早期火災(zāi)的雙波段圖像型探測裝置的研制與應(yīng)用

摘 要：針對大空間環(huán)境下的早期火災(zāi)的探測問題，介紹了一種雙波段圖像型火災(zāi)探測裝置的設(shè)計思路，著重闡述了裝置的探測原理和機械構(gòu)成，并通過案例介紹了裝置在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。文章不僅提供了雙波段圖像型火災(zāi)探測裝置的實現(xiàn)方法，也為設(shè)計多通道火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)探測，紅外圖像，雙波段

1 引言

目前各種大型、地下、高層等大空間建筑不斷出現(xiàn)，這些場所往往人員密集、環(huán)境復(fù)雜，容易存在火災(zāi)隱患。特別在空氣對流暢通的地方，火災(zāi)發(fā)生時火勢蔓延較快，一旦人員疏散不及時，就會造成人身財產(chǎn)損失。因此，對建筑內(nèi)部消防安全的要求日益嚴格。針對火災(zāi)的探測預(yù)警，傳統(tǒng)的設(shè)備有感煙探測器、感溫探測器、噴淋探頭等，由于其探測距離以及保護范圍的限制，這些設(shè)備已經(jīng)不能適應(yīng)大空間場所的消防要求。一些新型的探測方法應(yīng)運而生，如紅外探測器將探測距離延伸至八十米甚至更遠，圖像探測器則大大拓展了保護視野，既能克服傳統(tǒng)探測器在大空間場合靈敏度下降的缺點，又能兼顧監(jiān)控功能。

研究表明，火焰燃燒時會向四周輻射不同頻段的光線，呈現(xiàn)出不同的視覺特征，如顏色、形狀、亮度，紅外輻射強度等，通過分析早期火災(zāi)圖像的特征可以達到火災(zāi)預(yù)警的目的。由于火災(zāi)圖像包含的信息量巨大，如何從紛繁蕪雜的圖像數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)疑似火災(zāi)目標，并最終確認火災(zāi)的存在以及發(fā)展的態(tài)勢是圖像型火災(zāi)探測技術(shù)的關(guān)鍵問題。相關(guān)技術(shù)人員對此展開了深入探索，如[1-2]從顏色的角度出發(fā)，利用火焰的顏色特征進行判別，[3-4]對火災(zāi)發(fā)展過程中火勢增長的特點進行了分析，[5]通過采集紅外圖像，分析火焰在紅外成像上所表現(xiàn)的特點，[6-7]收集監(jiān)控區(qū)域中的煙霧，通過對煙霧的圖象特征進行識別，以確定存在火災(zāi)。

如果只利用可見光或是紅外光中的一種影像信息去分析火災(zāi)的存在性，由于干擾源的存在，探測結(jié)果往往缺乏可靠性，干擾源包括具有火焰相似顏色的物體、輻射紅紫外線的發(fā)光體、移動的明亮物體等，這些干擾都容易造成探測器的誤報警。本文將介紹一種雙波段圖像型火災(zāi)探測裝置，能夠綜合利用彩色信息和紅外信息，極大改善利用影象信息進行火災(zāi)探測的效果。該裝置已申請國家實用新型專利，專利號為CN200720026161.3。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 火焰的紅外成像原理

物理學(xué)上黑體定律認為，在自然界中任何有溫度的物體，只要它的溫度高于-273.15℃，除了可以發(fā)出380～770nm的可見光外，其表面還會不斷地輻射紅外線，這些紅外線波長在770～1350nm之間，通常不為人眼所見。

火焰所產(chǎn)生的紅外輻射主要集中在950～2000nm這一波段，如果能將這一波段的光線成像，則能反映出火焰紅外輻射的圖像特征。對于普通CCD攝像機而言，其成像能力是由CCD的感光能力決定的，通常CCD能感應(yīng)400～1200nm范圍內(nèi)的光線，所成圖像涵蓋了可見光波段和紅外線波段，且可見光的光量遠大于紅外線，因此僅從圖像我們無法察覺到紅外線的存在。為了實現(xiàn)過濾可見光而保留紅外光的效果，本裝置在攝像機CCD前安裝有紅外濾光片，濾光片的截至波長為850nm，透光性如圖1所示，波長大于850nm的光線可以穿過濾光片，而小于850nm的可見光波段被有效地濾除掉。這樣在采集火焰圖像時，明顯減少了可見光波段帶來的干擾，在CCD上只留下波長在850nm以上的紅外線所形成的影像，如圖2顯示的是一只蠟燭的火焰。

2.2 雙波段圖像型探測器的設(shè)計

雙波段圖像型探測器的正面圖和側(cè)面圖如圖3、圖4所示，探測器主要由兩臺CCD單板攝像機組成，兩臺攝像機并列安裝在防護罩底板上，由外部統(tǒng)一供電，視頻線和電源線經(jīng)出線端接至系統(tǒng)其它設(shè)備。兩臺攝像機屬于同一型號的彩色CCD單板攝像機，從圖2可以看到紅外攝像機的構(gòu)成，與彩色攝像機的不同之處在于CCD前加裝了一塊紅外濾光片。攝像機均采用固定焦距鏡頭，鏡頭焦距根據(jù)保護范圍和監(jiān)控距離確定。

3 具體實施與應(yīng)用

下面介紹一種利用雙波段圖像型探測器的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由雙波段圖像探測器、控制電路、視頻切換設(shè)備、圖象采集卡以及工控機構(gòu)成。

其中，雙波段圖像探測器的特征如前文所述，它在系統(tǒng)中作為前端探測設(shè)備，采集現(xiàn)場的彩色和紅外圖像，并與視頻切換器相連。視頻切換器的作用在于控制多路視頻信號中的一路或者幾路為輸出信號，可實現(xiàn)輸入視頻的任意切換。圖像采集卡用于將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入工控主機。工控機上運行有火災(zāi)監(jiān)控軟件，可自動對輸入視頻信號進行識別處理，通過工作界面可以查看系統(tǒng)全局的工作狀態(tài)和運行信息，通過控制聯(lián)動設(shè)備可實現(xiàn)自動或者人工報警、滅火等動作。

系統(tǒng)工作時，將所有視頻信號接入視頻切換器，視頻切換器的輸出通過圖像采集卡接入工控機，輸出分兩路，分別為彩色視頻通道和紅外視頻通道，對應(yīng)某臺探測器的兩路視頻信號。通過控制視頻切換器可以使指定探測器的兩路視頻信號同時出現(xiàn)在輸出端，計算機讀取兩路視頻信號后，彩色圖像一方面被送入電視墻顯示，另一方面計算機對其包含的區(qū)域顏色、運動物體閃爍特征、區(qū)域尺寸特征等內(nèi)容進行分析，對于是否存在疑似火災(zāi)進行預(yù)判，如果發(fā)現(xiàn)存在可疑區(qū)域，則記錄目標的位置。然后在相同位置對紅外視頻進行分析，分析內(nèi)容包括光線輻射強度、閃爍速度、區(qū)域擴展速度等，一旦對紅外視頻的分析結(jié)果也達到預(yù)警的條件，則立刻發(fā)出報警指令，并自動控制聯(lián)動設(shè)備進行聲光報警、火災(zāi)隔離、撲救、現(xiàn)場記錄等，形成一個完整的自動探測、報警、撲救、記錄過程。

4 結(jié)語

本文介紹了一種雙波段圖像型火災(zāi)探測器的構(gòu)成和使用方法，為早期火災(zāi)的探測問題提供了新的思路，通過工程應(yīng)用反饋，圖像型探測器具有較好的使用效果，并且具備以下技術(shù)優(yōu)點：

（1） 具有可視化特征，方便監(jiān)控，提高了工作人員的人身安全和工作效率。

（2） 結(jié)合可見光和紅外光譜進行火災(zāi)分析，增加了可靠性，降低了由于環(huán)境中不明物體對系統(tǒng)的干擾所造成的誤判。

（3） 可以提供火源的位置信息，能夠引導(dǎo)滅火裝置進行自動定位、撲救；能夠引導(dǎo)監(jiān)控設(shè)備自動切換場景，使工作人員及時了解現(xiàn)場情況。

（4） 探測距離遠、保護范圍大，適合于室內(nèi)高大空間或者室外使用。

雖然圖像型火災(zāi)探測器有諸多優(yōu)點，但是由于火焰在圖像中呈現(xiàn)的多樣性，基于圖像識別的火災(zāi)探測系統(tǒng)在火焰特征分析、識別算法研究、提高可靠性、降低誤判方面仍然有很大的提升空間，系統(tǒng)的完善將是一個長期的過程，也將是今后工作的重點。

參考文獻

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第一作者簡介：車曉波（1980-），男，漢族，山東煙臺人，山東省科學(xué)院自動化研究所山東省汽車電子技術(shù)重點實驗室，碩士，助理研究員，主要從事圖像處理、模式識別、火災(zāi)探測方面的研究工作。