危险源检测装置和方法与流程
本发明涉及危险源检测技术领域，尤其涉及一种危险源检测装置和方法。
背景技术
目前在大型工业场所、自然区域(森林、草原或煤矿等)或大型商用建筑内都存在着出现重大危险源的风险，并产生对生产过程、自然资源和大型商用建筑内群死群伤问题。大型工业场所内由于生产过程的泄漏，产生危害性气体或液体，或者产生爆炸燃烧，这是典型的危险源。自然区域最典型的就是非正常的燃烧，例如森林火灾或煤矿自燃火灾等，这是典型的危险源。而对于大型商用建筑内，最典型的一个特点是人员密集，所以由于人为或非人为原因造成危害性气体或火灾，就是典型的危险源，而且不能早期预警探测的话，危害性较大。
传统的危险源预警探测方法并不少，但是一个共性的特点是这些探测系统的覆盖范围较小，无法针对大范围和大区域进行防护。为了实现大范围的预警探测，人们近期开始较多地采用热成像仪进行区域防护和火灾探测，例如中国专利cn104269013a所述，然而由于热成像仪主要实现的是防护区域内的场景测温监控，而防护区域内可能存在着较多的热源，例如太阳能发电等，致使这一类探测器存在着误报率过高的问题，另外探测距离有限也是一个大问题。人们应用卫星遥感或者无人机监控平台来进行自然区域火灾探测或地表气体探测，中国专利cn104157088a“利用卫星遥感监测森林火灾的方法”提出了利用遥感技术进行森林火灾监测的方法，中国专利cn102074093a“一种基于卫星遥感的煤矿火灾监测方法”提出利用卫星可见光、热红外、微波影像进行煤矿火灾探测。中国专利cn102819926a“一种基于无人机的火灾监测预警方法”则提出了一种基于地面站接收无人机可见/光谱图像信号并进行分析识别的系统和方法。这些专利方法均存在如下问题：1.卫星遥感侦测的灵敏度不够，往往需要危险源产生较大面积的泄漏或燃烧，以美国同类的遥感卫星而言，大约需要一个足球场这么大的森林火灾面积才能触发报警；2.这些系统均不能做到实时监测，由于大部分卫星都不是定点的，飞机也是周期性飞行的，所以需要较长的时间才能实现区域重复侦测，因此实时性太差了，而对于很多危险源来讲，一定要做到早期发现、早期处理。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种危险源检测装置和方法，可以远距离、大范围侦测防护区域或空间内的危险源，并获取危险源的坐标位置，从而实现远距离、大范围、极早期、高灵敏和可靠的危险源探测报警。
为了达到上述目的，本发明提供了一种危险源检测装置，包括反射聚焦器、红外传感器和处理器，其中，
所述反射聚焦器用于将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器的传感元；所述光线包括红外光线；
所述红外传感器用于感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息；
所述处理器与所述红外传感器连接，用于采集所述预定波段红外光谱信息，对所述预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源。
实施时，所述的危险源检测装置还包括：
摄像单元，用于对预定范围进行拍摄，获取预定范围的可见图像信息和红外图像信息；
所述处理器还与所述摄像单元连接，还用于采集可见图像信息和所述红外图像信息，并当根据所述处理后的预定波段红外光谱信息判断到所述预定范围内存在危险源时，根据所述可见图像信息和所述红外图像信息获取危险源位置实时图像信息。
实施时，所述的危险源检测装置还包括控制器；所述红外传感器为制冷型红外传感器；
所述反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元；所述反射单元用于将预定范围内每一场景点的光线反射至所述聚焦单元；所述聚焦单元用于将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述反射单元包括红外反射板、水平转动机构和垂直转动机构；
所述红外反射板分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接；
所述控制器分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接；
所述控制器用于向所述水平转动机构发送第一水平转动控制信号，向所述垂直转动机构发送第一垂直转动控制信号；
所述水平转动机构用于根据所述第一水平转动控制信号驱动所述红外反射板以预定水平转速水平转动，所述垂直转动机构用于根据所述第一垂直转动控制信号驱动所述红外反射板以预定垂直速度垂直转动。
实施时，所述摄像单元包括可见光摄像机和红外摄像机；
所述危险源检测装置还包括摄像机转动机构；
所述控制器还与所述摄像机转动机构连接，还用于向摄像机转动机构发送第二水平转动控制信号和第二垂直转动控制信号；
所述摄像机转动机构还分别与所述可见光摄像机和所述红外摄像机连接，用于根据所述第二水平转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动，并根据所述第二垂直转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机垂直转动。
实施时，所述反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元；
所述反射单元用于将预定范围内的光线反射至所述聚焦单元；
所述聚焦单元用于将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述反射单元包括光学反射框架、水平转动机构、红外平面反射板、垂直转动机构、第一位置传感器和第二位置传感器；
所述垂直转动机构包括垂直转动电机、内框架和垂直转轴；所述水平转动机构包括水平转动电机和连接组件；
所述垂直转轴安装于所述光学反射框架上，所述红外平面反射板嵌入所述内框架中，所述垂直转轴与所述内框架固定连接；
所述垂直转动电机用于通过驱动所述垂直转轴转动，以驱动所述内框架转动，从而带动所述红外平面反射板转动；
所述水平转动电机通过所述连接组件与所述光学反射框架连接，用于驱动所述光学反射框架水平转动，以带动所述红外平面反射板水平转动；
所述红外平面反射板用于反射可见光线和红外光线至设置于所述聚焦单元；
所述第一位置传感器设置于所述垂直转动电机的转轴上，用于感应所述垂直转动电机的垂直转动角度；
所述第二位置传感器设置于所述水平转动电机的转轴上，用于感应所述水平转动电机的水平转动角度。
实施时，所述摄像单元包括可见光摄像机和红外摄像机；所述可见光摄像机和所述红外摄像机分别固定连接于所述光学反射框架的上侧边；
当所述水平转动电机用于驱动所述光学反射框架水平转动时，所述水平转动电机还用于带动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动。
实施时，所述反射聚焦器还包括光学吊舱主体，所述聚焦单元设置于所述光学吊舱主体中；
所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体中的第一凹面镜，所述红外平面反射板具体用于反射可见光线和红外光线至所述第一凹面镜；所述第一凹面镜用于将所述红外平面反射板反射的可见光线和红外光线聚焦至所述红外传感器的传感元；或者，
所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体中的第二凹面镜和凸面镜；所述红外平面反射板具体用于反射可见光线和红外光线至所述第二凹面镜；所述第二凹面镜用于将该可见光线和该红外光线反射至所述凸面镜；所述凸面镜用于将该可见光线和该红外光线聚焦到所述红外传感器的传感元。
实施时，所述反射聚焦器还包括水平透镜；
所述水平透镜与所述光学反射框架固定连接；所述水平转动机构通过所述水平透镜与所述光学反射框架连接，所述水平转动机构通过驱动所述水平透镜水平转动而带动所述光学反射框架水平转动；
所述水平透镜设置于所述光学吊舱主体的开口上方。
实施时，所述危险源检测装置还包括控制器；
所述红外传感器为制冷型红外传感器；
所述红外传感器包括至少两个传感元，每一所述传感元对应于相应的中心波段；或者；
所述红外传感器包括一个传感元、至少两个滤光片和滤光片切换机构；每一所述滤光片对应于相应的中心波段；所述滤光片切换机构承载所述至少两个滤光片；
所述控制器用于向所述滤光片切换结构发送切换控制信号；
所述滤光片切换结构与所述控制器连接，用于根据来自所述控制器的切换控制信号控制所述滤光片切换结构控制将相应的滤光片置于该传感元上方。
实施时，所述处理器包括：
信号放大电路，与所述红外传感器连接，用于对所述红外传感器感应得到的预定波段红外光谱信息进行放大；
信号采样电路，与所述信号放大电路连接，用于采集所述信号放大电路输出的放大后的预定波段红外光谱信息；以及，
核心处理电路，分别与所述信号采样电路和所述摄像单元连接，用于根据来自所述信号采样电路的放大后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源，并当判断到存在危险源时，并根据来自所述摄像单元的可见图像信息和红外图像信息获取危险源位置实时图像信息；
所述危险源检测装置还包括控制器；
所述控制器分别与所述第一位置传感器、所述第二位置传感器、所述垂直转动电机和所述水平转动电机连接，用于根据来自所述第一位置传感器的垂直转动角度和来自所述第二位置传感器的水平转动角度计算所述垂直转动电机的垂直转动速度和所述水平转动电机的水平转动速度，并控制所述垂直转动电机以预定垂直转速转动，控制所述水平转动电机以预定水平转速转动。
本发明还提供了一种危险源检测方法，应用于上述的危险源检测装置，所述危险源检测方法包括：
反射聚焦器将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器的传感元；所述光线包括红外光线；红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息，并将该预定波段红外光谱信息；
摄像单元对预定范围进行拍摄，获取预定范围的可见图像信息和红外图像信息；
处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源；所述处理器采集所述可见图像信息和所述红外图像信息，当所述处理器根据所述处理后的预定波段红外光谱信息判断到所述预定范围内存在危险源时，所述处理器根据所述可见图像信息和所述红外图像信息获取危险源位置实时图像信息。
实施时，所述预定波段包括特征波段和参比波段；
所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息步骤包括：所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取特征波段红外光谱响应值vf和参比波段红外光谱响应值vr；
所述处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源步骤包括：
所述处理器每隔预定采样时间采集来自所述红外传感器的特征波段红外光谱响应值vf和参比波段红外光谱响应值vr；
所述处理器判断vf/vr是否大于或等于预定比值阈值，并当vf/vr大于或等于预定比值阈值时发出火灾报警信号；
当所述处理器在预定判定时间内连续发出火灾报警信号时，所述处理器判断到存在火灾危险源；所述预定判定时间大于或等于所述预定采样时间。
实施时，所述预定波段包括特征波段和参比波段；
所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息步骤包括：所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取特征波段红外光谱强度和参比波段红外光谱响应强度；
所述处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源步骤包括：
所述处理器每隔预定采样时间采集来自所述红外传感器的特征波段红外光谱响应强度和参比波段红外光谱响应强度；
所述处理器根据该特征波段红外光谱响应强度和该参比波段红外光谱响应强度计算得到危险气体的浓度与在危险源光路上出现的危险源气体的厚度的乘积；
所述处理器判断该乘积是否大于预定乘积阈值，并当该乘积大于所述预定乘积阈值时，判断在预定范围内存在气体危险源。
实施时，当所述危险源检测装置还包括控制器，所述反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元，所述反射单元包括红外反射板、水平转动机构和垂直转动机构，所述红外反射板分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接，所述控制器分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接时，
所述反射聚焦器将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器的传感元步骤具体包括：所述反射单元将预定范围内每一场景点的光线反射至所述聚焦单元，所述聚焦单元将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述危险源检测方法还包括：
所述控制器向所述水平转动机构发送第一水平转动控制信号，所述水平转动机构根据所述第一水平转动控制信号驱动所述红外反射板以预定水平转速水平转动；
所述控制器向所述垂直转动机构发送第一垂直转动控制信号，所述垂直转动机构根据所述第一垂直转动控制信号驱动所述红外反射板以预定垂直速度垂直转动。
实施时，当所述摄像单元包括可见光摄像机和红外摄像机，所述危险源检测装置还包括摄像机转动机构时，所述危险源检测方法还包括：
所述控制器向摄像机转动机构发送第二水平转动控制信号和第二垂直转动控制信号；
所述摄像机转动机构根据所述第二水平转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动，所述摄像机转动机构根据所述第二垂直转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机垂直转动。
与现有技术相比，本发明实施例所述的危险源检测装置和方法具有以下有益效果：
系统可以针对远距离、大范围防护区域或空间进行实时监控，由于采用了危险源的特征波长、参比波长等多波段红外信号进行对比分析，因为可靠性高、误报率低；
系统可以实现早期和高灵敏的危险源探测；
系统的应用必将大大减少危险源对森林、工业生产区域、大型建筑造成的危害，避免自然资源损失、人员伤亡和财产损失。
附图说明
图1是本发明实施例所述的危险源检测装置的结构框图；
图2是本发明所述的危险源检测装置的一具体实施例的结构图；
图3是本发明实施例所述的危险源检测装置的电气连接关系示意图；
图4是本发明的具体实施例电机控制与反馈示意图；
图5是本发明所述的危险源检测装置中的聚焦单元的一具体实施例的结构示意图；
图6是本发明所述的危险源检测装置中的聚焦单元的另一具体实施例的结构示意图；
图7a是本发明实施例所述的危险源检测装置包括的红外传感器为二元红外传感器是的结构图；
图7b是本发明实施例所述的危险源检测装置包括的红外传感器为三元红外传感器是的结构图；
图8是本发明实施例所述的危险源检测装置采用单元红外传感器时的工作流程图；
图9是本发明实施例所述的危险源检测装置采用多元红外传感器时的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
如图1所示，本发明实施例所述的危险源检测装置包括反射聚焦器11、红外传感器12和处理器13，其中，
所述反射聚焦器11用于将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器12的传感元(图1中未示出)；所述光线包括红外光线；
所述红外传感器12用于感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息；
所述处理器13与所述红外传感器12连接，用于采集所述预定波段红外光谱信息，对所述预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源。
本发明实施例所述的危险源检测装置通过反射聚焦器11将预定范围内的光线聚焦至红外传感器12的传感元，通过红外传感器12感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息，通过处理器14采集所述预定波段红外光谱信息，对所述预定波段红外光谱信息进行处理，能够实时灵敏的检测预定范围内是否存在危险源。
在实际操作时，所述预定波段包括特征波段和参比波段。
优选的，本发明实施例所述的危险源检测装置还包括：
摄像单元，与所述处理器连接，用于对预定范围进行拍摄，获取预定范围的可见图像信息和红外图像信息；
所述处理器还用于采集所述可见图像信息和所述红外图像信息，并当根据所述处理后的预定波段红外光谱信息判断到所述预定范围内存在危险源时，根据所述可见图像信息和所述红外图像信息获取危险源位置实时图像信息。
在实际操作时，本发明实施例所述的危险源检测装置通过摄像单元获取预定范围内的可见图像信息和红外图像信息，当处理器根据所述处理后的预定波段红外光谱信息判断到所述预定范围内存在危险源，处理器根据所述可见图像信息和所述红外图像信息获取危险源位置实时图像信息。
在优选情况下，本发明实施例所述的危险源检测装置还包括控制器；所述红外传感器优选为制冷型红外传感器；
所述反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元；所述反射单元用于将预定范围内每一场景点的光线反射至所述聚焦单元；所述聚焦单元用于将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述反射单元包括红外反射板、水平转动机构和垂直转动机构；
所述红外反射板分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接；
所述控制器分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接；
所述控制器用于向所述水平转动机构发送第一水平转动控制信号，向所述垂直转动机构发送第一垂直转动控制信号；
所述水平转动机构用于根据所述第一水平转动控制信号驱动所述红外反射板以预定水平转速水平转动，所述垂直转动机构用于根据所述第一垂直转动控制信号驱动所述红外反射板以预定垂直速度垂直转动。
在该优选实施例中，所述反射聚焦器为两自由度转动反射聚焦器。
在优选的实施例中，所述控制器向水平转动机构发送第一水平转动控制信号，水平转动机构根据所述第一水平转动控制信号驱动红外反射板匀速水平转动，从而能够驱动红外反射板0-360度水平转动，以使得红外反射板能够将水平0～360度范围内每一个场景点的光线反射至所述聚焦单元；
在优选的实施例中，所述控制器向垂直转动机构发送第一垂直转动控制信号，垂直转动机构根据所述第一垂直转动控制信号驱动所述红外反射板以预定垂直速度垂直转动，从而能够驱动红外反射板0-360度垂直转动，以使得红外反射板可以将垂直有效角度范围内每一个场景点的光线反射至所述聚焦单元。
在实际操作时，所述摄像单元可以包括可见光摄像机和红外摄像机；
所述危险源检测装置还包括摄像机转动机构；
所述控制器还与所述摄像机转动机构连接，还用于向摄像机转动机构发送第二水平转动控制信号和第二垂直转动控制信号；
所述摄像机转动机构还分别与所述可见光摄像机和所述红外摄像机，用于根据所述第二水平转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动，并根据所述第二垂直转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机垂直转动。
在具体实施时，所述可见光摄像机和所述红外摄像机的光轴线可近似认为在所述红外反射板的垂直转动光轴平面内，所以场景内有效目标点总能保证在转动光轴平面内，即水平方向所述摄像机与所述红外反射板总能保持一致，而有效目标点在垂直方向的位置不同则不一定能保证正好在所述摄像机视场内或视场靠近中心的位置，所以控制器可以控制摄像机的垂直转动机构在垂直方向转动以使目标点调整到靠近视场中心的位置。
具体的，所述反射聚焦器可以包括反射单元和聚焦单元；
所述反射单元用于将预定范围内的光线反射至所述聚焦单元；
所述聚焦单元用于将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述反射单元可以包括光学反射框架、水平转动机构、红外平面反射板、垂直转动机构、第一位置传感器和第二位置传感器；
所述垂直转动机构包括垂直转动电机、内框架和垂直转轴；所述水平转动机构包括水平转动电机和连接组件；
所述垂直转轴安装于所述光学反射框架上，所述红外平面反射板嵌入所述内框架中，所述垂直转轴与所述内框架固定连接所述垂直转动电机用于通过驱动所述垂直转轴转动，以驱动所述内框架转动，从而带动所述红外平面反射板转动；
所述水平转动电机通过所述连接组件与所述光学反射框架连接，用于驱动所述光学反射框架水平转动，以带动所述红外平面反射板水平转动；
所述红外平面反射板用于反射可见光线和红外光线至设置于所述聚焦单元；
所述第一位置传感器设置于所述垂直转动电机的转轴上，用于感应所述垂直转动电机的垂直转动角度；
所述第二位置传感器设置于所述水平转动电机的转轴上，用于感应所述水平转动电机的水平转动角度。
在实际操作时，所述内框架的形状与所述红外平面反射板相同，所述红外平面反射板嵌入所述内框架中，从而所述红外平面反射板能够随着所述内框架转动而转动。
在实际操作时，所述红外平面反射板可以为长方形，所述垂直转轴水平设置，所述红外平面反射板的上侧边与所述红外平面反射板的下侧边平行，所述上侧边平行于所述垂直转轴；
在实际操作时，所述垂直转动电机能够控制带动红外平面反射板在垂直方向360°连续旋转，所述水平转动电机能够驱动光学反射框架水平转动，以带动红外平面反射板在水平方向360°连续旋转，每一个180°正反扫扫描周期或360°单面扫扫描周期内完成360°覆盖场景的逐点扫描。
具体的，所述摄像单元包括可见光摄像机和红外摄像机；所述可见光摄像机和所述红外摄像机分别固定连接于所述光学反射框架的上侧边；
当所述水平转动电机用于驱动所述光学反射框架水平转动时，所述水平转动电机还用于带动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动。
具体的，所述反射聚焦器还可以包括光学吊舱主体，所述聚焦单元设置于所述光学吊舱主体中；
所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体中的第一凹面镜，所述红外平面反射板具体用于反射可见光线和红外光线至所述第一凹面镜；所述第一凹面镜用于将所述红外平面反射板反射的可见光线和红外光线聚焦至所述红外传感器的传感元；或者，
所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体中的第二凹面镜和凸面镜；所述红外平面反射板具体用于反射可见光线和红外光线至所述第二凹面镜；所述第二凹面镜用于将该可见光线和该红外光线反射至所述凸面镜；所述凸面镜用于将该可见光线和该红外光线聚焦到所述红外传感器的传感元。
具体的，所述反射聚焦器还可以包括水平透镜；
所述水平透镜与所述光学反射框架固定连接；所述水平转动机构通过所述水平透镜与所述光学反射框架连接，所述水平转动机构通过驱动所述水平透镜水平转动而带动所述光学反射框架水平同步转动；
所述水平透镜设置于所述光学吊舱主体的开口上方，透过需要的光谱光线，阻止水或异物进入光学吊舱主体。
优选的，所述危险源检测装置还包括控制器；所述红外传感器可以额为制冷型红外传感器；
所述红外传感器包括至少两个传感元，每一所述传感元对应于相应的中心波段；或者；
所述红外传感器包括一个传感元、至少两个滤光片和滤光片切换机构；每一所述滤光片对应于相应的中心波段；所述滤光片切换机构承载所述至少两个滤光片；所述控制器用于向所述滤光片切换结构发送切换控制信号；所述滤光片切换结构与所述控制器连接，用于根据来自所述控制器的切换控制信号控制所述滤光片切换结构控制将相应的滤光片置于该传感元上方。
具体的，所述处理器可以包括：
信号放大电路，与所述红外传感器连接，用于对所述红外传感器感应得到的预定波段红外光谱信息进行放大；
信号采样电路，与所述信号放大电路连接，用于采集所述信号放大电路输出的放大后的预定波段红外光谱信息；以及，
核心处理电路，分别与所述信号采样电路和所述摄像单元连接，用于根据来自所述信号采样电路的放大后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源，并当判断到存在危险源时，并根据来自所述摄像单元的可见图像信息和红外图像信息获取危险源位置实时图像信息；
所述危险源检测装置还包括控制器；
所述控制器分别与所述第一位置传感器、所述第二位置传感器、所述垂直转动电机和所述水平转动电机连接，用于根据来自所述第一位置传感器的垂直转动角度和来自所述第二位置传感器的水平转动角度计算所述垂直转动电机的垂直转动速度和所述水平转动电机的水平转动速度，并控制所述垂直转动电机以预定垂直转速转动，控制所述水平转动电机以预定水平转速转动。
下面通过一具体实施例来说明本发明所述的危险源检测装置。
图2本发明所述的危险源检测装置的一具体实施例的结构图。
反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元；
所述反射单元包括光学反射框架202、垂直转动机构、红外平面反射板204、水平转动机构、第一位置传感器(图2中未示出)和第二位置传感器(图2中未示出)；
所述水平转动机构包括水平转动电机208和水平转动齿轮组207(所述水平转动齿轮组207为上述连接组件的一种具体实施方式)；
所述垂直转动机构包括垂直转动电机203、内框架(图2中未示出)和垂直转轴200；
所述垂直转轴200安装于所述光学反射框架202上，所述红外平面反射板204嵌入所述内框架(图2中未示出)中，所述红外平面反射板204与所述内框架(图2中未示出)固定连接；
所述垂直转动电机203用于通过驱动所述垂直转轴200转动，以驱动所述内框架(图2中未示出)转动，从而带动所述红外平面反射板204转动；
所述水平转动电机208通过所述水平转动齿轮组207与所述光学反射框架202连接，用于驱动所述光学反射框架202水平转动，以带动所述红外平面反射板204水平转动；
所述红外平面反射板204用于反射可见光线和红外光线至设置于光学吊舱主体220内；
所述第一位置传感器(图2中未示出)设置于所述垂直转动电机203的转轴上，用于感应所述垂直转动电机203的垂直转动角度；
所述第二位置传感器(图2中未示出)设置于所述水平转动电机208的转轴上，用于感应所述水平转动电机208的水平转动角度。
所述摄像单元包括可见光摄像机201和红外摄像机223；所述可见光摄像机201和所述红外摄像机223分别固定连接于所述光学反射框架202的上侧边；
所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体220中的第二凹面镜216和凸面镜219；所述红外平面反射板204具体用于反射可见光线和红外光线至所述第二凹面镜216；所述第二凹面镜216用于将该可见光线和该红外光线反射至所述凸面镜219；所述凸面镜219用于将该可见光线和该红外光线聚焦到红外传感器215的传感元；
所述反射聚焦器还包括水平透镜205；
所述水平透镜205与所述光学反射框架202固定连接；所述水平转动机构包括的水平转动齿轮组207通过所述水平透镜205与所述光学反射框架202连接，所述水平转动机构通过驱动所述水平透镜205水平转动而带动所述光学反射框架202水平转动；
所述水平透镜205设置于所述光学吊舱主体220的开口上方。
在图2所示的实施例中，所述红外平面反射板204的平面为正方形，则所述内框架框起来的形状也为正方形，并且所述内框架的大小与红外平面反射板204的大小对应，以使得所述红外平面反射板204可以嵌入所述内框架中，以相互固定。
在图2中，标示为209的为高速信号采样与系统控制电路，标号为212的为前置放大器，标号为210的为冷却风扇，标号为215的为红外传感器，标号为211的为滤光片切换机构，标号为221的为垂直轴承，标号为222的为水平透镜雨刷机构，标号为206的为控制信号传输电滑环，标号为217的为核心处理器、标号为218的为驱动板，标号为213的为电源，标号为214的为探测装置主体框架，标号为224的为遮阳罩。
本发明如图2所示的危险源检测装置的具体实施例在工作时，所述光学反射框架202整体由水平转动机构带动水平匀速转动，所述光学反射框架202上安装了红外平面反射板204，红外平面反射板204由垂直转动电机203带动在垂直方向匀速转动。另外在所述述光学反射框架202还安装了水平透镜雨刷机构222，定周期针对水平透镜205进行清理。水平转动电机208采用减速电机匀速转动，通过水平转动齿轮组207带动光学反射框架202整体转动，垂直轴承221承受光学反射框架202垂直和水平方向的受力。
在图2所示的具体实施例中，所所述聚焦单元包括设置于光学吊舱主体220中的第二凹面镜216和凸面镜219；所述红外平面反射板具体用于反射可见光线和红外光线至所述第二凹面镜216；所述第二凹面镜216用于将该可见光线和该红外光线反射至所述凸面镜219；所述凸面镜219用于将该可见光线和该红外光线聚焦到红外传感器215的传感元。
电源213为专用高性能电源。
在实际操作时，在图2所示的具体实施例中，所述高速信号采样与系统控制电路209包括信号采样电路和系统控制电路；
所述处理器包括：前置放大电路212(为所述信号放大电路的一具体实施例)、高速信号采样与系统控制电路209包括的信号采样电路以及核心处理电路217；
所述控制器包括：驱动板218(所述驱动板218用于对所述垂直转动电机203、所述水平转动电机208和所述滤光片切换机构211进行驱动控制)和高速信号采样与系统控制电路209包括的系统控制电路。
在图2所示的具体实施例中，所述摄像单元包括红外/可见双视摄像机，所述红外/可见双视摄像机主要由可见光摄像机201和红外摄像机223组成，视频信号接入核心处理电路217进行信号融合、整合，将光谱遥感报警的位置坐标和点标示到实时视频地图上。
如图3所示，反射聚焦器301通过水平和垂直转动以及反射和光学聚焦，将防护区域场景中每一个点的辐射光谱信息聚焦投射到红外传感器309上。
如图3所示，所述处理器包括前置放大电路308(所述前置放大电路为所述处理器包括的信号放大电路的具体实施例)、电机驱动控制电路303(在图3所示的实施例中，所述处理器包括的控制电路包括电机驱动控制电路303)、高速信号采集与系统控制电路307(在图3所示的实施例中，所述处理器包括的控制电路还包括高速信号采集与系统控制电路307中的系统控制电路)和核心处理电路306(在图3所示的实施例中，所述处理器包括的处理电路包括高速信号采样与系统控制电路307和核心处理电路306)。
在图3中，标号为302的为控制电机和位置传感器；
前置放大电路308主要实现红外传感器输出的微弱信号放大功能，并将放大后的模拟信号传输给高速信号采集与系统控制电路307进行高速采样，对于多元传感器，即采用多通道信号高速采样。
控制电机及位置传感器302主要是实现电机转动和位置反馈，除了通过电机驱动控制电路303驱动控制电机(所述控制电机可以为水平、垂直、摄像机角度、滤光片、雨刷等控制电机)转动外，通过在电机转轴上安装角度光电编码盘和位置开关，反馈转动的位置信息。电机驱动控制电路303主要实现电机的驱动控制，通过pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)控制电机转速，实现水平和垂直转动的匹配。
高速信号采集与系统控制电路307以微秒级的速度进行高速采样获取单元或多元红外传感器的信号提取，并由核心处理电路306进行信号的分析、计算、数据融合和决策判断，最终进行报警信号或测量数值的输入输出。
所述红外/可见双视摄像机包括可见光摄像机310、可见光摄像机镜头313和红外摄像机311和红外摄像机光镜头312，可见光摄像机310和红外摄像机311的视频信号输入到核心处理电路306进行必要的分析、数据融合、二次编码输出。核心处理电路306通过无线或有线网络将视频信号、红外光谱分析信号、报警信号一并通过输入输出接口305发送到控制中心的系统(图3中未示出)中。所述内部供电电路304主要实现高精度、低文波电源的输出功能，为电机、电路、摄像机等提供稳定可靠的电源。
如图4所示为本发明的具体实施例电机控制与反馈示意图。所述高速信号采集与系统控制电路401向电机驱动控制电路包括的的水平转动控制电路409以及垂直转动控制电路402发出启动命令和转速命令，水平电机驱动器408、垂直电机驱动器403随即输出驱动信号驱动垂直转动电机405、水平转动电机407运转，位置反馈主要通过垂直电机光电编码盘4041和垂直电机位置开关4042、水平电机光电编码盘4061和水平电机位置开关4062进行。高速信号采集与系统控制电路401根据位置反馈信息采集有效段的扫描数据。
所述核心处理单元的探测流程如下：首先上电自检后系统即控制水平和垂直转动机构转动；第二，高速采样与控制电路获取所有不同波段的传感器的光谱数据，其中包括参比波段和合成波段的光谱数据；第三，存储不同周期序列每帧的光谱数据；第四，针对所获得的每个周期序列光谱数据进行计算，提取差异点和差异数值，根据这些数据分析检测目标的浓度或相关危险源指标数据；第五，将计算出来的数据，再通过坐标映射而融合到视频图像上，形成复合图像；第六，系统存储各种数据，通过网络进行信号传输；第六，根据所计算的数据和设定的报警阈值进行报警决策。
图5为本发明所述的危险源检测装置中的聚焦单元的一具体实施例的结构示意图。如图5所示，红外平面反射板501在垂直方向快速转动，将防护区域的场景通过平面红外透镜窗口502反射进入光学吊舱内，反射进入的平行光透过平面红外透镜窗口502后投射到第一凹面镜504上，第一凹面镜504即将光线聚焦到红外传感器503的传感面上。
图6为本发明所述的危险源检测装置中的聚焦单元的另一具体实施例的结构示意图。红外平面反射板601在垂直方向快速转动，将防护区域的场景通过平面红外透镜窗口602反射进入光学吊舱内，反射进入的平行光透过平面红外透镜窗口602后投射到第二凹面镜604上，第二凹面镜604将光线反射至凸面镜603，凸面镜603即将光线聚焦到红外传感器605的传感面上。与图5所示的聚焦单元的具体实施例不同的是，图6中的聚焦单元的具体实施例具有更大的焦距，可以覆盖更大的范围。
如图7a所示，制冷型红外传感器可以为二元红外传感器；如图7a所示，标号为701的为传感器主体，标号为702的为传感器窗口，标号为703的为第一传感元，标号为704的为第二传感元；第一传感元703和第二传感元704具有不同中心波段响应性能，传感元的中心波长根据需要探测的危险源种类选择。
如图7b所示，制冷型红外传感器可以为三元传感组件，则在传感元腔室内增加第三元传感器705，其响应的中心波长同样根据需要选择。当然红外传感器也可以只采用单元传感器，传感元响应范围可以较宽，例如3～5um，此时通过滤光片切换机构控制切换滤片，以使传感元响应不同的危险源。
对于火灾燃烧或热烟气而言，4.3～4.4um(微米)和2.8um是火灾燃烧的典型响应中心波长，而3.8um和5.0um则为火灾燃烧响应较低且太阳光影响较小的参比中心波长。有鉴于此，为了可靠探测，如果采用图7a的两元传感组件，则可以采用火灾响应中心波长4.3um作为一元传感元的中心波长，采用3.8um作为参比波段，即为另外一元传感元的中心波长。而当采用图7b的三元传感组件，除了以上的选择外，第三元传感元的中心波长则可以选择2.8um的火灾响应特征波长或5.0um的参比波长，由此系统即可根据场景每个点的光谱响应判断是否为火灾。该技术的应用克服了传统热成像仪探测系统误报率高的问题，由于灵敏度高和实时监测，所以也克服了卫星遥感系统存在的问题。
在实际操作时，烷烃类气体的特征响应波段为3.3～3.4um，此时即可采用3.05um作为参比波段。苯类气体的特征响应波段为3.2～3.57um，同样可以采用参比波段3.05um。有鉴于此，气体危险源探测中，一元传感元可采用窄带或带通滤光片，另一元传感元采用参考波段3.05um。
系统的360°场景扫描是水平转动和垂直转动相协调的结果。垂直方向遥感扫描中仅有部分角度是有效的，例如从向上仰角15°和向下俯角60°是有效的，根据反射原理，反射镜的正面和反面有效角度为37.5°，系统即仅针对相互对称的这37.5°范围进行有效数据采样。由于垂直反射镜转一周可以完成正面和反面一次性扫描，所以一次360°扫描只需要转动180°，由此水平和垂直传动速度的计算方法如下：
假设一次360°扫描周期200s，180°扫描范围内垂直扫描3600行(或称列)，180°范围内垂直转动电机最少转动了3600转，由此可以计算出，垂直转动电机转动的速度r垂直为：
r垂直＝3600转/200s＝18转/s＝1080转/分钟；
水平转动电机转动的速度r水平为：
r水平＝180°/200s＝0.9°/s＝0.15转/分钟；
假设水平传动机构齿轮比为25：1，则减速电机的输出转速为3.75转/分钟，可以选择减速比100的减速电机。
根据以上转速，可以计算出高速采样的采样频率：
假设有效检测范围37.5°共采样1540点，折算下来相当于垂直转动一周需要采样点数n＝360/37.5×1540＝14784点，垂直转速1080转/min，转动时间0.055s，则采样周期ts＝0.055/14784＝3.72us。
根据上述的危险源光谱响应特性，对于不同的危险源采用不同的处理方法，具体实施例处理方法如下：
对于大范围火灾预警探测，系统计算和判断方法如下：
r＝vf/vr，r为vf与vr之间的比值，r大于特定数值时进行火灾报警，该特定数值等于2.0或某一个特定比值。其中vf为特征波段红外光谱响应值，vr为参比波段红外光谱响应值；
火灾判断阈值v火的阈值数值分等级，128、256、384、512、640、768、896、1024……；
坐标上相连的报警点数，例如可以为1、2、4、8点；
以上三个参数(尤其是后两个参数)实际上决定了系统的灵敏度，相当于特定大小的火在某一个距离上可以响应，v火的数值越小，相连报警点数越多，灵敏度越高。
对于大范围气体危险源预警探测，系统计算和判断方法如下：
计算是基于beer-lambertlaw(朗伯比尔定律)，即
it＝i0·e–e(λ)·c·l
其中，it为实时检测到的红外光谱响应强度；
i0为红外光谱响应初始强度；
i0为出现危险源之前的红外光谱响应强度，由于本发明实施例所述的危险源检测装置是被动探测系统，所以i0需要进行背景学习获取；e(λ)为一个与λ有关的指数函数，取决于吸收物质(吸收物质指的是预定范围内的危险气体)的化学特性；
λ为光束的波长；
c为化学物质(也即危险气体)的浓度；
l为光路的长度(所述光路的长度即为危险源光路上出现危险源气体的厚度(或长度))。
由此不难推算，特征吸收波段和参比波段的传感元算式如下：
it,1＝i0,1×e–e(λ1)·c×l；
it,r＝i0,r×e–e(λr)·c×l；
it,1为特征波段红外光谱响应强度，it,1为参比波段红外光谱响应强度；i0,l为
特征波段红外光谱响应初始强度，i0,l为参比波段红外光谱响应初始强度；
进而计算浓度指标如下：
rt＝r0×e-[e(λ1)-e(λr)·c×l]；
其中，e(λl)为与特征波段的中心波长有关的指数函数，e(λr)为与参比波段
的中心波长有关的指数函数；
rt为实时光强之比，rt等于it,1/it,r；
r0为背景光强之比，r0等于i0,1/i0,r；
在实际操作时，当计算得到的c与l的乘积大于lel×m(lel×m相当于上述的预定乘积阈值lel为危险源气体的爆炸下限，m为距离参数)时，则发出危险源气体报警。
图8是本发明采用单元传感器的探测流程示意图。如图8所示，在采用系统在上电完成系统状态检查后，即按照参比波段扫描和特征波段扫描的顺序循环扫描光谱图。程序首先会进行参比波段的光谱图扫描，控制滤光片切换机构动作，使参比波段滤片转动到传感器前方，进入参比波段光谱图扫描程序，系统除了不断进行数据采样外，还同时读取水平和垂直的角度信息，一旦完成一个周期的扫描，系统即进入特征波段光谱图的扫描，同样控制滤光片切换机构211动作，是特征波段滤片转动到传感器前方，进入特征波段光谱图扫描。同时程序不断应用以获得的参比和特征光谱图信号进行计算分析，一旦符合危险源特征，即记录数值、确定坐标位置，进行报警决策分析和输出光谱图、报警信号、危险源参数等信息。
图9是本发明采用多元传感器的探测流程示意图。与单元红外传感系统不同的是，不再需要进行参比和特征波段滤光片的切换，多元传感元对应不同的中心波长，系统直接读取每一个点的多元传感光谱信息，直接进行计算分析，对于符合危险源特征的，即记录数据、标示坐标和决策报警。如此过程不断循环往复。
图8和图9两种系统探测流程均可达到基本的探测目的，但最理想的还是应该采用多元传感器组件，因为在大空间环境中气流等影响因素较多，同一时刻同一个点的多元光谱数据具有更快的响应能力。
本发明实施例所述的危险源检测方法，应用于上述的危险源检测装置，所述危险源检测方法包括：
反射聚焦器将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器的传感元；所述光线包括红外光线；红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息，并将该预定波段红外光谱信息；
所述摄像单元对预定范围进行拍摄，获取预定范围的可见图像信息和红外图像信息；
处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源；所述处理器采集所述可见图像信息和所述红外图像信息，当所述处理器根据所述处理后的预定波段红外光谱信息判断到所述预定范围内存在危险源时，所述处理器根据所述可见图像信息和所述红外图像信息获取危险源位置实时图像信息。
根据一种具体实施方式，所述预定波段包括特征波段和参比波段；
所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息步骤包括：所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取特征波段红外光谱响应值vf和参比波段红外光谱响应值vr；
所述处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源步骤包括：
所述处理器每隔预定采样时间采集来自所述红外传感器的特征波段红外光谱响应值vf和参比波段红外光谱响应值vr；
所述处理器判断vf/vr是否大于或等于预定比值阈值n，并当vf/vr大于或等于预定比值阈值n时发出火灾报警信号；
当所述处理器在预定判定时间内连续发出火灾报警信号时，所述处理器判断到存在火灾危险源，n为正数；所述预定判定时间大于或等于所述预定采样时间。
所述预定判定时间可以根据实际情况设定，例如所述预定判定时间可以为预定采样时间的两倍，也可以为预定采样时间的四倍。
在实际操作时，n为预先设定的比值阈值，n的取值可以大于或等于2而小于或等于3。
根据另一种具体实施方式，所述预定波段包括特征波段和参比波段；
所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取预定波段红外光谱信息步骤包括：所述红外传感器感应其传感元接收到的光线，以获取特征波段红外光谱强度和参比波段红外光谱响应强度；
所述处理器采集所述预定波段红外光谱信息，并对预定波段红外光谱信息进行处理，并根据处理后的预定波段红外光谱信息判断所述预定范围内是否存在危险源步骤包括：
所述处理器每隔预定采样时间采集来自所述红外传感器的特征波段红外光谱响应强度和参比波段红外光谱响应强度；
所述处理器根据该特征波段红外光谱响应强度和该参比波段红外光谱响应强度计算得到危险气体的浓度与在危险源光路上出现的危险源气体的厚度的乘积；
所述处理器判断该乘积是否大于预定乘积阈值，并当该乘积大于所述预定乘积阈值时，判断在预定范围内存在气体危险源。
具体的，当所述危险源检测装置还包括控制器，所述反射聚焦器包括反射单元和聚焦单元，所述反射单元包括红外反射板、水平转动机构和垂直转动机构，所述红外反射板分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接，所述控制器分别与所述水平转动机构和所述垂直转动机构连接时，
所述反射聚焦器将预定范围内的光线反射聚焦至所述红外传感器的传感元步骤具体包括：所述反射单元将预定范围内每一场景点的光线反射至所述聚焦单元，所述聚焦单元将所述光线聚焦至所述红外传感器的传感元；
所述危险源检测方法还包括：
所述控制器向所述水平转动机构发送第一水平转动控制信号，所述水平转动机构根据所述第一水平转动控制信号驱动所述红外反射板以预定水平转速水平转动；
所述控制器向所述垂直转动机构发送第一垂直转动控制信号，所述垂直转动机构根据所述第一垂直转动控制信号驱动所述红外反射板以预定垂直速度垂直转动。
具体的，当所述摄像单元包括可见光摄像机和红外摄像机，所述危险源检测装置还包括摄像机转动机构时，所述危险源检测方法还包括：
所述控制器向摄像机转动机构发送第二水平转动控制信号和第二垂直转动控制信号；
所述摄像机转动机构根据所述第二水平转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机水平转动，所述摄像机转动机构根据所述第二垂直转动控制信号驱动所述可见光摄像机和所述红外摄像机垂直转动。
本发明提供一种大范围光谱遥感危险源检测装置及方法，该装置包括：反射聚焦器，包含了光学反射、放大聚焦镜和控制光学系统，获取360度场景光学信息的水平和垂直转动机构，用于完成光学系统360全景遥感扫描，以获取覆盖场景内每一个点上的多波段光谱信息，使得这个点的光投射到特定的传感器上；传感探测系统，用于获取360度场景防护区域内每一个点的特定波长的多波段光谱信息，反射单元360度转动，逐点遥感扫描，不同波段的红外传感器感应获得对应的光谱响应值，经放大和前置处理后采用进入计算芯片，通过对每一个点的特征波段信息与参比波段信息的计算分析，或者通过不同波段信息的运算，计算出危险源的发生或浓度，一旦产生报警，预警系统即通过网络接口输出报警信息和报警点的镜像投影平面坐标，供后端监控系统计算和控制无人机或摄像机等监控设备飞到或指向报警点。反射聚焦器设置水平转动机构和垂直转动机构，垂直转动机构带动反光镜快速旋转，将垂直方向场景内的光反射进光学吊舱内，水平转动机构带动整个垂直反射机构水平转动，完成360度扫描的目的。水平和垂直机构的转动速度相互匹配，在固定周期内即可完成水平360度和垂直75度(或其他适宜的角度)场景的遥感扫描。红外/可见双视场景监控摄像机，用于随着水平转动机构水平转动，覆盖遥感探测系统的光学市场范围，双视图像会在处理电路中形成连续的360
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！