一种三红外波段火焰探测方法及系统与流程

1.本发明涉及一种三红外波段火焰探测方法及系统，属于火焰探测技术领域。


背景技术：

2.随着现代社会发展，如何快速发现火灾发生成为了一个亟待解决的难题。在储油设施、大型仓库等一些储存有易燃物品的场所，若能尽早发现火灾发生，就可以降低人员伤亡和财产损失。
3.传统火灾探测方式是利用点型感烟和感温火灾探测器对监测区域内的一些特定环境参数进行监测，判断有无烟雾产生或监测区域内温度有无变化。这种对由火焰的产生而随之产生的附加效应的监测不仅容易产生误报情况，而且考虑到烟雾/温度的传播速度，这种探测方式还会有较大的时间延迟。当发出火灾警报时，火灾险情可能已经发展到不可控制的程度了。因此，传统火灾探测器作为火灾早期发现的主要工具，已不能满足特殊场所火灾预防的要求，特别是航天工业、飞机库、飞机修理场、化学工业、公路隧道、爆炸品仓库、油漆工厂、石油化工企业、制药企业、发电站、印刷企业、易燃材料仓库等可燃物含碳物质的场合。
4.近年来，直接对火焰进行探测的红外火焰探测器不断涌现，这类探测器多为单红外波段或双红外波段，具有性能稳定、响应速度快等优点，但容易受到红外辐射源的干扰而产生误报警现象，同时限制了其探测距离。


技术实现要素：

5.上本发明的目的在于提供一种三红外波段火焰探测方法及系统，它运用了先进的多红外传感技术，使用三个热释电管测量环境中的红外信号，热释电管具有窄带滤波特性，可测量特定波长的红外信号，通过火焰识别算法，可有效抑制红外辐射源的干扰，增大火焰探测距离，实现对火焰信号的快速响应和准确识别。
6.本发明提供技术方案如下：
7.一方面，本发明提供了一种三红外波段火焰探测方法，包含以下步骤：
8.s1、采用三个热释电管分别测量环境中的人工热源红外信号、火焰红外信号、人工光源红外信号，由处理器采集得到三波段红外信号原始数据。
9.s2、对三波段红外信号原始数据去均值，得到去均值后数据，计算公式如下：
[0010][0011]
[0012][0013]
其中，s
h0
(j)为第j时刻人工热源红外信号原始数据，s
f0
(j)为第j时刻火焰红外信号原始数据，s
l0
(j)为第j时刻人工光源红外信号原始数据，sh′
(n)为第n时刻人工热源红外信号去均值后数据，sf′
(n)为第n时刻火焰红外信号去均值后数据，s
l
′
(n)为第n时刻人工光源红外信号去均值后数据，n为采样数，n＝1,2,3,
…
,n。
[0014]
s3、将去均值后数据通过一个截止频率为40hz的数字低通滤波器，得到三波段红外信号采样数据，滤波计算公式如下：
[0015][0016][0017][0018]
其中，ak为滤波器系统函数分母多项式的系数，bk为滤波器系统函数分子多项式的系数，m为滤波器的阶数，s
hs
(n)为第n时刻人工热源红外信号采样数据，s
fs
(n)为第n时刻火焰红外信号采样数据，s
ls
(n)为第n时刻人工光源红外信号采样数据。
[0019]
s4、根据三波段红外信号采样数据之间的线性叠加关系，计算三波段红外信号真实数据，计算公式如下：
[0020][0021]
其中，sf(n)为第n时刻火焰红外信号真实数据，sh(n)为第n时刻人工热源红外信号真实数据，s
l
(n)为第n时刻人工光源红外信号真实数据，α
fh
为人工热源红外信号真实数据对于火焰红外信号采样数据的叠加系数，α
fl
为人工光源红外信号真实数据对于火焰红外信号采样数据的叠加系数，α
hf
为火焰红外信号真实数据对于人工热源红外信号采样数据的叠加系数，α
hl
为人工光源红外信号真实数据对于人工热源红外信号采样数据的叠加系数，α
lf
为火焰红外信号真实数据对于人工光源红外信号采样数据的叠加系数，α
lh
为人工热源红外信号真实数据对于人工光源红外信号采样数据的叠加系数。
[0022]
s5、计算三波段红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：
[0023]
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]
其中，λ＝0.99，t为n个采样周期，p
hs
为人工热源红外信号采样数据的平均功率，p
fs
为火焰红外信号采样数据的平均功率，p
ls
为人工光源红外信号采样数据的平均功率,ph为人工热源红外信号真实数据的平均功率，pf为火焰红外信号真实数据的平均功率，p
l
为人工光源红外信号真实数据的平均功率。
[0030]
s6、计算人工热源红外信号真实数据和人工光源红外信号真实数据的方差，计算公式如下：
[0031][0032][0033]
其中，为n个人工热源红外信号真实数据的均值,为n个人工光源红外信号真实数据的均值,δh为人工热源红外信号真实数据的方差，δ
l
为人工光源红外信号真实数据的方差。
[0034]
s7、判定探测到火焰的逻辑条件之一如下：
[0035][0036]
s8、判定探测到火焰的逻辑条件之一如下：
[0037][0038]
s9、判定探测到火焰的逻辑条件之一如下：
[0039]
y3:(δh《k5)&&(δh《k6)
[0040]
s10、判定探测到火焰的总的逻辑条件：
[0041]
条件y1、条件y2、条件y3连续两次成立，且间隔时间在设定的时间范围tm之内。
[0042]
另一方面，本发明还提供了一种三红外波段火焰探测系统，该系统由测量单元、处理器单元、输入输出单元、电源单元构成，测量单元采用一块滤光片对进入三个热释电管的外部环境中的红外光加以过滤，滤光片允许通过的红外光的波长范围为3.85um～5.3um,三个热释电管感应环境中的红外信号，然后输出微弱的电压测量信号，三个热释电管测量红外信号的中心波长分别为3.85um、4.48um、5.3um，其中，3.85um波段主要测量人工热源红外信号，4.48um波段主要测量火焰红外信号，5.3um波段主要测量人工光源红外信号，三个热释电管输出的电压测量信号经放大、滤波电路后作为adc输入信号送入处理器adc模块，放大电路由串联的两级运放构成，滤波电路为二阶模拟低通滤波器，处理器adc模块将adc输入信号转换为三波段红外信号原始数据，adc模块采样周期为1毫秒，测量单元采用一个三色指示灯指示系统工作状态，处理器单元采用的处理器为at32f407vgt7，处理器采集三波段红外信号原始数据，按照三红外波段火焰探测方法进行火焰探测，火焰探测过程中处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为绿色，指示系统处于正常工作状态，当探测到火焰时，处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为红色，指示系统处于火警状态，同时向处理器单元上的eeprom中写入火警事件信息，处理器单元以10min为周期进行系统自检，自检过程中处理器发出控制信号使测量单元指示灯红色、黄色、绿色快速闪烁，指示系统处于自检状态，处理器单元发出控制信号使测量单元上的三个红外发射管发出红外信号，此红外信号经过滤光片后进入三个热释电管由处理器采集红外信号数据，处理器将此红外信号的平均功率与红外发射管标准功率值比较，若低于标准功率值，则处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为黄色，指示系统处于故障状态,输入输出单元采用继电器一、继电器二输出表示系统工作状态的电平信号，采用恒流源输出表示系统工作状态的电流信号，当系统处于火警状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一输出高电平信号，使恒流源输出20ma电流，当系统处于故障状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器二输出高电平信号，使恒流源输出3ma电流，当系统处于正常工作状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一、继电器二输出低电平信号，使恒流源输出4ma电流，输入输出单元采用串口接收外部指令并将指令返回至处理器单元，处理器单元响应外部指令，设定系统的火焰探测灵敏度，向输入输出单元串口上报火警事件信息,输入输出单元采用一个磁感应开关感应系统外部磁场，并将感应信号发送至处理器单元，处理器单元接收到感应信号后，使系统进入自检状态，电源单元为测量单元、处理器单元、输入输出单元供电。
附图说明
[0043]
图1为本发明的三红外波段火焰探测方法流程图。
[0044]
图2为本发明的三红外波段火焰探测系统结构图。
[0045]
图3为本发明的三红外波段火焰探测系统控制流程图。
[0046]
图4为本发明在火焰探测时的三波段红外信号原始数据、采样数据、真实数据图表。
[0047]
图5为本发明的三红外波段火焰探测效果图。
具体实施方式
[0048]
以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
[0049]
如图1所示，为本发明的三波段火焰探测方法流程图，本发明提供的一种三红外波段火焰探测方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、由三个红外热释电管分别采集人工热源、火焰、人工光源三波段红外信号的原始数据，如图4第一行图表中的波形所示。
[0051]
s2、鉴于s1中三波段红外信号原始数据中包含较大的直流分量，不能直接用于计算红外信号的能量，因此对三波段红外信号原始数据进行去均值处理。
[0052]
s3、鉴于三波段红外信号中存在着高频干扰，对三波段红外信号的能量计算造成误差，因此对去均值后三波段红外数据加以低通滤波，采用截止频率为40hz的数字低通滤波器，滤波后得到三波段红外信号采样数据，三波段红外信号采样数据如图4第二行图表中的波形所示。
[0053]
s4、鉴于三波段红外信号采样数据之间存在相互叠加，因此根据三波段红外信号的线性叠加关系，计算三波段红外信号真实数据，三波段红外信号真实数据如图4第三行图表中的波形所示。
[0054]
s5、计算三波段红外信号采样数据和真实数据的平均功率。
[0055]
s6、计算三波段红外信号真实数据的方差。
[0056]
s7、设置条件y1：火焰红外信号采样数据与人工热源红外信号采样数据的平均功率之比大于k1，火焰红外信号采样数据与人工光源红外信号采样数据的平均功率之比大于k2。
[0057]
s8、设置条件y2：火焰红外信号真实数据与人工热源红外信号真实数据的平均功率之比大于k3，火焰红外信号真实数据与人工光源红外信号真实数据的平均功率之比大于k4。
[0058]
s9、设置条件y3：人工热源、人工光源红外信号真实数据的方差分别小于k5、k6。
[0059]
s10、若y1、y2、y3条件连续两次成立，且间隔时间在设定的时间范围tm之内，则判定探测到火焰。
[0060]
如图2所示，为本发明的三红外波段火焰探测系统结构图，系统由测量单元、处理器单元、输入输出单元、电源单元构成，测量单元采用一块滤光片对进入三个热释电管的外部环境中的红外光加以过滤，滤光片允许通过的红外光的波长范围为3.85um～5.3um,三个热释电管感应环境中的红外信号，然后输出微弱的电压测量信号，三个热释电管测量红外信号的中心波长分别为3.85um、4.48um、5.3um，其中，3.85um波段主要测量人工热源红外信号，4.48um波段主要测量火焰红外信号，5.3um波段主要测量人工光源红外信号，三个热释电管输出的电压测量信号经放大、滤波电路后作为adc输入信号送入处理器adc模块，放大电路由串联的两级运放构成，滤波电路为二阶模拟低通滤波器，处理器adc模块将adc输入信号转换为三波段红外信号原始数据，adc模块采样周期为1毫秒，测量单元采用一个三色指示灯指示系统工作状态，处理器单元采用的处理器为at32f407vgt7，处理器采集三波段红外信号原始数据，按照三红外波段火焰探测方法进行火焰探测，火焰探测过程中处理器
单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为绿色，指示系统处于正常工作状态，当探测到火焰时，处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为红色，指示系统处于火警状态，同时向处理器单元上的eeprom中写入火警事件信息，处理器单元以10min为周期进行系统自检，自检过程中处理器发出控制信号使测量单元指示灯红色、黄色、绿色快速闪烁，指示系统处于自检状态，处理器单元发出控制信号使测量单元上的三个红外发射管发出红外信号，此红外信号经过滤光片后进入三个热释电管由处理器采集红外信号数据，处理器将此红外信号的平均功率与红外发射管标准功率值比较，若低于标准功率值，则处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为黄色，指示系统处于故障状态,输入输出单元采用继电器一、继电器二输出表示系统工作状态的电平信号，采用恒流源输出表示系统工作状态的电流信号，当系统处于火警状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一输出高电平信号，使恒流源输出20ma电流，当系统处于故障状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器二输出高电平信号，使恒流源输出3ma电流，当系统处于正常工作状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一、继电器二输出低电平信号，使恒流源输出4ma电流，输入输出单元采用串口接收外部指令并将指令返回至处理器单元，处理器单元响应外部指令，设定系统的火焰探测灵敏度，向输入输出单元串口上报火警事件信息,输入输出单元采用一个磁感应开关感应系统外部磁场，并将感应信号发送至处理器单元，处理器单元接收到感应信号后，使系统进入自检状态，电源单元为测量单元、处理器单元、输入输出单元供电。
[0061]
如图3所示，为本发明的三红外波段火焰探测系统控制流程图，系统开机首先进行初始化工作，完成系统硬件配置，后进行系统自检，在此过程中输出自检状态，若系统在自检结束后判定系统故障，则输出故障状态，当10min自检周期到后，系统重复进行自检，若系统在自检结束后判定系统无故障，则查询adc模块是否完成ad转换，若未完成，则等待转换完成，若查询到ad转换完成，则按照三红外波段火焰探测方法进行火焰探测，若判定探测到火焰，则输出火警状态，若判定未探测到火焰，则输出正常工作状态，完成火焰探测后系统查询是否收到外部指令，若收到外部指令，则解析指令，设置火焰探测灵敏度或上报火警记录信息，若系统未收到外部指令，则查询磁感应开关是否感应到外部磁场，若感应到外部磁场，则立即开始系统自检，若未感应到外部磁场，则查询自检周期是否已到，若自检周期已到，则立即开始系统自检，若自检周期未到，则查询adc模块是否完成ad转换，系统按前述流程重复运行。
[0062]
如图5所示，为本发明的三红外波段火焰探测效果图，当y1、y2、y3条件连续两次成立，且间隔时间在tm之内时，判定探测到火焰，此时系统发出火警指示，在图5中，列出了系统运行过程中火焰红外信号采样数据与人工热源红外信号采样数据的平均功率之比、火焰红外信号采样数据与人工光源红外信号采样数据的平均功率之比、火焰红外信号真实数据与人工热源红外信号真实数据的平均功率之比、火焰红外信号真实数据与人工光源红外信号真实数据的平均功率之比、人工热源红外信号真实数据的方差、人工光源红外信号真实数据的方差的波形曲线，波形曲线中标注出了探测到火焰时的连续两次状态值。

技术特征：
1.一种三红外波段火焰探测方法，其特征在于，采用三个热释电管分别测量环境中的人工热源红外信号、火焰红外信号、人工光源红外信号，由处理器采集得到三个波段红外信号原始数据。2.根据权利要求1所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，对所述三个波段红外信号原始数据去均值，得到去均值后数据，计算公式如下：信号原始数据去均值，得到去均值后数据，计算公式如下：信号原始数据去均值，得到去均值后数据，计算公式如下：其中，s
h0
(j)为第j时刻人工热源红外信号原始数据，s
f0
(j)为第j时刻火焰红外信号原始数据，s
l0
(j)为第j时刻人工光源红外信号原始数据，s
h
′
(n)为第n时刻人工热源红外信号去均值后数据，s
f
′
(n)为第n时刻火焰红外信号去均值后数据，s
l
′
(n)为第n时刻人工光源红外信号去均值后数据，n为采样数，n＝1,2,3,
…
,n。3.根据权利要求2所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，将所述去均值后数据通过一个截止频率为40hz的数字低通滤波器，得到三个波段红外信号采样数据，滤波计算公式如下：公式如下：公式如下：其中，a
k
为滤波器系统函数分母多项式的系数，b
k
为滤波器系统函数分子多项式的系数，m为滤波器的阶数，s
hs
(n)为第n时刻人工热源红外信号采样数据，s
fs
(n)为第n时刻火焰红外信号采样数据，s
ls
(n)为第n时刻人工光源红外信号采样数据。4.根据权利要求3所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，利用所述三个波段红外信号采样数据之间的线性叠加关系，计算三个波段红外信号真实数据，计算公式如下：
其中，s
f
(n)为第n时刻火焰红外信号真实数据，s
h
(n)为第n时刻人工热源红外信号真实数据，s
l
(n)为第n时刻人工光源红外信号真实数据，α
fh
为人工热源红外信号真实数据对于火焰红外信号采样数据的叠加系数，α
fl
为人工光源红外信号真实数据对于火焰红外信号采样数据的叠加系数，α
hf
为火焰红外信号真实数据对于人工热源红外信号采样数据的叠加系数，α
hl
为人工光源红外信号真实数据对于人工热源红外信号采样数据的叠加系数，α
lf
为火焰红外信号真实数据对于人工光源红外信号采样数据的叠加系数，α
lh
为人工热源红外信号真实数据对于人工光源红外信号采样数据的叠加系数。5.根据权利要求3、4所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，计算所述三个波段红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：红外信号采样数据和真实数据的平均功率，计算公式如下：其中，λ＝0.99，t为n个所述采样周期，p
hs
为所述人工热源红外信号采样数据的平均功率，p
fs
为所述火焰红外信号采样数据的平均功率，p
ls
为所述人工光源红外信号采样数据的平均功率,p
h
为所述人工热源红外信号真实数据的平均功率，p
f
为所述火焰红外信号真实数据的平均功率，p
l
为所述人工光源红外信号真实数据的平均功率。6.根据权利要求5所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，计算所述人工热源红外信号真实数据和人工光源红外信号真实数据的方差，计算公式如下：
其中，为n个所述人工热源红外信号真实数据的均值,为n个所述人工光源红外信号真实数据的均值,δ
h
为人工热源红外信号真实数据的方差，δ
l
为人工光源红外信号真实数据的方差。7.根据权利要求5所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，火焰探测的条件如下：y1:其中，k1为设定的阈值一，k2为设定的阈值二。y2:其中，k3为设定的阈值三，k4为设定的阈值四。y3:(δ
h
<k5)&&(δ
h
<k6)其中，k5为设定的阈值五，k6为设定的阈值六。8.根据权利要求7所述的三红外波段火焰探测方法，其特征在于，在系统工作过程中，当条件y1、条件y2、条件y3连续两次成立，且间隔时间在设定的时间范围t
m
之内时,判定探测到火焰。9.一种应用于权利要求1-10所述的基于三红外波段火焰探测方法的系统，其特征在于，通过增大阈值一、二、三、四、五、六的值，使火焰探测的灵敏度降低，通过减小阈值一、二、三、四、五、六的值，使火焰探测的灵敏度提高，系统预设高、低两个火焰探测灵敏度。10.一种应用于权利要求1-9所述的基于三红外波段火焰探测方法的系统，其特征在于，系统由测量单元、处理器单元、输入输出单元、电源单元构成，测量单元采用一块滤光片对进入三个热释电管的外部环境中的红外光加以过滤，滤光片允许通过的红外光的波长范围为3.85um～5.3um,三个热释电管感应环境中的红外信号，然后输出微弱的电压测量信号，三个热释电管测量红外信号的中心波长分别为3.85um、4.48um、5.3um，其中，3.85um波段主要测量人工热源红外信号，4.48um波段主要测量火焰红外信号，5.3um波段主要测量人工光源红外信号，三个热释电管输出的电压测量信号经放大、滤波电路后作为adc输入信号送入处理器adc模块，放大电路由串联的两级运放构成，滤波电路为二阶模拟低通滤波器，处理器adc模块将adc输入信号转换为三个波段红外信号原始数据，adc模块采样周期为1毫秒，测量单元采用一个三色指示灯指示系统工作状态，处理器单元采用的处理器为at32f407vgt7，处理器采集所述三个波段红外信号原始数据，按照所述三红外波段火焰探测方法进行火焰探测，火焰探测过程中处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为
绿色，指示系统处于正常工作状态，当探测到火焰时，处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为红色，指示系统处于火警状态，同时向处理器单元上的eeprom中写入火警事件信息，处理器单元以10min为周期进行系统自检，自检过程中处理器发出控制信号使测量单元指示灯红色、黄色、绿色快速闪烁，指示系统处于自检状态，处理器单元发出控制信号使测量单元上的三个红外发射管发出红外信号，此红外信号经过滤光片后进入所述三个热释电管由处理器采集红外信号数据，处理器将此红外信号的所述平均功率与红外发射管标准功率值比较，若低于标准功率值，则处理器单元发出控制信号使测量单元上的指示灯为黄色，指示系统处于故障状态,输入输出单元采用继电器一、继电器二输出表示系统工作状态的电平信号，采用恒流源输出表示系统工作状态的电流信号，当系统处于火警状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一输出高电平信号，使恒流源输出20ma电流，当系统处于故障状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器二输出高电平信号，使恒流源输出3ma电流，当系统处于正常工作状态时，处理器单元向输入输出单元发出控制信号使继电器一、继电器二输出低电平信号，使恒流源输出4ma电流，输入输出单元采用rs485总线接收外部指令并将指令返回至处理器单元，处理器单元响应外部指令，设定系统的火焰探测灵敏度、红外发射管标准功率值，向输入输出单元rs485总线上报火警事件信息,输入输出单元采用一个磁感应开关感应系统外部磁场，并将感应信号发送至处理器单元，处理器单元接收到感应信号后，使系统进入自检状态。

技术总结
一种三红外波段火焰探测方法及系统，属于火焰探测技术领域。其目的在于解决单波段、双波段火焰探测器在受到外界红外辐射源的干扰时，容易误报火警，同时探测距离受到限制的问题。分别用三个红外波段监测人工热源、火焰、人工光源的红外信号，通过分析三红外波段信号之间的数学关系，识别出受到噪声干扰的火焰信息，提高了探测距离和灵敏度，且误报率极低。具有探测器工作状态输出、系统自检、火警事件存储及上报、串口指令控制功能。适用于无烟液体和气体以及易产生明火、爆燃场所的火灾报警，也适用于大空间建筑火灾的探测。也适用于大空间建筑火灾的探测。也适用于大空间建筑火灾的探测。


技术研发人员：崔瑞龙 刘威 曹冬晓
受保护的技术使用者：江西中船航海仪器有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/6/12