專利名稱：煙霧相對濃度圖像探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及煙霧濃度的監(jiān)測和火災探測設備。
火災探測是人類依靠科學技術與火災作斗爭的有效手段之一。煙霧監(jiān)測是火災早期探測中的重要一項，是控制火災發(fā)展和減少火災損失的重要途徑。目前應用在大空間中的煙霧探測器大致有以下幾種1、離子式煙霧探測器，2、二極管式光電煙霧探測器，3、吸氣式煙霧探測器，4、反射式光束感煙探測器，5、圖像對單點式模擬探測器系統(tǒng)。其中二極管式光電煙霧探測器由于其價格低廉、反應靈敏以及可用于較大空間等特點，被國際上普遍采用。但是，傳統(tǒng)的紅外感煙探測器在大空間場合中，由于其點對點式的設計以及初級的處理技術，使其在應用于煙霧探測方面存在很大的局限性。
經(jīng)檢索，與本實用新型相關的煙霧探測器專利有1、申請?zhí)枮?007226的散射光式煙霧探測器；2、申請?zhí)枮?5105779的光電煙霧檢測器；3、專利號為98122932.8的反射式光束感煙火災探測方法及裝置；4、專利號為99203139.7的多通道火災圖像監(jiān)測報警切換器。
以上專利中存在著以下問題在大空間較遠距離時，一般信號變得非常微弱，噪聲的影響非常大，使有用信號淹沒在噪聲中，使用以上探測器很難辨別出有煙和無煙；另外，若在有日光照射或強紅外光輻射源的場所，由于噪聲過強，會使上述探測器失效。
上述探測器基本上只能提供閥值的監(jiān)測，用于報警，不能連續(xù)監(jiān)測煙霧的濃度，這在煙霧深層研究中是不行的。
接收二極管的靈敏度和信噪比與發(fā)光二極管的發(fā)光角度和距離關系非常密切，所以對準是提高測量精度的重要條件。專利1、2、3所述的紅外探測器都是點對點、或者近似點對點的監(jiān)測，要用來對整個空間進行監(jiān)測比較困難；專利4也只能實現(xiàn)某條近似直線上的煙霧監(jiān)測。由于其一般的對準原理是使發(fā)射硅片平面和接收硅片平面的法線在三維立體空間中始終位于同一條直線上，而這是難于保證的，特別在有劇烈震動或大空間場所，使用這種點對點二極管的探測器對準會非常困難，而且隨著距離的增大對準的難度也相應加大。
專利3所述反射式光束感煙火災探測裝置提出運用反射鏡使發(fā)送和接收位于同一端的技術方案，表面上解決了二極管對準問題，但反射鏡的對準卻又成為一大困難；特別是該方案所采用的補償測量接收放大器和接收測量放大器，所補償?shù)氖前l(fā)射的光強變化；其輸出與判斷電路，實質(zhì)為一比較器，即截取上下兩個閥值。當信噪比減小時，有用信號湮沒在隨機噪聲中，無論如何截取閥值都將無法正確判斷，唯一的辦法是加大發(fā)射功率。此外，其由每個點值為0，1的個別點組成的二值信號，無法繪制出煙霧變化的動態(tài)圖形。
本實用新型提出一種煙霧相對濃度圖像探測設備，可以對煙霧濃度進行大空間的動態(tài)立體監(jiān)測。


圖1是本實用新型煙霧相對濃度圖像探測器的系統(tǒng)框圖，圖2是其紅外發(fā)光二極管矩陣電路圖，圖3是其通訊接口和控制電路圖，圖4是相干波長檢測方法的程序框圖。
這種煙霧相對濃度圖像探測器，其特征在于包括紅外光發(fā)射源(1)、發(fā)射端控制電路(2)、通訊接口(3)、接收端(4)、高速采集設備(5)和PC機處理設備(6)組成；所述紅外光發(fā)射源(1)是每列由n個紅外發(fā)光二極管(7)串接后、共m列并在一起組成的n×m矩陣平面，置于大空間的一端墻面上；所述接收端(4)采用設有紅外濾波片(9)的CCD攝像頭(8)，經(jīng)過高速采集卡(5)連接到PC機(6)；使紅外光發(fā)射源(1)矩陣平面上的每個發(fā)光二極管(7)的硅平面平行于接收端(4)的攝像頭(8)和濾波片(9)，形成面對面的發(fā)射與接收；所述發(fā)射端控制電路(2)包括微控制器(10)與2×m個高壓開關管(11)和2×m個限流電阻(12)組成；紅外光發(fā)射源(1)上每列串接二極管的正極端接+50V電源、負端通過接口J26與發(fā)射端控制電路(2)中的限流電阻(12)相接，限流電阻(12)的另一端接高壓開關管(11)的漏極，高壓開關管(11)的源極接地、柵極分別接至微控制器(10)P0～P2的I/O口；所述通訊接口(3)分為(13)和(14)兩部分在控制電路(2)一端的通訊接口(13)和微控制器(10)相接，在PC機一端的通訊接口(14)與PC機(6)的串行口RS232的插座J25相接，通訊接口(13)和(14)之間用485總線相連。
使用時，先在無煙狀態(tài)下，由PC機(6)通過串行口RS232口、經(jīng)通訊接口(3)向微控制器(10)發(fā)出啟動命令，控制電路(2)開啟紅外光發(fā)射源(1)，光信號經(jīng)過大空間到達紅外濾波片(9)、進入CCD攝像頭(8)，經(jīng)高速采集卡(5)采集到PC機(6)中去，形成CCD的紅外圖像；對紅外圖形采用相干濾波的方法進行去噪處理，即將相鄰幀累加起來，用根據(jù)程序框圖4所示流程編寫的軟件，找出紅外圖形中每個相隔亮點區(qū)的最大值，存儲該點X，Y坐標和灰度值，并在PC機所存圖形中對每個找到的亮點區(qū)最亮像素點的周圍次亮點區(qū)域清零；依次對每個亮點區(qū)做這一操作，直到找完n×m個為止；再在有煙狀態(tài)下，監(jiān)測剛才找到各點的當前灰度值，采用同樣的相干濾波方法進行去噪處理；求n×m個亮點的相對煙霧濃度值，并根據(jù)其坐標繪制出當前煙霧圖像；重復多次采集去噪處理，即可繪制出煙霧隨時間變化的動態(tài)相對濃度圖像。
與現(xiàn)有技術相比較，本實用新型具有以下優(yōu)點1、本實用新型采用大平面的紅外發(fā)光二極管矩陣平面代替了現(xiàn)有技術中的點式發(fā)射源，采用基于CCD器件的攝像頭代替接收二極管，從而形成面對面的煙霧濃度探測器，很好地解決了對準問題，使得大空間的動態(tài)立體監(jiān)測成為可能；本實用新型探測器在對準、校正和整個空間監(jiān)測上，比紅外接收二極管的點對點方式有很大優(yōu)勢。
2、本實用新型采用控制電路(2)，可以調(diào)控紅外發(fā)光管的發(fā)射功率，對于較遠距離的煙霧監(jiān)測、或在煙霧濃度大幅度增加時，可以調(diào)高發(fā)射功率，進一步提高遠距離監(jiān)測精度。由于采取了由微控制器(10)控制高壓開關管(11)的開斷決定限流電阻(12)的控制電路(2)，可選擇使二路控制電路全導通、一路導通或不導通；不導通，即關閉電路，不進行測量；一般情況下，當煙霧探測距離較近時，采用一路導通；而當距離加大時則可使兩路都導通以加大電流，從而提高遠程測試的精度；對所接收數(shù)據(jù)轉化成煙霧濃度的精度可達0.5％，從而可以很好地監(jiān)測空間的煙霧濃度，且可方便地組成智能報警系統(tǒng)。
3、由于本實用新型的點陣式發(fā)射源，使得最后采集值形成點陣，可以用于多點煙霧相對濃度的測量和火災探測報警，解決了形成動態(tài)煙霧圖形的問題；通過采用相干濾波監(jiān)測的方法處理數(shù)據(jù)，去除噪音，可將信噪比提高一個數(shù)量級，提高測量的精度；不僅僅是設定一個閥值，而且可以得到連續(xù)的相對煙霧濃度值。當然也可以對二極管點陣中的一個或多個線性范圍內(nèi)設定報警閥值，一旦煙霧濃度達到設定值就認為發(fā)生了火災，開始報警，而且同時可以監(jiān)測陣列中所有點組成的煙霧濃度圖形的變化規(guī)律?？梢詾榛馂奶綔y提供精確的動態(tài)的數(shù)據(jù)，使煙霧濃度的探測更加精確，迅速，直觀；也為進行煙霧運動學的研究提供了有效的工具。
4、由于本實用新型圖像監(jiān)測的關鍵器件——像敏感元件通過光學鏡頭與外界發(fā)生間接接觸，這種結構保證了探測器可以更好地保護、使用更長久，對于長期粉塵、濕度影響有很大的抗干擾能力。因此本實用新型探測器可適用于大空間、大面積、多粉塵、高濕度的室內(nèi)外環(huán)境中使用，可在需要對火災現(xiàn)象中的圖像信息作出快速反應和需提供直觀動態(tài)的火災煙霧圖像信息的場所使用。
以下結合附圖具體說明本實用新型的實施例。
實施例1本實施例煙霧相對濃度圖像探測器的紅外發(fā)光二極管矩陣發(fā)射源(1)，具體由10×12＝120個外徑為Ф5的紅外發(fā)光二極管(7)組成，每一列由十個紅外發(fā)光二極管串聯(lián)，共12列，該紅外發(fā)光二極管矩陣發(fā)射源(1)的電路如圖2所示；將紅外發(fā)光二極管矩陣置于大空間的一端墻面上，使每個二極管(7)的硅平面應盡可能的平行于攝像頭(8)和紅外濾波片(9)；盡可能選用特性曲線一致的120個二極管(7)，并可在每個二極管(7)的正負極兩端并接30Ω～300Ω的調(diào)整電阻，圖2中30Ω～300Ω沒有畫出，實踐中只有極少數(shù)的二極管需要調(diào)整。二極管一致性要調(diào)整到完全一致很困難，但要基本上控制發(fā)射功率的差別不超過30％-50％，這是比較容易做到的；而在這30％-50％的差別內(nèi)，是可以得到噪聲中的相對煙霧濃度的。
本實施例中的控制電路(2)由89C51單片機(內(nèi)部有4K E2PROM的程序存儲器)、R1-R24共24個200Ω、2.5W的限流電阻(12)和J1-J24共24個Vn222中功率MOS高壓開關管(11)組成；紅外光發(fā)射源(1)上每列串接二極管的正極端接+50V電源、負端通過接口J26與發(fā)射端控制電路(2)中的限流電阻(12)相接，限流電阻(12)的另一端接高壓開關管(11)的漏極，高壓開關管(11)的源極接地、柵極分別接至微控制器(10)P0～P2的I/O口；單片機89C51的P0～P2口共有24條I/O線，控制J1-J24共24個Vn222功率MOS管的導通和截止；每兩個功率MOS管及兩個200Ω電阻共同控制一路由10個紅外發(fā)光二極管的串接回路，從而每列二極管通過MOS管的通斷可設置成三種控制形式煙霧探測距離超過10米或相對煙霧濃度較高時使二路MOS管全導通；距離在10米以內(nèi)或相對煙霧濃度較小時，只選擇一路MOS管導通；不測量時任何一路MOS管都不導通。例如89C51的程序控制其引腳P1.0為1，P1.1為0，則J1導通，J24截止，這時通過J26的12腳的發(fā)光二極管列只串接一個200Ω電阻；當距離較遠或相對煙霧濃度大時，可以由89C51程序控制P1.0＝1，P1.1＝1，使J26的12腳的發(fā)光二極管列串接一個相當于100Ω的電阻(兩個200Ω電阻并接后為100Ω)；當這列二極管列不用時，可使P1.0＝0，P1.1＝0，使兩路都截止。
所述通訊接口(3)分為兩部分接在控制電路(2)一端的為接口(13)，由485器件的R、D腳分別與89C51的RXD、TXD連接，RE、DE腳都與89C51的T0連接，A、B腳與通訊接口(14)的A、B腳相接；接在PC機一端的通訊接口(14)，由PC機串行口RS232經(jīng)電平轉換芯片MAX232把電平從±12V變成0到5V，再由MAX232去驅動控制485器件的R、D、RE、DE引腳，達到平衡式遠程控制(雙絞線可達1000米)，如圖3所示。通訊接口(13)和(14)之間用485總線相連。
接收端(4)由CCD攝像頭(8)外加紅外濾波片(9)組成，本實施例中的攝像頭(8)采用的是普通黑白可調(diào)焦的CCD攝像頭VISTA，所接高速采集設備(5)采用的是型號為FLY VIDEO II的外購設備，將它插入到PC機(6)的插槽中；PC機(6)一般要求64M以上內(nèi)存，主頻350MHz以上，WIN98操作系統(tǒng)。
使用檢測時，操作程序如圖4所示；首先初始化圖像采集設備，存儲緩沖區(qū)后，在無煙狀態(tài)下，由PC機(6)通過RS232口、經(jīng)通訊接口(3)向微控制器(10)發(fā)出啟動命令，控制電路(2)開啟紅外光發(fā)射源(1)，光信號經(jīng)過大空間到達紅外濾波片(9)、進入CCD攝像頭(8)，經(jīng)高速采集卡(5)同步采集100～256幅圖到PC機(6)內(nèi)，采用相干濾波的方法進行處理，即將相鄰幀累加起來，消除噪聲的影響，并形成回路控制；得到初始無煙的由CCD攝像頭經(jīng)濾波片接收到的紅外圖形。
本實施例中采用根據(jù)程序框圖4給出的流程所編制的軟件，找出每個相隔亮點區(qū)的最大值，并存儲該點X，Y坐標和灰度值；每一二極管對應一亮點區(qū)，求出各亮點區(qū)的峰值作為二極管的代表值及公共背景信號的平均值；總共求出10×12點的煙霧濃度值，并存儲這10×12個點的濃度值即灰度值和X，Y坐標值；在PC機所存圖形中對每一個找到的亮點區(qū)最亮像素點的周圍次亮點區(qū)域清零，防止干擾找下一個亮點區(qū)的最亮像素點；依次對每個亮點區(qū)做這一操作，直到找完10×12個亮點區(qū)為止。
再在有煙狀態(tài)下，監(jiān)測剛才找到各點的當前灰度值，采用同樣的相干濾波方法進行去噪處理；求10×12個亮點的相對煙霧濃度值，并根據(jù)其坐標采用科學可視化圖形軟件IDL繪制出當前相對煙霧濃度圖像；如果是多幅不同時刻的相對煙霧濃度圖像，則重復多次采集去噪處理，即可繪制出煙霧隨時間變化的動態(tài)相對濃度圖像；否則終止處理。
采用相干濾波方法去噪聲，是利用相鄰幀積分平均濾波方法。在理想情況下，平穩(wěn)白噪聲序列在某一循環(huán)頻率上的循環(huán)自相關函數(shù)為零，因此對于具有循環(huán)平穩(wěn)特性的信號，利用循環(huán)自相關函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自相關函數(shù)，可以有效的抑制噪聲。但在實際場合中，由于數(shù)據(jù)長度有限，噪聲循環(huán)自相關函數(shù)的估計量并不為零，因此將影響循環(huán)平穩(wěn)方法的性能?？紤]到所觀測的煙霧變化與圖像采集速度相比是近似靜態(tài)的，所以很適合于利用相鄰幀積分平均濾波，這是其他煙霧監(jiān)測探測器所沒有的。實驗表明，這種方法所得的結果也是相當好的。
采用相干濾波的數(shù)據(jù)處理方法，去除了噪音，將信噪比提高了一個數(shù)量級，提高了測量的精度，不僅僅是設定一個閥值，而且可以得到連續(xù)的相對煙霧濃度值。
當然也可以對二極管點陣中的一個或多個線性范圍內(nèi)設定報警閥值，一旦煙霧濃度達到設定值就認為發(fā)生了火災，開始報警，而且同時可以監(jiān)測陣列中所有點組成的煙霧濃度圖形的變化規(guī)律。
權利要求1.一種煙霧相對濃度圖像探測器，其特征在于包括紅外光發(fā)射源(1)、發(fā)射端控制電路(2)、通訊接口(3)、接收端(4)、高速采集設備(5)和PC機處理設備(6)組成；所述紅外光發(fā)射源(1)是每列由n個紅外發(fā)光二極管(7)串接后、共m列并在一起組成的n×m矩陣平面，置于大空間的一端墻面上；所述接收端(4)采用設有紅外濾波片(9)的CCD攝像頭(8)，經(jīng)過高速采集卡(5)連接到PC機(6)；使紅外光發(fā)射源(1)矩陣平面上的每個發(fā)光二極管(7)的硅平面平行于接收端(4)的攝像頭(8)和濾波片(9)，形成面對面的發(fā)射與接收；所述發(fā)射端控制電路(2)包括微控制器(10)與2×m個高壓開關管(11)和2×m個限流電阻(12)組成；紅外光發(fā)射源(1)上每列串接二極管的正極端接+50V電源、負端通過接口J26與發(fā)射端控制電路(2)中的限流電阻(12)相接，限流電阻(12)的另一端接高壓開關管(11)的漏極，高壓開關管(11)的源極接地、柵極分別接至微控制器(10)P0～P2的I/O口；所述通訊接口(3)分為(13)和(14)兩部分在控制電路(2)一端的通訊接口(13)和微控制器(10)相接，在PC機一端的通訊接口(14)與PC機(6)的串行口RS232的插座J25相接，通訊接口(13)和(14)之間用485總線相連。
專利摘要本實用新型煙霧相對濃度圖像探測器,采用由紅外發(fā)光二極管組成的矩陣平面發(fā)射源和設有紅外濾波片的CCD攝像頭接收端,形成面對面的探測,很好地解決了對準、校正和整個空間監(jiān)測問題,采用相干濾波方法進行去噪處理,不僅可提供精確的動態(tài)數(shù)據(jù),并可繪制出煙霧隨時間變化的動態(tài)相對濃度圖像,可以用于多點煙霧相對濃度的測量、火災探測報警和大空間的動態(tài)立體監(jiān)測,也為進行煙霧運動學的研究提供了有效的工具。
文檔編號G01N21/31GK2442264SQ00240640
公開日2001年8月8日 申請日期2000年10月16日 優(yōu)先權日2000年10月16日
發(fā)明者張培仁, 都改欣, 張村峰, 馬云, 高飛 申請人:中國科學技術大學