基于LASSO回归的红外火焰探测器的设计与实现
基于紫外红外原理的火焰探测器的设计实现及FD10系列火焰探测器产品
130 引言火灾的燃烧过程从刚开始的热量聚集，烟雾产生，到后期的火焰，是一个复杂的过程，在这个过程当中可以使用多种手段去监测，对应产品有温感、烟感、火焰探测器。
火灾探测就是将火灾中出现的不同阶段的不同现象，如图1所示，利用传感器元器件进行感受，转化成可以处理的数据，从而告知人类危险即将发生。
应用场景主要有航天工业、化学工业、公路隧道、弹药仓库、油漆工厂、石油石化、制药厂、发电厂、仓库等易燃易爆场所。
1 火焰探测器原理及分类1.1 火焰探测器的分类根据现在国家的消防规定和探测器的原理，火焰探测器分为紫外型火焰探测器、红外型火焰探测器、感烟型火焰探测器、图像型火焰探测器。
本章主要阐述前两种的原理设计及实现方案。
1.2 紫外原理当燃烧物质燃烧时，会发出紫外光及红外[收稿日期] 2020-07-28[作者简介]张绪文（1983— ），男，毕业于河南科技大学，工程师，主要负责项目研发及市场渠道销售工作。
基于紫外红外原理的火焰探测器的设计实现及FD10系列火焰探测器产品张绪文，王海东，李 宏(汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001)[关键词]红外传感器；热释电；火焰探测器；FD10系列火焰探测器[摘 要]提出了基于红外原理的火焰探测器的设计方案，并落地实施，采用高性能32位单片机作为主控芯片和热释电传感器，作为采集火焰信号的核心元器件，利用放大电路，构成数据采集，数据处理的系统。
与气体探测器产品搭配使用，组成气体、火灾应急管理监控系统，为企业和员工的生命和财产安全保驾护航。
[中图分类号] TP273 [文献标识码] A [文章编号]1004-9118(2021)01-0013-04DOI ：10.14023/ki.dqfb.2021.01.003Design and Implementation of Flame Detector Based on UV-IR Principle and FD10 SeriesFlame Detector ProductsZhang Xuwen, Wang Haidong, Li Hong(Hanwei Electronics Group Corporation, Zhengzhou 450001, Henan)Key words: infrared sensor; pyroelectric; flame detector; FD10 series flame detectorAbstract: The design scheme of flame detector based on infrared principle is put forward and implemented on the ground. High performance 32-bit single chip microcomputer is used as the main control chip and pyroelectric sensor, as the core component of flame signal acquisition, and the amplification circuit is used to form a data acquisition and data processing system. It is used together with gas detector products to form gas and fire emergency management and monitoring system to protect the life and property of employees and enterprises.光，采用高性能紫外传感器，探测波长在185-260 nm之间。
火焰探测器设计手册.doc
火焰探测器设计手册（设计院）一、产品概述防爆红外、红紫外复合火焰探测器（以下简称探测器）属于智能型火灾探测设备，它运用了先进的多红外传感技术（MIR）和复合探测技术，采用多通道火焰传感器设计。
本探测器能够对日光、闪电、电焊、人工光源、环境（人等）、热辐射、电磁干扰、机械振动等干扰有很好的抑制，从而实现了对火焰信号的快速响应和准确识别。
本探测器采用非接触式探测，灵敏度现场可调，提供无源接点、标准电流输出和总线接口与火灾报警系统相连接。
本探测器适用于无烟液体和气体火灾、产生烟的明火以及产生爆燃的场所。
例如：航天工业、飞机库、飞机修理场、化学工业、公路隧道、弹药和爆炸品仓库、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其他场合。
本探测器根据GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》、GB3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”》的规定，制成隔爆型结构，其防爆标志：ExdⅡCT6。
适用于工厂具有ⅡA、ⅡB、ⅡC级，引燃温度组别为T1～T6组的1区、2区可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所。
二、产品系列介绍三、火焰探测器型号注释JTGB ―□□―□□ □□□（□□）―□□/□□□产品类别组特征代号传感器特征及传输方式代号厂家代号产品代号Ex 防爆标志IR 红外火焰探测器UV 紫外火焰探测器UV/IR 红紫外复合火焰探测器IR2双波段红外火焰探测器IR3三波段红外火焰探测器四、产品资料※JTGB-UH-YC103-IR2 隔爆双波段红外火焰探测器 ●产品简介防爆多波段红外火焰探测器（以下简称探测器）属于智能型火灾探测设备，它运用了先进的多红外传感技术（MIR ），使用两只具有窄带滤波的不同波长的红外传感器，其中一只传感器工作在反映火焰信息的中心波长，另外一只传感器监视环境中的其他红外辐射，结合火焰的闪烁特征，通过高性能的微处理器和先进的数学算法模型进行运算分析，使得只有符合火焰特征的辐射频谱才会被确认为火警，而其他的干扰因素形成的假火警信号则会被排除。
基于LASSO回归的红外火焰探测器的设计与实现
基于LASSO回归的红外火焰探测器的设计与实现TAN Yong;XIE Lin-bo;FENG Hong-wei;WEN Zi-teng【摘要】基于LASSO回归,提出一种应用于三波段红外火焰探测器的具体识别算法,同时进行了硬件电路以及软件程序的设计.在火焰探测器在检测过程中可能出现数据不稳定、环境多样化的复杂情况,从而提取到的特征存在多样性和复杂性.本文利用LASSO回归良好的预测能力、系数压缩能力和特征选择能力,有效提升了对三波段红外火焰的精确度和灵敏度,同时LASSO回归还具有效率高、预测精度高、解释性强等特性.实验证明LASSO相比于传统火焰识别算法在逼近精度、收敛速度和鲁棒性等多个方面都有所提升.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)006【总页数】5页(P720-724)【关键词】LASSO回归;三波段红外;火焰探测器【作者】TAN Yong;XIE Lin-bo;FENG Hong-wei;WEN Zi-teng【作者单位】;;;【正文语种】中文【中图分类】TM2151 引言火灾一直都是危害生命和财产安全的重要隐患,在各种化工场所例如易燃易爆气体的仓储和运输、石油的采取与提炼,这类场所一旦发生火灾几乎是毁灭性的破坏。
所以需要反应时间短、探测范围广、误报率低等特点的火焰探测器,而传统的感烟火灾探测器、感温火灾探测器探测范围太无法满足要求,紫外火焰探测器的灵敏度差并且探测范围也小[1-2]。
传统的单波段火焰探测器无法区分干扰和火焰信号,抗干扰能力很差。
双波段火焰探测器大都采用(3.8±0.2)μm波段来排除人工热源等干扰信号,但是忽视了背景辐射带来的干扰,背景辐射所带来的干扰信号使得双波段火焰探测器依旧存在较高的误报率。
而三波段火焰探测器能够探测并排除90%的干扰信号,提高了火灾报警的准确性,相比于四波段火焰探测器成本低、功耗低、性价比高。
本文针对三波段火焰检测,设计硬件电路及软件程序,同时用基于LASSO回归替代传统的火焰检测算法,所设计的三波段红外火焰探测器探测距离远高于感烟火灾探测器、感温火灾探测器、紫外火焰探测器等传统探测器[2],并且使用三个通道对辐射的红外线进行检测,可以根据干扰与火焰的分别在三个波段的特征来判断是否发生火灾,能有效抑制对卤素灯、太阳光的误报率。
三波段红外火焰探测系统的设计与实现的开题报告
三波段红外火焰探测系统的设计与实现的开题报告一、选题背景及意义火灾是一种普遍存在的自然灾害，发生的危害巨大。
为了避免火灾的发生，我们需要对火灾进行预防和及时发现。
当前，火灾预防和发现的主要手段之一是利用红外技术。
红外火焰探测技术是指通过检测火源散发的热辐射和烟雾等，运用红外成像技术实现对火源的探测、定位和报警的技术。
红外火焰探测技术具有响应速度快、探测精度高、反应时间短等优点，且不会受到光线、雾霾等自然因素的影响。
随着科技的不断发展，红外火焰探测技术也在不断升级，目前已经出现了三波段红外火焰探测系统。
与传统的单波段红外探测技术相比，三波段红外火焰探测系统在探测效果、抗干扰能力等方面有较大的提升，因此具有更广泛的应用前景。
本项目旨在设计和实现一种基于三波段红外火焰探测技术的火焰探测系统，以满足大型建筑物、石油化工、电力等行业对火灾预警和防护的需求。
二、研究内容及目标1. 研究三波段红外火焰探测技术的原理和特点；2. 设计并实现三波段红外火焰探测系统的硬件和软件平台，包括采集传感器数据、处理数据、报警和控制电路等；3. 在不同场景下进行测试和实验，评估系统的探测精度、响应速度、抗干扰能力等指标；4. 对系统进行优化和改进，提高系统的性能和可靠性。
三、研究方法和步骤1. 系统需求分析：确定系统功能、性能需求以及使用场景等;2. 技术调研：对三波段红外火焰探测技术进行深入了解，查阅资料和文献，掌握相关技术和设备的发展现状及趋势；3. 系统设计：设计系统的硬件框架，包括选型、采购传感器、资料接口设计、硬件设计等；同时，设计系统的软件框架，编写程序对系统进行控制和监测，实现数据处理和报警功能;4. 系统实现：基于设计的方案进行组装、焊接及编程等操作，测试并调试系统，达到可稳定使用的效果；5. 系统评估：对系统进行场景测试和实验，并评估其探测精度、响应速度、抗干扰能力等指标；6. 改进优化：根据测试结果，对系统进行优化和改进，提高其性能和可靠性。
火焰探测器设计
火焰探测器设计
火焰探测器设计
火焰器的背景:
多频红外火焰探测器利使用两只传感器探测火焰的辐射，两只传感器探测背景的辐射，采用微弱信号检测与多通道信号采集技术，根据各个传感器信号的特征与相互关系建立火焰特征库，只有当采集的数据符合火焰发生的特征时，探测器才发出火警信号，对日光、灯光、热源与电焊等干扰抑制性强，具有响应时间快，探测器距离远，环境适应性好的特点。
下面介绍其检测原理与软硬件设计方案。
红外火焰探测器工作原理：
红外辐射的物理本质是热辐射，物体温度越高，辐射的红外线就越多，辐射能量也就越强。
火焰光谱从紫外光、可见光到红外光都有能量辐射。
碳氢化合物燃烧时在红外波段内的2.7μm与4.35μm附近有一个峰值[1]，而太阳在这两个波段附近的辐射被空气中的CO2所吸收，因此使用安装窄带滤光片的中心波段在2.7μm附近的硫化铅传感器与中心波段在4. 35μm附近的热释电传感器作为火焰探测的传感器。
2.7μm的硫化铅探测器对火焰信号灵敏度高，作为监测火焰强度趋势使用。
在CO2峰值辐射波段4.35μm两侧各选择了一个参比波段，
3.8μm与
4.8μm。
由于任意一个红外辐射源在这三个波段都有独自的光谱特征，因此比较这三个波段辐射强度之间的数学关系，就可将火焰和其他红外辐射源区别开来。
由于红外多频火焰探测器很好地解决了传感器信号距火源距离的增加而衰减的矛盾，即各个传感器接受火焰信号辐射强度之间的数学关系不随信号的衰减而
发生变化，因此结合相关检测技术对接收到的信号进行处理与分析，可以极大地提高了探测器的探测距离和灵敏度，其探测原理的先进性，保证红外多频火焰探测器抗干扰能力强，适用于室内和户外火灾探测。
红外火焰探测器测试方法
红外火焰探测器测试方法红外火焰探测器是一种用于检测火焰的安全设备，它可以在火灾发生时及早发出警报，帮助人们及时逃生和灭火。
为了确保红外火焰探测器的有效性，需要进行一些测试方法来验证其性能。
下面我将从几个方面介绍红外火焰探测器的测试方法。
首先，我们需要测试红外火焰探测器的响应时间。
这可以通过模拟火焰并观察探测器的反应时间来进行。
在安全的环境下，可以使用火焰模拟器或者其他可控制的火焰源，在不同距离和角度下测试探测器的响应时间，以确保其在火灾发生时能够快速准确地检测到火焰。
其次，还需要测试红外火焰探测器的误报率。
这可以通过引入各种可能导致误报的因素，如灯光、太阳光、烟雾等，来验证探测器的抗干扰能力。
通过在不同环境条件下进行测试，可以评估探测器的误报率，并针对性地调整其灵敏度和过滤算法，以确保其在实际使用中不会频繁误报。
此外，还需要测试红外火焰探测器的灵敏度和检测范围。
可以使用标准火焰源在不同距离和角度下进行测试，以确定探测器的最大有效检测范围，并验证其对不同大小和类型的火焰的灵敏度。
这有助于确保探测器在不同情况下都能够可靠地检测到火焰，及早发出警报。
最后，还需要定期进行红外火焰探测器的维护和校准。
这包括定期清洁探测器的光学部件、检查电源和信号线路的连接是否良好，以及校准探测器的灵敏度和响应时间。
只有经过定期维护和校准的探测器才能够保持良好的性能，确保在火灾发生时能够可靠地发出警报。
综上所述，红外火焰探测器的测试方法涉及到响应时间、误报率、灵敏度和检测范围等多个方面，通过综合考虑这些因素并定期进行维护和校准，可以确保红外火焰探测器在实际使用中能够可靠地发挥作用，保障人们的生命财产安全。
红外火焰探测器
红外火焰探测器一、引言红外火焰探测器是一种常见的火灾预警设备，它通过检测环境中的红外辐射，以提前发现火灾的迹象并触发相关警报系统。
红外火焰探测器的应用范围广泛，包括住宅、商业建筑、工业场所等，对火灾的预警起到了至关重要的作用。
本文将介绍红外火焰探测器的工作原理、分类、安装和常见问题解决方法。
二、工作原理红外火焰探测器的工作原理基于红外光的辐射特性。
当火焰燃烧时，会产生大量的热辐射和红外辐射。
红外火焰探测器通过红外传感器感知环境中的红外辐射，并将其转化为电信号。
当探测器检测到环境中的红外辐射超过一定的阈值时，会判断为火焰存在并触发警报。
红外火焰探测器通常能够检测到数十米范围内的火焰，并能够快速响应，提高火灾预警的准确性和及时性。
三、分类根据探测原理和工作方式的不同，红外火焰探测器可以分为两种主要类型：点型和线型。
点型红外火焰探测器是最常见的一种，其外形类似于一个小型的圆柱体，可以通过固定在天花板或墙壁上进行安装。
线型红外火焰探测器则是将多个点型探测器串联在一起，通过覆盖较大面积进行火焰检测。
根据探测器的特性和应用环境的需求，选择适合的红外火焰探测器类型非常重要。
四、安装1. 安装位置选择在安装红外火焰探测器时，需要选择一个适合的位置，以最大程度地提高其探测效果。
首先，需要确保探测器可以覆盖到需要检测的区域，例如房间的中心位置或潜在火源附近。
其次，避免将红外火焰探测器安装在有强烈光线干扰的地方，如阳光直射处或强烈照明灯下。
最后，避免将探测器安装在有风口或通风设备的地方，以免干扰其正常工作。
2. 安装步骤- 准备安装工具和所需材料，例如螺丝刀、螺丝、扳手等。
- 根据探测器的安装方式，选择合适的安装位置，并使用螺丝和扳手固定探测器。
- 将探测器的电源线与警报系统连接，确保接触良好。
- 进行安装检查，确保红外火焰探测器处于正常工作状态。
五、常见问题解决方法1. 警报系统没有响应可能是由于红外火焰探测器未连接到警报系统或连接不良导致的。
基于逻辑回归模型的火焰检测
别过程中引入两层支持向量机! L^2# 进行火焰识别* /YZ5XO/_等&%' 通过高斯混合模型! O22# 提取运动
识别"获得了较好的实验效果* 然而人工神经网络通过调整内部大量节点之间的
关系完成分类过程"L^2 需要将样本数据通过核函数
!基金项目%国 家 自 然 科 学 基 金 ! &##&#".' #$ 上 海 市 教 科 委 创 新 项 目 映射到高维空间完成分后根据火焰颜色模型利用模糊 +均值! V+2#
火灾给人们的生产生活带来了巨大的损失"目前 聚类算法分割出火焰疑似区域"最后提取面积变化率+
比较成熟的火灾探测方法主要运用感温式+感烟式+感 表面粗糙度等特征通过支持向量机分类进行火焰识
光式传感器"但其在大空间场所的探测效果欠佳* 随 别* T9/DK等&.' 利用颜色特征分割火焰疑似区域"再通
在 [L^颜色空间分割出火焰区域"分析火焰区域的边 疑似区域"利用灰度共生矩阵提取纹理特征"训练 R0
缘抖 动 信 息" 运 用 神 经 网 络 进 行 火 焰 探 测* d5 R + 神经网络用于火焰识别* 以上算法都主要提取火焰的 等&!' 利用图像的亮度信息移除非火焰素"在最终的识 动+静态特征"再利用人工神经网络和 L^2 完成火焰
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以红外技术为基础的火灾检测系统设计
以红外技术为基础的火灾检测系统设计一、绪论火灾是一种严重的自然灾害，不仅危害人类的生命财产，而且在很多情况下会造成难以逆转的损失。
因此，对火灾进行预防和控制是极为必要的。
作为防火控制的关键环节，火灾检测系统在现代市场中占据着越来越重要的地位。
红外技术在火灾检测系统中被广泛采用，其原理是通过红外探测器捕捉被检测物体发出的红外辐射，传递到控制中心并自动启动的火灾报警警报。
因此，本文主要探讨基于红外技术的火灾检测系统的设计问题。
二、红外技术基础红外辐射是介于可见光和微波辐射的电磁波，其波长范围为0.8μm到1000μm。
以温度为参考点，将红外辐射分为以下三个区域：1. 远红外区（波长：8-15μm），涵盖了人与物体之间的热辐射；2. 中红外区（波长：3-5μm），可检测物体的呼吸和表面温度；3. 近红外区（波长：0.8-1.5μm），检测物体表面反射的红外辐射。
三、红外火灾探测器设计原理基于红外辐射原理，火灾探测器可分为光电型和热敏型两种类型。
1. 光电型探测器该型探测器利用感光材料和红外反射材料配合产生探测效应。
当感光材料受到火焰或烟雾的刺激时，产生微弱的电流，以此来判断是否出现火灾。
典型的光电型火灾探测器有烟感探测器、点型探测器等。
2. 热敏型探测器热敏型火灾探测器根据被探测物体温度的变化来判断是否出现火灾。
常见的热敏型火灾探测器有铂电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器。
四、红外火灾检测系统设计红外火灾检测系统主要由控制中心、探测器和信号处理器组成。
控制中心负责接收、分析、处理探测器传输过来的数据，并根据结果启动相应的火警报警和灭火装置。
1. 系统结构设计基于系统的实际需求，设计师需要对系统造型、布局、材质和位置等方面的问题进行仔细考虑以设计出最优方案。
此外，必须注意探测器与其他区域的联通性。
2. 报警方式设计火灾检测系统的报警方式通常有声警报、视觉提示和电气控制等几种。
设计师需要根据实际需求来确定最合适的报警方式，最大限度地减少火灾造成的损失。
基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计
摘要基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计摘要随着国民经济的高速发展，我国工矿企业等国民经济生产单位对电能和热能的需求量正在迅猛地增长。
这促使大型火力发电站、石油化工型动力站、城市集中式供热站和厂矿废料燃烧站等重要国民经济生产单位使用的大型锅炉日益增多。
大型锅炉炉膛内燃烧情况复杂且燃料供给量大，监控锅炉的整体燃烧情况显得尤为重要，检测装置的性能直接影响到在役电站锅炉的安全性和经济性。
研发出高性能的火焰检测装置将具有良好的社会效益和经济效益。
大型锅炉运行情况复杂，运行人员在做控制决策时往往希望能够掌握尽可能多的工况参数。
同时大型锅炉用户更希望关键性设备能在故障发生之前的合理时间范围内给出告警信息以便有针对性地安排设备检修，避免非计划性停产造成经济损失。
客户已迫切要求火焰检测装置不仅能可靠地判定出火焰是否存在，而且能提供火焰燃烧稳定度的定量分析结果。
本文首先对火焰的物理特性进行了进一步的分析，并使用傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换等多种分析方法对采样的火焰数据进行分析和对比，并结合具体硬件处理平台分析这几种分析方法在判定火焰存在及火焰燃烧质量方面的优缺点，以确定最优效能的信息提取方法。
只有对被检测对象的特性进行深入了解之后才能有针对性地开展工作。
因此首先对炉膛煤粉火焰的物理特性进行详细的分析，特别涉及到对煤粉火焰的红外辐射特性的分析，通过分析后认为煤粉火焰信号是一类“准平稳”信号。
确定红外型火焰检测装置的检测视场的选取原则。
根据煤粉火焰的特性确定了火焰检测装置所应采用的系统采样频率，并确定了抗混叠滤波器的相关参数的取值范围。
傅里叶变换是信号处理中最常用的处理方法之一，文中对傅里叶变换理论基础进行了简单介绍，详细地描述了快速傅里叶变换算法的具体数学实现。
对煤粉火焰数据使用快速傅里叶变换方法进行信息提取，对提取到的信息进行了分析。
由于标准傅里叶变换只在频域中具有局部分析能力，而在时域内不具备局部分析能力，文中介绍了短时傅里叶变换的理论基础，较为详细地描述了短时傅里叶变换算法的具体数学实现过程，并对煤粉火焰数据使用短时傅里叶变换方法进行信息提取。
基于热释电传感器的红外火焰探测系统的研究
基于热释电传感器的红外火焰探测系统的研究刘丽媗;庄坤森【摘要】针对感烟、感温等火灾探测器探测距离短,响应速度慢,易受到外界信号干扰导致误判和漏判等问题,提出了一种基于热释电火焰传感器和数字信号处理实现方案.系统以dsPIC33FJ64GP802处理器作为核心构建信号处理平台,信号先通过预处理电路隔直,滤波,放大处理之后通过数字信号处理系统,采用IIR数字滤波器滤除干扰信号,再进行FFT运算,将信号由时域转换到频域,计算出信号在各个频段的能量值,通过分析火焰信号的时域与频域,实现对火焰信号的准确判断.基于本设计方案的火焰探测器,可以通过适当增加光学组件改变探测距离,并能实现远距离火焰探测.这在大空间自动消防水炮设计、森林防火等领域具有广阔的应用前景.试验证明,本系统达到了预期的效果.【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(025)003【总页数】6页(P287-292)【关键词】火焰检测;数字信号处理;ⅡR;FFT【作者】刘丽媗;庄坤森【作者单位】闽南师范大学物理与电子信息工程学院,福建漳州363000;福建师范大学闽南科技学院,福建泉州362332【正文语种】中文【中图分类】TN215随着技术的进步以及各种不同建筑对火灾预防和检测需求的多样化，火焰检测技术近年来取得了较快的发展[1].常用的感烟、感温式火焰探测器，以及红外、紫外火焰探测技术和产品等都已被广泛使用[2].现有的技术和方法，火焰探测范围相对较小，通常检测半径在几十米之内，往往只能用在小空间场合，而且常有误报和漏报的现象发生.因此，不能利用现有火焰检测设备实现火焰定位和进一步的灭火行动，不能为实施自动灭火或人工救火提供准确的信息.随着大空间建筑的大量出现以及森林防火等室外火灾探测需求的不断增加，及时准确地检测火灾的方向和位置信息变得越来越重要[4].本文采用基于热释电传感器的火焰检测方法，该方法简单、可靠，成本较低，开发周期短，探测范围可以依据设计要求进行调整，灵活性较大.本文给出了该方案的详细设计方法.本设计拟采用热释电红外传感器实现火焰的检测，热释电传感器专门感受碳氢类化合物等燃烧产生的CO2的辐射光谱.这类火焰的光谱图如图1所示，其中区域I为可见光，区域II为红外辐射，11段为紫外探测波段，12段为红外探测波段，13段为CO2峰值波段.其中区域III部分也是太阳光辐射的主要区域.因此，太阳光是热释电传感器的一个主要干扰源.为了降低太阳辐射及其它类似干扰的影响，本设计采用热释电检测方法，即通过检测4.3μm的CO2峰值波长，检测传感器对不同的辐射源具有不同的反应，通过逻辑判断就可以得出火焰的存在性，可以大幅提高系统的抗干扰能力.由于红外传感器接收到的火焰闪烁信号，其信号幅度十分微弱，比较容易受到环境干扰的影响.因此信号预处理模块重点要解决传感器的静态工作点设计、阻抗匹配、信号放大、滤波，最终得到适合进行数字处理的模拟信号.主要设计内容包括：电源电路、阻抗匹配与信号预处理电路、运放偏置电路、信号放大与模拟滤波电路、数字信号处理电路等.数字信号处理模块主要实现对火焰模拟信号进行采样、滤波、FFT变换，最后给出火焰有无的控制信号，火焰探测装置方框图如图2所示.设计思想是在信号预处理模块中采用模拟电路带通滤波器滤除电路中高于200Hz 左右和低于1Hz的信号，然后通过数字信号处理模块采样后进行数字滤波，由于模拟滤波滤除了信号中的高频分量，因此可以降低数字滤波器的采样频率，从而减少系统的运算量.同时，模拟滤波由于阶次比较低，通带到阻带的过渡段比较宽，且由于火焰信号的频率比较低，因此有用信号可以尽可能无衰减的通过.由于硬件电路设计相对简单，限于篇幅，本文的重点介绍火焰探测系统的数字信号处理方法. 探测装置的信号处理重点在两个方面：IIR数字滤波和FFT运算，通过FFT将信号由时域转换到频域，计算出信号在各个频段的能量值，通过分析火焰信号的时域与频域，实现对火焰信号的准确判断.以下针对这两个方面分别进行讨论.2.1 IIR数字滤波对于相位要求不是很严格的场合，采用IIR滤波器可以减小滤波器的复杂性，对于相位要求很严格的滤波，使用FIR滤波器比较合适.在本文设计中，对于相位的线性要求不是很严格，但是对信号处理的实时性有比较高的要求，因此选择IIR低通滤波器进行数字滤波比较合适.由于火焰信号频率较低，确定低通滤波器的通频带为0～50Hz即可满足要求.IIR数字滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应,需要用递归模型来实现，其差分方程和系统函数可以分别用式（1）和式（2）来表示.IIR滤波器的设计通常是根据给定的通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减来求解系统函数H（z），使其频率响应H（ejw）满足所希望得到的频域指标.采用数字信号处理设备对火焰信号进行处理，要求输入的信号在时域和频域都是离散的，且都应该是有限长的序列.为了对火焰信号进行数字滤波和研究火焰信号的频谱分布特性，首先是对火焰的模拟信号进行等间隔抽样，得到数字信号.在对火焰的辐射光强信号进行采样时，有两个重要的参数需要考虑：首先为了保证抽样后能够不失真的还原出信号，则抽样频率必须大于两倍信号的最高频率ft，即选择的抽样频率fs＞2ft，考虑到模拟电路已经滤除频率高于200Hz的高频信号，选择的采样频率为768Hz，确定了采样频率大小之后，只要知道数据截取窗口的大小就可以求得频率的分辨率△f，即△f=fs/N.一般来说，N越大，△f越小，频率分辨率越好，但计算量和存储量也随之增大.在实验中，在同一采样频率下用不同长度的数据截取窗口发现：采样点数N的改变并不会使火焰稳定识别标准发生改变，即频率的分辨率对火焰的模式识别没有太大的影响.如图3所示功率谱图，输入信号由15Hz幅值为1的正弦信号和40Hz幅值为2的正弦信号组成，数据采样频率为100Hz，绘制N=128DFT的幅频图和N=1024DFT的幅频图，通过比较，可以看出，N=128DFT的功率谱图在15Hz 和40Hz左右的位置上比N=1024DFT的功率谱图对应的位置宽度宽一些，不过能量值最大位置并没有改变，可以说明N的改变对火焰的模式识别没有太大的影响.因此，在本文火焰信号处理中，N取2的整次幂，即N取256.设计的火焰探测装置进行了两个阶段的滤波，首先是采用模拟电路带通滤波器滤除电路中高于200Hz左右的高频信号以及低于1Hz的低频信号，然后通过DSP采样后进行数字滤波.由于模拟滤波滤除了信号中的高频分量，这样可以降低数字滤波器的采样频率，从而减少系统的运算量.火焰闪烁频率在1～25Hz左右，为了便于进行频谱分析，确定通带截止频率为50Hz，阻带截止频率为150Hz，阻带最小衰减as为40dB和通带最大衰减ap为5dB；根据以上提供的参数，结合IIR滤波器的求解步骤，可以得到IIR滤波器的系统函数.IIR数字滤波器作为探测装置的二次滤波，其主要作用在于实现小范围、精密的滤波，因此，对其的滤波性能有着更高的要求，它不仅要求能够滤除高频信号，而且要能滤除引起信号小突变的干扰源.为了检验所设计的低通滤波器在火焰检测装置中的滤波性能，现把实际的火焰信号作为具体的检测对象，如图4所示，图4（a）上显示为经DSP采样后拟合的火焰信号波形，波形中带有一些小的阶跃，图4（b）为经过数字滤波器滤波的火焰信号.从图4（a）、（b）图对比可以看出，图4（b）上一些小尖峰消失了，火焰信号的波形变得平滑了，因此，滤波器达到了小范围精密滤波的效果.采样的信号经过模拟滤波、数字滤波以后，大大减少了高频信号干扰的影响，可对其进行离散傅里叶变换，获得频域上的信号.2.2 快速傅里叶变换（FFT）采样数据经过数字滤波之后，为了分析火焰光强在各个频段的能量值，可以使用快速傅里叶变换算法来实现，傅里叶算法主要分为按时间抽选和按频率抽选两大类，本次设计中采用基2的按时间抽选算法进行频谱分析.根据数字信号处理相关知识可知，对该组信号作DFT运算就可获得该时域信号在频域上的对应表示，转换公式如下：反之，时域上的火焰强度信号也可以通过DFT反变换得到，即：为了验证方法的可行性，用下面两组数据说明，图5是未滤波的火焰信号功率谱，输入信号由采样的火焰信号与200Hz幅值为0.3的正弦信号叠加而成，在谱图上可以看出，在1～25Hz和200Hz左右的位置上有比较大的能量值，分别对应火焰信号和200Hz干扰信号的能量值.图6为滤波后的火焰信号功率谱，由于火焰信号的闪烁频率在1～25Hz左右，谱图上也只有在1～25Hz位置上有大数值，对应的是火焰信号的能量值，试验结果表明所进行的频谱分析算法能够实现火焰鉴别. 因为X（k）是复数，可将其转换成功率谱：本文针对大空间建筑对探测装置的技术要求，以及根据微弱信号的处理方法对硬件电路进行设计，主要设计内容包括：电源电路、阻抗匹配与信号预处理电路、运放偏置电路、信号放大与模拟滤波电路、数字信号处理电路等.并对所设计的电路进行了仿真，结果表明所设计的硬件电路满足探测装置的功能要求.放大处理之后通过数字信号处理系统，采用IIR数字滤波器滤除干扰信号，再进行FFT运算，将信号由时域转换到频域，计算出信号在各个频段的能量值，通过对火焰信号的时域与频域进行分析，实现对火焰信号的准确判断.探测装置的实物图如图7所示.通过试验，探测装置在太阳光、对讲机、电焊等干扰下没有误报的现象发生，在探测装置前端增加光学组件探测距离可达200m.因此，试验结果表明，所设计的基于火焰红外的探测装置满足大空间建筑对其的技术要求.该设计方法已经成功应用于大空间自动消防水炮灭火系统中，并在工程中得到推广应用.【相关文献】[1]安志伟，袁宏永，屈玉贵．火焰闪烁频率的测量研究 [J]．计算机应用，2000，20（5）：66-67．[2]Ruser，H.，Magori，V..Fire detection with a combined ultrasonic-microwaveDoppler[J].sensor-Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium，1998：1489-492. [3]Daniel T.Gottuk，Michelle J.Peatross，Richard J.Roby，et al.Advanced fire detection using multi-signature alarm algorithms[J].Fire Safety Journal，2002，37（4）：381-394. [4]Susan L.Rose-Pehrsson，Sean J.Hart，Thomas T.Street.Early Warning Fire Detection System Using a Probabilistic Neural Network[J].Fire Technology，2003，39（2）：147-171.[5]K.Briess，H.Jahn，E.Lorenz.Fire recognition potential of the bi-spectral Infrared Detection （BIRD）satellite[J]. International Journal of Remote Sensing，2003，24（4）：865-872.[6]Rose-Pehrsson，Susan L，Shaffer Ronald E，et al.Multi-criteria fire detection systems using a probabilistic neural network[J].Sensors and Actuators，2000，69（3）：325-335. [7]M.F.Ugarte，R.I.Zequeira，F.López.An approach for the compensation of the background variability in fire detection systems[J].Infrared physics and technology，2001：42（1）23-30.[8]姜建山，于天池，徐凯，等．基于FFT和数字滤波的信号处理软件实现 [J]．电测与仪表，2007，44（496）：20-23．。
基于红外技术的野外火灾探测系统研究
I
ABSTRACT
With the development of social economy and the boom of urban population, huge constructions increase rapidly. However, the conflagrations happened recent years show that traditional fire protection design doesn’t meet the demand of unusual situation especially for field fire detection. Usually the coverage of constructions in the field is extremely large and their structure is much more complicated than ordinary buildings, so it’s hard to detect fire effectively. As a result, it increases the difficulty for firemen to put out the fire, meanwhile, it may brings wicked social influence, causes tremendous damage and even personnel casualty. Therefore, it is intensely necessary to research the field fire detection system. This paper mainly discusses the principle and method of fire detection. It first introduces infrared technology briefly, which explains why infrared technology is adopted in field fire detection system. Then, the principle and structure of pyroelectric infrared sensor are expatiated, with characteristic of the sensor detailed discussed. Finally, an field fire detection system is designed based on this type of sensor. The paper also discusses fire signal characters and basic algorithm to process the signal, nevertheless, traditional fire processing algorithm is not flexible enough, it always causes a lot of false alarm, so this dissertation researches an intelligent algorithm to deal with fire signal instead. In the paper, BP network is adopted to realize the fire identification algorithm, with network structure, training method and identification effect deeply investigated. A suit of automatic fire detection software upon Delphi 7SE with the ability to connect SQL Server 2000 is also developed, it has several major functions such us fire signal gathering, signal pre-processing, fire automatic detection, fire alarm information storing and querying, and so on. The result of experiment shows the system is quite efficient in identifying a great variety of fire, and this contributes a lot to the development of fire protection technology. Key words: Pyroelectric Sensor, Infrared Technology, Fire Detection, Signal Processing, Pattern Recognition, BP Network
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Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ，２０１９
文章编号：１００１５０７８（２０１９）０６０７２００５
·红外技术及应用·
基于 ＬＡＳＳＯ回归红外火焰探测器的设计与实现
１ 引 言 火灾一直都是危害生命和财产安全的重要隐
患，在各种化工场所例如易燃易爆气体的仓储和运 输、石油的采取与提炼，这类场所一旦发生火灾几乎 是毁灭性的破坏。所以需要反应时间短、探测范围 广、误报率低等特点的火焰探测器，而传统的感烟火 灾探测器、感温火灾探测器探测范围太无法满足要
求，紫 外 火 焰 探 测 器 的 灵 敏 度 差 并 且 探 测 范 围 也小 。 ［１－２］
本文针对三波段火焰检测，设计硬件电路及软 件程序，同时用基于 ＬＡＳＳＯ回归替代传统的火焰检 测算法，所设计的三波段红外火焰探测器探测距离 远高于感烟火灾探测器、感温火灾探测器、紫外火焰 探测器等传统探测器［２］，并且使用三个通道对辐射 的红外线进行检测，可以根据干扰与火焰的分别在 三个波段的特征来判断是否发生火灾，能有效抑制 对卤素灯、太阳光的误报率。 ２ 三波段红外火焰传感器工作原理
ｊｉａｎｇｎａｎ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０１８１１０７；修订日期：２０１８１１３０
激 光 与 红 外 Ｎｏ．６ ２０１９ 谭 勇等 基于 ＬＡＳＳＯ回归的红外火焰探测器的设计与实现
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的误报率。而三波段火焰探测器能够探测并排除 ９０％的干扰信号，提高了火灾报警的准确性，相比于 四波段火焰探测器成本低、功耗低、性价比高。
传统的单波段火焰探测器无法区分干扰和火焰 信号，抗干扰能力很差。双波段火焰探测器大都采 用（３８±０２）μｍ 波 段 来 排 除 人 工 热 源 等 干 扰 信 号，但是忽视了背景辐射带来的干扰，背景辐射所带 来的干扰信号使得双波段火焰探测器依旧存在较高
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ６１３７４０４７）资助。 作者简介：谭 勇（１９９５－），男，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。 通信作者：谢林柏（１９７３－），男，教授，博士，主要研究方向过程建模与控制，检测技术与自动化装置。Ｅｍａｉｌ：ｘｉｅ＿ｌｉｎｂｏ＠
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＬＡＳＳＯｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ，ａｋｉｎｄｏｆｔｒｉｐｌｅｃｈａｎｎｅｌｉｎｆｒａｒｅｄｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｏｒｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａ ｐｅｒＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｄａｔａｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｅｘｔｒａｃｔｅｄａｒｅｄｉ ｖｅｒｓｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｘＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍ ｔｈｅｇｏｏｄｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ，ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｅａ ｔｕｒｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＬＡＳＳＯｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｔｒｉｐｌｅｃｈａｎｎｅｌｉｎｆｒａｒｅｄｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄＬＡＳＳＯｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｌｓｏｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｏｏｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔｒｏｎｇｉｎ ｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎＡｔｌａｓｔ，ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇＬＡＳＳＯｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｌａｍｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄｔｏｓｈｏｗｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｉｎａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ，ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｓｐｅｅｄａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＡＳＳＯｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ；ｔｈｒｅｅｂａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄ；ｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｏｒ
谭 勇１，谢林柏１，冯宏伟２，温子腾１
（１江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 ２１４１２２；２无锡职业技术学院，江苏 无锡 ２１４１２２）
摘 要：基于 ＬＡＳＳＯ回归，提出一种应用于三波段红外火焰探测器的具体识别算法，同时进行 了硬件电路以及软件程序的设计。在火焰探测器在检测过程中可能出现数据不稳定、环境多 样化的复杂情况，从而提取到的特征存在多样性和复杂性。本文利用 ＬＡＳＳＯ回归良好的预测 能力、系数压缩能力和特征选择能力，有效提升了对三波段红外火焰的精确度和灵敏度，同时 ＬＡＳＳＯ回归还具有效率高、预测精度高、解释性强等特性。实验证明 ＬＡＳＳＯ相比于传统火焰 识别算法在逼近精度、收敛速度和鲁棒性等多个方面都有所提升。 关键词：ＬＡＳＳＯ回归；三波段红外；火焰探测器 中图分类号：ＴＭ２１５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１９．０６．０１４
红外火焰传感器属于感光式的火焰检测装置， 它对于火焰所辐射出的红外线强度进行探测，由于 红外辐射波长较长，所以穿透力较强，因而探测范围 也比较广，适用于各种工业与住宅区域，也可用于森 林火灾监测［３］。
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｆｌａｍｅｄｅｔｅｃｔｏｒ ｂａｓｅｄｏｎＬＡＳＳＯ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ
ＴＡＮＹｏｎｇ１，ＸＩＥＬｉｎｂｏ１，ＦＥＮＧＨｏｎｇｗｅｉ２，ＷＥＮＺｉｔｅｎｇ１
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ； ２ＷｕｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）