大空间自动跟踪射流灭火系统火焰定位装置设计

大空间自动跟踪射流灭火系统火焰定位装置设计摘要：设计基于红外和图像复合探测技术的大空间自动跟踪射流灭火系统火焰定位装置，实现了对着火点的自动跟踪定位，文中对火焰的识别方法和实现方式做了介绍，并给出了系统喷水灭火的实际测试结果。

关键词：火焰跟踪定位红外火焰探测图像火灾探测自动射流灭火

Design of fire targeting device for large space auto tracking jet suppression system

Abstract:A design of fire targeting device for large space auto tracking jet suppression system based on infrared and image detection technology is described in this paper,which can be used to realize the fire point of automatic tracking and targeting in action.

Key Words:Fire tracking and targeting Infrared flame detector Image fire detection Auto jet suppression

随着我们国家经济的发展，近年来一些新型、大型、高层、地下大空间建筑大量涌现，仓储规模日趋扩大。这些场所内往往人员多、物资多、财产高，火灾危险性极大。国家《火灾自动报警系统设计规范》和《固定消防炮灭火系统设计规范》中规定高度超过8m的室内

场所为大空间场所，不宜采用传统的感温、感烟探测器和喷淋系统，灭火装置应当采用消防炮这种出水量大的灭火系统。

在此背景下，大空间建筑的火灾探测监控和灭火逐渐成为世界各国火灾科学及消防科技工作者极为关注的课题之一，并且随着近年重特大事故频发引起了国家相关部门的极大关注。本文阐述的大空间自动跟踪射流灭火系统采用红外和图像复合探测技术，自主探测并定位大空间内早期火灾，并自动喷水灭火，同时将火场实时图像显示于消防控制室，并联动声光报警、排烟、实时录像、报警电话等。火焰定位装置是自动跟踪射流灭火系统的技术核心部分，其性能优劣决定了整个系统的火灾灭火效果。

1 灭火装置结构和火焰定位方案

如图1所示，本灭火装置通过水平方向和垂直方向上的两个驱动电机的作用可以控制消防水炮喷头实现两自由度的转动。火焰定位系统主要由水平红外火焰定位器、垂直红外火焰定位器和图像火焰定位器三部分组成。安装保护区域内有火灾发生时，装置便通过机械运转伺服机构在火焰定位器的引导下实现对着火点位置的定位。

红外火焰定位器响应速度快，但由于火焰红外辐射面大、易扩散，红外火焰定位器难以精确定位火焰中心区域，因此我们选用图像辅助定位技术进一步实现火焰的精确定位。当红外火焰定位器完成定位后，着火点已被锁定在一个较小区域内，进而启动红外图像定位系统。图像火焰定位器采集定位区域的现场图像，并传送到火灾监控主机，由监控主机进行图像处理分析，以进一步确定火灾的发生。

其中：(1)水平驱动电机(2)竖直驱动电机(3)水平红外定位器(4)竖直红外定位器(5)图像定位器(6)监控摄像机(7)消防水炮喷头

2 红外火焰定位器实现

红外火焰定位器是利用可燃物体在燃烧时，所产生大量的红外线辐射为诱导源，采用装有红外光学透镜的高灵敏的红外感知器件来感知它的发生和存在。灭火装置使用两种波长不同的光学红外传感器来进行火焰探测，其中一种传感器作为背景红外辐射的探测，水平扇形红外火焰定位器安装有四个传感器，扇状形成一个接近于90度的探测范围；垂直圆筒形红外定位器使用一个传感器，同时在探头前面加

装光学镜头，使圆筒形定位器探测范围视角足够小近似一条直线。本火焰定位器基于红外线的接收、筛选技术，对自然界的其他非火源的红外线如太阳光、电焊弧光、白炽灯、日光灯等具有较高的抗干扰能力。

红外火焰定位器是以微控制器为核心，实时采样光学红外传感器的输出信号，采样信号经过滤波放大处理，送至单片机进行处理分析。若分析结论为火焰信号，红外火焰定位器将信号传送给自动跟踪灭火装置驱动控制器，并启动图像火焰定位器进行分析以确认是否真的火焰信号。红外火焰定位器电路原理框图如图2所示：

这部分主要解决的技术问题有：

(1)红外光学部件包括透镜组和敏感元的选择和设计，红外辐射光经红外光学透镜组的滤光、聚焦作用，有效聚焦到钽酸锂红外热释电传感器上，产生电信号。如何提高红外光的透过率、对目标红外波段以外光的有效滤除、更多目标红外光的聚焦、红外敏感元的选型是设计的关键。图3是本设计的前端探测组件结构图。

(2)微弱红外信号的有效提取，系统利用运算放大器OP07集成芯片配以RC器件组成前端的模拟调理电路，把小至几十微伏级的红外辐射信号，经放大、滤波、变换等电路处理后，经过A/D转换器转换为数字信号后送至单片机处理。图4为系统信号调理部分带通滤波放大电路原理图，系统选用两级选频放大，通频带1～40?Hz，电压放大增益为72?dB。

(3)火焰判别的计算和分析程序设计，内置的微处理器对红外传感器的采样信号进行时域和频域信号处理，分析其闪频和幅值特性，是否满足阈值、相关和比值等条件，从而判断出是否存在火焰信号。

3 图像火焰定位器实现

火灾发生时火焰具有着火面积逐渐增大、边缘抖动、较强的红外辐射等明显的特征，在图像中表现为三点：(1)显著的颜色特征；(2)火焰的不稳定燃烧造成目标的闪烁，面积变化以及整体位置的移动；

(3)燃烧时向环境中散发的大量红外辐射。

系统工作时通过图像采集设备连续获得监视区域的图像信号，主机处理器在获得连续的帧信号后，首先将辐射强度超过某预定值的部

分分割出来作为感兴趣区域，通过对感兴趣区域做一定时间段的观察，分析该区域中是否存在动态闪烁幅度和频率都超过预定值的部分，从而有效降低固定光源对系统的影响，最后我们对目标区域的高度、宽度、体态比、周长和面积做进一步分析判断，满足所有判据后，则认为该区域为火焰区域，同时给出目标的图像坐标。

识别出火焰图像后，火灾控制主机根据图像定位后火焰图像距红外图像中心点距离，进行坐标换算。根据坐标变换得出的炮口最终位置信息，自动跟踪灭火装置驱动控制器可以驱动两自由度的伺服电机分步把喷水炮口对准着火点，最终完成火焰的精确定位。

在火焰图像的识别算法中，采用一种在CCD前加装红外滤光装置的方式，将彩色图像转化为红外图像有效过滤掉周围环境中的干扰因素，计算机将采集到的现场火焰图像fx首先通过自适应阈值的二值化操作，得到火焰模板的二值图像Fc：