消防水炮射流光波导落点亮度增强结构及其亮度增强方法
【专利摘要】本发明公开一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构及其亮度增强方法，其应用于消防领域。其中消防水炮射流光波导落点亮度增强方法通过让射流特别是射流的落点相对于周围环境更加明亮，可在基于机器视觉的消防控制系统中，增加水道图像与背景图像的灰度，提高水道的识别精度，从而使得射流落点的图像处理大为方便。其对要求消防水炮射流落点亮度明显大于周围环境，便于计算机图像处理或者肉眼识别的应用场合有重要应用价值，包括具有自动控制功能或者手动控制功能的室内大空间消防水炮、夜间野外大空间消防水炮、需要在夜间或光线不好的情况下工作的海监船执法水炮以及各种警用防暴水炮等。
【专利说明】消防水炮射流光波导落点亮度增强结构及其亮度增强方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构及其亮度增强方法，其应 用于消防领域。
【背景技术】：
[0002] 2002年11月，火灾科学国家重点实验室（中国科技大学）的范维澄院士等人 提出了 一种针对大空间远程控制的火灾自动搜索和灭火系统，它使用了一块CCD摄像 机采集现场图片，然后借助计算机视觉分析处理实现监测和灭火（Tao Chen，Hongyong Yuan*, Guofeng Su, ffeicheng Fan. An automatic fire searching and suppressionsystem for large spaces[J]· Fire Safety Journal39(2004)297 _ 307)。2010 年 1 月，南京航空 航天大学的硕士研究生陈静提出了一种基于图像处理的消防水炮自动定位方法，该方法通 过对射流图像的实时处理来判断射流落点与火源点的差距，并根据二者在图像中的相对位 置来调整水炮的喷射角度，以达到最佳的灭火效果（陈静，赵敏.消防水炮射流轨迹图像 的分割与识别算法研究.电子科技，2010⑶）。2012年，国外研究学者ElhamMahdip Our、 ChitraDadkhah回顾了 2000-2010年来这10年之内的火灾探测技术，总结出计算机视觉在 火灾自动探测中具有举足轻重的作用（ElhamMahdipour, ChitraDadkhah. Automatic fire detection based on soft computingtechniques:review from2000to2010. Springer Science+Business Media B.V. 2012)〇
[0003] 利用计算机视觉的方法可以实现消防水炮落水点的精确控制，特别是通过图像处 理的方法，综合考虑着火点位置和射流落点位置的时候，通过对落水点与目标相对位置的 识别，进一步调整消防水炮的控制角度与控制参数，可以实现消防水炮准确灭火，同样也可 以实现准确的执法防爆功能。在这一类系统当中，消防水炮落水点位置的快速有效识别直 接影响到消防水炮的精准控制。由于水本身是无色透明液体，与背景的色差往往不太明显， 特别是在光线不好的场合下，很难快速有效识别。再加上其散射后形状多变，因此，在采用 计算机视觉的消防控制系统中，对射流落点的识别成为了消防水炮精确控制的难点之一。 如果能够通过技术手段增强射流在图像中与背景的色差，将有利于射流和射流落点的识 别。
【发明内容】
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[0004] 本发明提供一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构及其亮度增强方法，其提 高了射流水道特别是射流落点的可识别性，为消防系统闭环控制提供了保障。
[0005] 本发明采用如下技术方案：一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其包括 安装套设于消防水炮喷头上的且位于喷口附近的射流增亮环，所述射流增亮环中装有若干 LED灯，所述射流增亮环的外沿凸出于消防水炮的喷口并与喷口之间形成一回水槽。
[0006] 进一步地，在所述消防水炮的喷头上开设有锥形孔，所述锥形孔的一端开口在喷 头内壁上，另一端开口在喷头外壁上，且所述锥形孔与LED灯不相接触。
[0007] 进一步地，在所述射流增亮环外沿处设有拨水针。
[0008] 进一步地，所述消防水炮喷口附近开设有斜孔，所述斜孔的一端开口在喷头内壁 上，另一端开口在喷头外壁上，所述斜孔中埋入有光纤，所述LED灯正对于喷头外壁上的斜 孔开口。
[0009] 进一步地，所述若干LED灯布置在射流增亮环内圈，且其为高亮发光二极管或者 彩色发光二极管。
[0010] 进一步地，所述射流增亮环采用螺纹方式紧固在消防水炮的喷头上，或者采用锥 形方式卡在消防水炮的喷头上再用紧固螺钉紧固。
[0011] 进一步地所述射流增亮环的材料为不锈钢、铜或者铝合金。
[0012] 本发明还采用如下技术方案：一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构的亮度 增强方法，其包括如下步骤：
[0013] (1).消防水炮射流喷出时喷口与射流增亮环之间的腔体空气被带出，射流散出的 水沫填充到腔体中，在射流增亮环外延和射流之间形成水帘；
[0014] (2).点亮LED灯，大部分光线沿着水帘进入射流，由射流形成的波导到达射流的 落点，形成明亮的落点水迹，射流的小气泡、弯曲状态使得部分光在射流传播时散射出来， 使得射流形成一道明亮的水柱；
[0015] (3).利用摄像机或者工业照相机作为传感器，通过计算机图像处理和机器视觉技 术，识别消防水炮的射流落点，分析射流落点和着火点之间的位置偏差，修正消防水炮的喷 射角度，实现精确的灭火。
[0016] 本发明具有如下有益效果：
[0017] (1).本发明提出的射流光波导落点亮度增强方法，使得消防水炮的射流变成一个 随光源亮度和色彩控制的明亮的光斑，能方便计算机图像处理或者肉眼识别一些复杂环境 或者光线比较弱（如夜晚）的情况下消防水炮射流落点；
[0018] (2).通过在消防水炮喷头处安装射流增亮环，还可以结合埋设光纤，通过合适的 光线角度，使得光纤尽可能在射流中发生全反射现象，射流光路的一些非理想因素照成的 散射还可以使射流的特征更加明显，有利于对射流轨迹以及射流落地点的准确识别；
[0019] (3).利用计算机图像处理技术，对射流和火点处的图像进行采集处理，由于射流 中带有光路，射流轨迹亮度与周围环境对比明显，并且在射流末端会有一个明亮的光斑，通 过简单的图像处理就可以确定射流落点位置；
[0020] (4).射流增亮环安装方便，不会对射流的流体力学特性带来任何影响；
[0021] (5).对于复杂的背景，还可以通过改变光源的颜色，使射流和背景区别开来。
【专利附图】
【附图说明】：
[0022] 图1光全反射示意图。
[0023] 图2为安装了 LED灯的射流增亮环示意图，其中图2(a)为右视图，图2(b)为A-A 向的剖面图。
[0024] 图3为喷头带锥形孔的射流增亮环示意图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为A-A 向的剖面图，图3(c)为右视图，图3(d)为B-B向的剖面图。
[0025] 图4为带拨水针的射流增亮环示意图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为A-A向的 剖面图，图4(c)为右视图，图4(d)为B-B向的剖面图。
[0026] 图5为带光纤的射流喷头示意图，其中图5(a)为主视图，图5(b)为右视图，图 5(c)为A-A向的剖面图。
[0027] 图6为光线在射流中发生全反射在末端形成光斑示意图。
[0028] 图7为光线经由射流折射到空气中。
[0029] 图8为消防水炮出现水流分支图。
[0030] 其中：
[0031] 1-射流增亮环；2-LED灯；3-回水槽；4-锥形孔；5-拨水针；6-光纤。
【具体实施方式】：
[0032] 全反射：光由光密介质进入光疏介质时，要离开法线折射，如图1所示。当入射角 α增加到某种情形（Θ)时，折射线沿表面进行，即折射角为90°，该入射角Θ称为临界 角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均返回光密媒质，此现象称为全反射。
[0033] 假设光密介质折射率为nl，光疏介质折射率为η2,则临界角计算如下：
[0034] sin Θ = n2/nl
[0035] θ = arc sin (n2/nl)
[0036] 特别的当n2 = l，nl = 1. 3时，光从水射向空气时的临界角Θ = 55. 9°，本文中 临界角未做特殊说明均指该角度。
[0037] 光发生全反射时，必须要满足以下2个条件：
[0038] 1.光从光密介质入射到它与光疏介质的界面上；
[0039] 2.入射角大于或等于临界角。
[0040] 本发明消防水炮射流光波导落点亮度增强结构通过在消防水炮喷口附近的金属 环上安装套设一射流增亮环1，该射流增亮环1中装有若干LED灯2,射流增亮环1的外沿 稍稍凸出消防水炮的喷口，并与喷口之间形成一个回水槽3,射流增亮环1不会对消防水炮 射流有任何影响，如图2、3、4所示，其中LED灯2射出的光线方向与喷头水流垂直方向Φ大 于临界角。
[0041] 其中若干LED灯2布置在射流增亮环内圈，其为高亮发光二极管或者彩色发光二 极管。射流增亮环可以采用螺纹方式紧固在消防水炮的喷口上，也可以采用锥形方式卡在 消防水炮的喷口上，再用紧固螺钉紧固。射流增亮环的材料可以是不锈钢、铜或者铝合金 等。
[0042] 射流增亮环的外沿要稍稍凸出喷口，但不能在射流喷出时，接触到射流，这是为了 保证射流增亮环不对射流的流体力学特性带来任何影响。射流喷出时喷口与射流增亮环之 间的腔体空气被带出，这使得射流散出的水沫填充到腔体中，在射流增亮环外延和射流之 间形成水帘，这是保证射流成为光波导的关键。可以在消防水炮的喷头上打锥形孔4,如图 3,射流喷出时，在压力的作用下，有水通过锥形孔涌入并充满回水槽，确保光源通过回水槽 的水进入射流。还可以在射流增亮环上加工拨水针5,如图4,射流喷出时，拨水针刚刚与射 流外沿接触，刮出的水在射流增亮环出口形成水帘。
[0043] 当消防水炮有射流喷出时，射流增亮环中回水槽内形成负压，通过采用锥形孔或 拨水针，使得回水槽出口与射流之间形成水帘。当LED灯点亮时，大部分光线就可以沿着这 个水帘进入射流，由射流形成的波导到达射流的落点，形成明亮的落点水迹。
[0044] 如图5所示，通过在喷头出口附近开斜孔，斜孔一端开口在喷头内壁，另一端开口 在喷头外壁，将光纤埋在斜孔中，两端磨平，射流增亮环安装后LED灯正对喷头外壁的光纤 入口，光可以通过光纤进入射流。
[0045] 射流应该尽量保持柱状结构不打散，射流柱状结构保持的越好，射流落点增亮效 果越好。LED灯点亮方式可以全部点亮，可以部分点亮，可以连续点亮、可以脉冲点亮；可以 利用彩色的LED灯改变射流的颜色，使射流和背景区别开来。必要时可以采用脉冲的工作 方式使射流在瞬间有更高的亮度，还不影响对火点的识别。
[0046] 当光线随着射流传播时，由于水和空气的折射率不同，射流水柱存在气泡等原因， 可以形成一条与周围环境有明显亮度差的射流轨迹：
[0047] (1).由于水的折射率（大约1. 3)大于空气的折射率（大约为1)，LED灯发射的 光在水与空气的交界处会发生折射现象，当入射角达到临界角时，光线发生全反射，这样一 来，光路会随着水流一同射出，当射流接近完整时，全反射将贯穿整个射流，因此周围较少 受到光照的影响，入射光的大部分在射流落地点射出，从而在射流的落点附近形成一个和 周围有很大亮度差的水迹，如图6所示，很容易通过肉眼或者计算机图像处理识别出该位 置，这为控制消防水炮提供了方便。
[0048] (2).射流喷出时，安装在喷头处的LED灯发出的光并不能保证所有的光线都能 发生全反射效应，其中部分光线会直接折射出来，如图7所示。此外，由于射流轨迹具有一 定的弧度，发生全反射的光线在传输的过程中也会由于不满足临界角的条件而直接折射出 来。
[0049] (3).喷射出的水质并不是非常的纯净，里面会夹杂其他物质或者形成水泡，光线 在传输过程中遇到这些物质或者水泡后会发生散射现象，然后传到周围环境中。
[0050] (4).射流在传输过程中，并不是理想的柱状形，在边缘部分还是会有一些水流分 支，部分传输的光线会散射出来如图8所示。
[0051] 综上所述，由于射流增亮环和消防水炮喷口、射流之间的关系，一方面将大部分光 束缚在射流中，使周围背景较少受到光照影响，射流的小气泡、弯曲等状态又使得部分光在 射流传播时散射出来，使得射流形成一道明亮的水柱，方便了射流的识别；在射流的落地 点，全反射的光在这里射出，形成一个非常突出的亮斑，射流和周围环境明显的区别出来， 这对于自动控制或者人工控制消防水炮都非常有利。
[0052] 在消防水炮的控制系统中，可以利用摄像机或者工业照相机作为传感器，通过计 算机图像处理和机器视觉技术，方便地识别特征分明的消防水炮的射流落点，分析射流落 点和着火点之间的位置偏差，修正消防水炮的喷射角度，实现精确的灭火。
[0053] 本发明提出的射流光波导落点亮度增强方法，不是简单的用灯光照亮射流，而是 让射流特别是射流的落点相对于周围环境更加明亮，可在基于机器视觉的消防控制系统 中，增加水道图像与背景图像的灰度，提高水道的识别精度，这就使得射流落点的图像处理 大为方便。该技术也可用于消防部门在野外、海上的消防和执法工作中。
[0054] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：包括安装套设于消防 水炮喷头上的且位于喷口附近的射流增亮环（1)，所述射流增亮环（1)中装有若干LED灯 (2)，所述射流增亮环（1)的外沿凸出于消防水炮的喷口并与喷口之间形成一回水槽（3)。
2. 如权利要求1所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：在所述 消防水炮的喷头上开设有锥形孔（4)，所述锥形孔（4)的一端开口在喷头内壁上，另一端开 口在喷头外壁上，且所述锥形孔（4)与LED灯（2)不相接触。
3. 如权利要求1或2所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：在 所述射流增亮环（1)外沿处设有拨水针（5)。
4. 如权利要求1所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：所述消 防水炮喷口附近开设有斜孔，所述斜孔的一端开口在喷头内壁上，另一端开口在喷头外壁 上，所述斜孔中埋入有光纤（6)，所述LED灯（2)正对于喷头外壁上的斜孔开口。
5. 如权利要求4所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：所述若 干LED灯（2)布置在射流增亮环（1)内圈，且其为高亮发光二极管或者彩色发光二极管。
6. 如权利要求5所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：所述射 流增亮环（1)采用螺纹方式紧固在消防水炮的喷头上，或者采用锥形方式卡在消防水炮的 喷头上再用紧固螺钉紧固。
7. 如权利要求6所述的消防水炮射流光波导落点亮度增强结构，其特征在于：所述射 流增亮环（1)的材料为不锈钢、铜或者铝合金。
8. -种消防水炮射流光波导落点亮度增强结构的亮度增强方法，其特征在于：包括如 下步骤 (1) .消防水炮射流喷出时喷口与射流增亮环之间的腔体空气被带出，射流散出的水沫 填充到腔体中，在射流增亮环外延和射流之间形成水帘； (2) .点亮LED灯，大部分光线沿着水帘进入射流，由射流形成的波导到达射流的落点， 形成明亮的落点水迹，射流的小气泡、弯曲状态使得部分光在射流传播时散射出来，使得射 流形成一道明壳的水柱； (3) .利用摄像机或者工业照相机作为传感器，通过计算机图像处理和机器视觉技术， 识别消防水炮的射流落点，分析射流落点和着火点之间的位置偏差，修正消防水炮的喷射 角度，实现精确的灭火。
【文档编号】A62C37/00GK104096334SQ201410343238
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】林亮, 邬琳琳, 赵敏, 姚敏, 郭航宇, 房广江 申请人:南京航空航天大学