出最终火焰探测信号。

作为优选,所述多波段红外探测装置为三波段红外探测装置。

进一步的,所述三波段红外探测装置的三个探测波段分别为3.8um、4.3um和5.2um,分别用于识别热源红外辐射、co2辐射和背景红外辐射。

作为优选,所述红外热成像图像采集装置中内置能采集8~14um连续波段红外辐射的传感器。

作为优选,所述第二信号处理装置中,首先分析目标区域的红外热成像图像中是否存在符合火焰温度范围的高温区域,如果存在则进一步分析该高温区域的形状变化、温度变化以及抖动情况是否符合火焰特征,如果符合则判断目标区域中存在火焰。

作为优选,所述第二信号处理装置中判断是否存在符合火焰特征的区域的具体方法如下:

s1、针对实时获取的每一帧目标区域的红外热成像图像,从中识别是否存在高于火焰温度阈值的高温区域,若存在则提取该高温区域并计算该高温区域的面积大小、温度平均值、hog以及闪烁强度;所述闪烁强度为该高温区域中像元值的均值;

s2、若在一个周期内连续多帧目标区域的红外热成像图像中存在所述高温区域,则对当前周期内存在所述高温区域的所有图像帧进行特征提取,得到面积变化率特征、温度变化率特征、hog特征和闪烁强度变化率特征;

所述面积变化率特征为当前周期内相邻图像帧的所述面积大小绝对变化量的均值;

所述温度变化率特征为当前周期内相邻图像帧的所述温度平均值绝对变化量的均值;

所述hog特征为当前周期内相邻图像帧的所述hog绝对变化量的均值;

所述闪烁强度变化率特征为当前周期内相邻图像帧的所述闪烁强度绝对变化量的均值;

s3、将s2中提取到的四个特征组成特征向量,属于预先经过训练的分类器中,输出当前特征向量是否符合火焰特征的判别结果,若符合则判断目标区域中存在火焰并输出报警信号。

进一步的,所述分类器为svm分类器。

作为优选,所述第一信号处理装置和第二信号处理装置集成于同一个信号处理装置中。

作为优选,所述报警输出装置中预设的报警模式包括多波段报警模式、热成像报警模式、任意报警模式和双重报警模式中的一种或多种;

所述多波段报警模式中,若所述第一火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰;

所述热成像报警模式中,若所述第二火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰;

所述任意报警模式中,若所述第一火焰探测信号或所述第二火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰;

所述双重报警模式中,若所述第一火焰探测信号以及所述第二火焰探测信号均判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰。

10.如权利要求1所述的基于多传感器的火焰探测装置,其特征在于,所述报警输出装置的报警信号形式为声、光、电、文字、图像中的一种或多种。

本发明相对于现有技术而言,具有以下有益效果:

1)本发明将多波段火焰探测与红外热成像图像型火焰探测相结合,可以发现更早期的火焰,且报警速度快,误报率低。

2)本发明将多波段火焰探测与红外热成像图像型火焰探测相结合,可以探测运动的火焰,解决了传统火焰探测器无法对运动火焰进行探测的问题,拓展了火焰探测器的应用邻域。

3)本发明可设置多样化的报警模式,可根据不同的应用场景进行配置,真正做到两种探测火焰的优势互补。

附图说明

图1为实施例中一种基于多传感器的火焰探测装置示意图;

图2为实施例中判断是否存在符合火焰特征的区域的一种具体方法示意图;

图3为实施例中另一种基于多传感器的火焰探测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下,均可进行相应组合。

如图1所示,在本发明的一个较佳实施例中,提供了一种基于多传感器的火焰探测装置,该装置中按照功能划分,可以分为多波段红外探测装置、红外热成像图像采集装置、第一信号处理装置、第二信号处理装置和报警输出装置几部分。下面对各部分的具体连接方式和功能实现进行详细展开说明。

其中,本发明的第一个探测感应部分是多波段红外探测装置,用于通过多个红外传感器探测目标区域内不同波段的红外辐射数据,并将其实时发送至第一信号处理装置。多波段红外探测装置即多波段红外探测器属于现有技术,其具体结构和形式不再赘述。多波段红外探测装置即中设置多个不同波段的传感器,可通过综合分析比较各个传感器所产生的红外辐射信号来达到剔除干扰的目的。

在目前的现有技术中,多波段红外火焰探测技术主要以三波段为主,因此本发明推荐采用三波段红外探测装置,其采用了三个具有不同中心波长窄带滤波片的热释电红外传感器分别探测不同的波段信息。本发明中,三波段红外探测装置的三个探测波段优选设置为3.8um、4.3um和5.2um,其通带宽均可设置为±200nm,这三个波段可分别用于识别热源红外辐射、co2辐射和背景红外辐射。不同的红外辐射源在这三个波段具有自己独一无二的频谱特征,通过比较这三个波段辐射强度之间的数学关系,就可以将真实火焰信号和“假火”信号区分开来。

三波段红外火焰探测技术能很好的解决探测信号随距离衰减的问题,即便这三个波段的辐射信号强度会随着距离的增加而衰减,但其辐射强度之间的数学关系并不随信号的衰减而发生变化,采用数学相关性分析技术可将因衰减而被噪声淹没的火焰信息检出,从而很大程度上提高了探测距离和探测灵敏度,且误报率低。当然,本发明并非仅限于三波段红外探测装置,亦可采用其他的多波段红外探测装置,只要能够实现相应功能即可。

上述多波段红外探测装置主要用于探测得到信号,而信号的处理则由第一信号处理装置进行,其通过内置的火焰判断算法,可以判断目标区域中是否存在火焰,并输出对应的第一火焰探测信号。目前,针对三波段红外火焰探测等技术,均具有现成的火焰判断算法,本发明对此不进行限制也不再详细赘述,只要能够实现该功能即可。在进行多波段探测信号分析时,其主要是分析各个波段辐射强度之间的数学关系,如果该数学关系符合预设的火焰辐射特征,则表明当前视场中存在火焰,输出多波段探测装置火焰报警信号。

上述多波段红外探测装置和第一信号处理装置可以是分别独立的模块,也可以采用集成设备。采用集成设备时,亦可采用市售的多波段红外火焰探测器成品替代。

另外,本发明的第二个探测感应部分是红外热成像图像采集装置,用于获取目标区域的红外热成像图像,并将其实时发送至第二信号处理装置。同样的,红外热成像图像采集装置也属于现有技术,其具体结构和形式不再赘述,只要能够获取到红外热成像图(即热图)即可。红外热成像图中的每个像元值反应了一个位置的温度,因此可通过红外热成像图来反应目标区域中的温度场分布。在本发明中,红外热成像采集装置中的传感器推荐采用能采集8~14um连续波段红外辐射的传感器。这种装置是一种图像型火焰探测装置,通过对其采集的图像信号进行处理后,可以获取当前场景下的红外热成像图像,该图像反映的是场景中各个位置处的温度高低和分布情况,且不受光线的影响。

上述红外热成像图像采集装置主要用于采集热图信号,但是其信号的处理需要由第二信号处理装置进行。第二信号处理装置中,可分析红外热成像图像中是否存在符合火焰特征的区域,并输出对应的第二火焰探测信号。

在本发明中,第二信号处理装置中的处理流程可采用如下方式:首先分析目标区域的红外热成像图像中是否存在符合火焰温度范围的高温区域,如果存在则进一步分析该高温区域的形状变化、温度变化以及抖动情况是否符合火焰特征,如果符合则判断当前的目标区域中存在火焰。

需要注意的是,在上述进行高温区域的形状变化、温度变化以及抖动情况分析时,这几个指标均是动态的,因此需要根据一段时间内的连续图像帧进行变化分析。下面结合图2给出第二信号处理装置中判断是否存在符合火焰特征的区域的一种具体方法,其步骤如下:

s1、针对实时获取的每一帧目标区域的红外热成像图像,从中识别是否存在高于火焰温度阈值t的高温区域,若存在则提取该高温区域并计算该高温区域的面积大小、温度平均值、hog以及闪烁强度。如果不存在,则继续对下一帧图像进行上述判断。

其中,火焰温度阈值t可根据实际情况进行优化和校准,不同的传感器可能会有不同的最佳值,以能够准确识别出真实的火焰区域为准。

本发明中,高温区域的面积大小可通过高温区域的像元个数来确定。高温区域的温度平均值可采用高温区域中所有像元的像元值均值。hog即梯度方向直方图,可通过hog的计算原理来获得。闪烁强度定义为该高温区域中像元值的均值。

上述s1步骤需要对每一帧目标区域的红外热成像图像均执行,以便于后续观察目标区域的动态变化。

一般而言,为了便于方法的实现,我们可以定义一个周期,假设一个周期内包含m帧连续的红外热成像图像帧。具体的m取值可根据实际需要进行调整。

s2、若在一个周期内连续n帧目标区域的红外热成像图像中存在前述高温区域,则表明该区域可能存在持续的高温现象,极有可能属于火焰区域,因此需对当前周期内存在上述高温区域的所有n帧图像帧进行特征提取,得到几种火焰特征,具体包括面积变化率特征、温度变化率特征、hog特征和闪烁强度变化率特征。

上述的n取值可根据实际需要进行调整,例如设置n=30或n=60或n=100等。

其中,面积变化率特征为当前周期内n-1组相邻图像帧的前述面积大小绝对变化量的均值。

温度变化率特征为当前周期内n-1组相邻图像帧的前述温度平均值绝对变化量的均值。

hog特征为当前周期内n-1组相邻图像帧的前述hog绝对变化量的均值。

闪烁强度变化率特征为当前周期内n-1组相邻图像帧的前述闪烁强度绝对变化量的均值。

需要注意的是,上述四个特征都是当前周期内相邻图像帧的某一个参数的绝对变化量均值,在计算时仅需要计算该周期内所有存在上述高温区域的n-1组相邻图像帧。举例而言,在计算面积变化率特征时,n帧图像帧两两形成n-1组相邻图像帧,每一组相邻图像帧计算其高温区域面积大小的差值△s,并取绝对值得到|△s|;然后将n-1个|△s|取均值,即得到面积变化率特征。

另外,需说明的是,上述一个周期内的m帧图像帧是在实时更新的,以便于实时反映当前的目标区域内是否存在火焰,实现实时检测。

s3、将s2中提取到的四个特征组成特征向量,属于预先经过训练的分类器中,输出当前特征向量是否符合火焰特征的判别结果,若符合则判断目标区域中存在火焰并输出报警信号。

需注意的是,上述的分类器可以是任意能够实现标签分类的模型,优选采用二分类器,如svm分类器。svm分类器需要利用大量的训练数据集进行训练,训练完毕的分类器才能用于准确判断当前特征向量是否符合火焰特征。

上述s1~s3执行过程中,仅当分类器输出当前特征向量符合火焰特征的判别结果时,第二判断信号中包含的判别结果才视为具有真正的火焰,但其余的情况(例如不存在n帧连续图像帧中具有高温区域、分类器判断当前特征向量不符合火焰特征等等)均视为没有火焰。

最后,上述多波段红外探测装置和红外热成像图像采集装置的探测信号,分别通过对应的信号处理装置输出了一个判断信号,分别为第一判断信号和所述第二判断信号。两个判断信号中分别包含了对于目标区域当前是否存在火焰的判定结果,但是具体选择何种判定结果则需要根据报警模式进行融合。该融合过程是通过报警输出装置实现的。也就是说,该报警输出装置的作用是获取前述的第一判断信号和第二判断信号,并根据预设的报警模式对两者进行融合后,输出最终火焰探测信号。

在本发明中,报警输出装置中预设的报警模式可以根据实际进行设置,并不做限定。第一判断信号和第二判断信号可采用逻辑“与”、“或”等组合进行使用。本发明的一个较佳实施例中,上述报警模式可包括多波段报警模式、热成像报警模式、任意报警模式和双重报警模式中的一种或多种,其中各模式的具体做法如下:

多波段报警模式中,若第一火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰。

热成像报警模式中,若第二火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰。

任意报警模式中,若第一火焰探测信号或第二火焰探测信号判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰。

双重报警模式中,若第一火焰探测信号以及第二火焰探测信号均判断目标区域存在火焰,则最终判断目标区域存在火焰。

上述四种报警模式,可以根据实际应用场景来进行配置,避免单一报警模式的不足。

另外,为了便于发出警报,报警输出装置中可以设置相应的报警模块,其中可发出的报警信号形式可选择为声、光、电、图像、文字中的一种或多种。这些报警信号可以在火焰探测装置的机器端直接发出,也可以通过将信号发送至外部终端,由外部终端发出。外部终端包括声光报警器、移动手机、云平台、服务器等等,主要作用是第一时间引起相关人员的注意,希望对该安全隐患及时处理,避免危险事故的发生。

需注意的是,上述多波段红外探测装置、红外热成像图像采集装置、第一信号处理装置、第二信号处理装置和报警输出装置中,多波段红外探测装置和红外热成像图像采集装置是需要安装在监测现场的,而第一信号处理装置、第二信号处理装置和报警输出装置的设置位置则可以是多样的。第一信号处理装置、第二信号处理装置和报警输出装置,可以与多波段红外探测装置和红外热成像图像采集装置一体化集成,全部安装在现场设备上,也可以单独设置在远程服务器上或者云端。例如在图3所示的实施例中,可以将第一信号处理装置、第二信号处理装置进行一体化设计,集成在同一个装置中,但分别对两路信号进行处理,以减少硬件需求。

上述基于多传感器的火焰探测装置,可以进一步提升火焰的检测效果,主要体现在三个方面,一是可以探测到更早期的火焰,是对多波段红外传感器的一种补充;二是对于大面积火源,可以与多波段红外传感器结合,进行双重确认,进一步降低误报率;三是探测时间短,可以对运动的火焰进行探测,可用于对运动目标的火焰监测,拓展了火焰探测装置的应用场景。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

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