火焰探测

基本原理
扫描式单摄像机空间定位 我们采用一只固定在消防水炮炮管顶端的摄像机，利 用同一摄像机转动时在不同时刻的位移和角度变化来 模拟双摄像机系统进行空间定位。
当消防水炮转动时，前后两次摄像机位置的之间位移就构成 了基线。
对摄像机在不同位置采集的图像进行火源区域匹配之后便求 得视差
这样就构成了双摄像机进行空间定位的两个要素。
6 清华大学公共安全研究中心1 Nhomakorabea光电效应
火焰探测器是感应火灾燃烧的火焰发出的电磁辐射 ，通过将火焰辐射能量转化为电流或电压信号，来 达到火灾探测的目的。为避免可见光的干扰，火焰 探测器主要响应火焰中的紫外波段和红外波段。根 据火焰探测器响应波长的不同，将响应波长低于 400nm辐射能通量的火焰探测器称作紫外火焰探 测器，响应波长高于700nm辐射能通量的火焰探 测器称作红外火焰探测器。紫外火焰探测器的工作 原理基于外光电效应，红外火焰探测器的工作原理 基于内光电效应。
火焰光谱
对火焰光信号的变化作出有效反应，并将光信号转 变为电信号的器件称为光敏传感器。利用光敏材料 的光电效应制成的光敏器件称光电效应传感器，利 用辐射红外光（热）照射材料引起材料的电学性质 发生变化或产生热电动势的器件称红外热释电传感 器 ， 利 用 CCD 光 电 转 换 和 电 荷 转 移 功 能 制 成 的 CCD图象传感器或用光敏二极管与MOS晶体管变 成电荷或电流信号的MOS图象传感器等，目前都 用来作为探测火灾火焰的光敏器件，并制成相应的 火灾探测器。
E hv
hv
1 2
m02
A0
8
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光电效应
1、紫外光敏管 光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构 相似，由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一 只真空玻璃管内。
2、光电倍增管
光电管的结构及电路
光电倍增管工作原理图
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光电效应
二、内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化
，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电 效应又可分为光电导效应及光生伏特效应两类。前 者是指在光线作用下，半导体材料的电阻率发生改 变的现象，主要元件有光敏电阻以及由光敏电阻制 成的光导管等；后者是指在光线作用下，半导体材 料产生一定方向的电动势的现象，主要元件有光电 池、光敏晶体管等。
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（1）火焰图像在时序影像中的自然特性 （2）火焰图像的色谱特性 （3）火焰图像的纹理特性 （4）火焰图像的相对稳定性 （5）火焰图像的蔓延增长趋势特性
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图像火焰探测器
火灾火焰的相对稳定性特征
R1
R1 非火灾
R1
R2 火灾
R2
R2
t0 时刻
火灾火焰的蔓延增长特征
t 时刻
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基本原理
单CCD视觉原理
x
y
f f
X Z Y Z
三维空间中的物体通过摄像机投影到视平面，其成像 模型和视觉坐标系如图所示。原点O为视点，视平面距原 点的距离为f，则视平面上的点p(x,y)与空间中的对应点 P(X,Y,Z)有对应关系
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基本原理
立体视觉原理 运用两个（或多个）摄像机对同一景物从不同位置成 像，进而从视差（不同摄像机图像上同一物体图像坐 标差异）中恢复距离信息。基线和视差是立体视觉的 两个要素。
相对于传统的火焰探测器，图像感焰探测器扩大了探 测器的感焰面积，给探测器提供了更多的火灾信息， 继而提高了火灾探测的可靠度及灵敏度。
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火焰探测技术发展历史
在六十年代研制出一种宽带红外火焰探测器，该种 探测器对火焰的响应，仅通过分辨火焰的闪烁频率 和一个规定的延迟时间确定。
红外火焰探测器相对紫外火焰探测器而言，由于火焰红外 辐射谱带范围比紫外辐射范围宽，辐射强度比紫外辐射强 ，因此可以利用火焰红外辐射进行大多数的有焰火灾探测 ，应用范围更广更普遍。但红外辐射背景干扰因素多，因 此，红外火焰探测器必须有效屏蔽太阳光等背景辐射的影 响。
同紫外火焰探测器一样，红外探测器具有对火焰反应速度
3.光学成像元件
相对辐射强度 相对辐射强度
波长/μm
单通道红外探测器的工作谱带
波长/μm
双通道探测器工作谱带 15 清华大学公共安全研究中心
图像火焰探测器
利用早期火灾烟气的红外辐射特性，结合早期火灾 火焰可见光辐射特征，利用早期火灾的红外视频信 号，以及火灾火焰可见波段视频信号，并结合火焰 的色谱特性、相对稳定性、纹理特性、蔓延增长等 特性，采用趋势算法等智能算法，将火灾探测与图 像监控有机结合，实现火灾探测与监控的目的。
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光电效应
一、外光电效应
在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子 叫光电子，基于外光电效应的光电器件称为紫外光 敏管，主要有光电管、光电倍增管等。
物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以 克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光 电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量必须 超过逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子 的动能。
六十年代末出现的紫外火焰探测器主要用于火工品 的监视，到七十年代初期，紫外火焰探测器能够应 用于室外环境，成为真正意义上的火灾探测器。
二十世纪八十年代兴起的固态图像传感器给火焰探 测器研制注入了新的活力，图像感焰探测器利用火 灾的红外特征、火焰的图像特征等信息，实现火灾 探测。
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应用举例：自动消防炮
自动消防炮由炮体和控制 系统组成；其中控制系统由 自动供水装置、火焰图像定 位装置、数控解码器以及计 算机远程通讯与控制系统组 成。
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3
基于CCD图像的火灾自动定位技术
根据计算机视觉原理， 利用固定在自动旋臂顶 端的单只CCD摄像头 进 行火源扫描，记录扫描 过 程 中 CCD 摄 像 头 的 旋 转、位移，建立了摄像 头在不同位置所拍摄的 图像中火源图像坐标和 火源的空间坐标之间的 关系，从而实现了空间 中火源空间位置的自动 定位。
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紫外火焰探测器
响应火焰产生的紫外辐射而工作的探测器称为紫外火 焰探测器。紫外火焰探测器具有对火焰反应速度快， 可靠性较高等特点。同时，紫外火焰探测器组成的火 灾报警系统往往同灭火系统联动，组成一个完整的自 动灭火系统。例如同卤代烷1211、1301以及水喷雾 、雨淋和预作用灭火系统等组成自动灭火系统。这种 系统的特点是快速报警和快速灭火，因此，它适用于 对生产、存储和运输高度易燃物质的危险性很大的场 所提供保护。
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基本原理
视觉坐标系
Y X
(x1,y1)
（3）
f D
O
（4）
(x2,y2)
Y1 X1 Y2 X2
CCD摄像头
Y Z
Y1 Y1
cos 1 sin 1
Z1 Z1
sin 1 cos 1
D sin1 D cos1
Y Z
Y2 Y2
cos 2 sin 2
火焰光谱
自然界及宇宙中存在大量的电磁波，电磁波是一种横 波，其波谱图如下
物质燃烧产生大量能量，这些能量以电磁波的形 式向周围辐射，燃烧产生的电磁波主要有以热辐 射为主的红外波段和以光辐射为主的可见光波段 ，此外还有少量的紫外波段等电磁波。
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火焰光谱
火焰光谱从紫外、可见光到红外波段都有能量辐射， 不过红外波段辐射能量比紫外波段强得多，这就是火 焰灼热和发红的缘故。
本讲结束 谢谢大家!
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火焰探测
疏学明 清华大学公共安全研究院
火焰探测技术概述
火焰探测器是探测火灾燃烧火焰的探测器、它继感温 、感烟探测器后，较晚出现的一种火灾探测器。
火焰探测器感应火焰辐射电磁波，因此具有响应速度 快，探测范围广等优点。
由于太阳光和环境光的影响，火焰探测器实际应用的 光谱只有紫外区和几个较窄的红外谱带。火焰探测器 除要求对火焰有很高的灵敏度外，还必须要求能够鉴 别和减少非火灾背景光的影响，背景光包括太阳辐射 和人为的辐射，如热源、萤光灯、白炽灯、电弧焊等
的夹角α。
d Z2 Y2 tg 1(Y / Z )
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4
系统结构及定位过程
定位过程
实验及应用
电机驱动消防炮和摄像机在水平180°和竖直90°范围内 进行扫描，以角度αt为步进，每转动αt角度后根据摄像机 图像判断当前摄像机的视野区域是否有火灾。
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光电效应
1、光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡 到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象 被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件称为 光敏电阻。
2、光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现 象叫光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电 池和光敏二极管、三极管。
探测器采用圆柱状紫外光敏元件，主要由紫外光 敏管，和一些光学元件、信号处理器及外保护层等构 成。
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红外火焰探测器
响应火焰产生波长大于700nm的红外辐射进行工作的探 测器称为红外火焰探测器。1982年自出现一种新的全日 光盲型精密单通道红外火焰探测器后，红外探测器得到了 广泛的应用与发展。
快，可靠性高的特点，适用于对生产、存贮和运输高度易
燃物质、危险性很大的场所提供保护，并可以组成联动控
制灭火系统。
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红外火焰探测器
1.传感元件 对大多数红外探测器来说，光学传感元件可能占整个成本的 较大部分。
2.窗口材料 探测器必须通过罩或窗口元件预防灰尘、湿气和腐蚀性大气 的影响。这种窗口元件的材料必须透过选择的波长间隔。
在火焰红外波段内的4.35μm附近能够观察到峰值， 这是被称为CO2共鸣的CO2原子团的发光光谱, 为火 焰所特有, 且比其它光谱具有大得多的强度。
太阳光经过大气层时，由于太阳光中4.35μm附近的 能量被大气层中的CO2所吸收而衰减的很小，因此 4.35μm附近是用于红外火焰探测的重要波段。
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Z2 Z2
sin 2 cos 2
D sin2 D cos2
Z1
ω1 P(d,α)
Z ω2
Z2
发现火灾后t1和t2时刻的火源、摄像机、物方坐标系的关系
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基本原理
火源距离的确定
可以从t1，t2时刻的图像象素坐标求得空间坐标Y和Z，从 而可以求出火源距水炮转轴的距离d和火源与水炮炮管中轴
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紫外火焰探测器
早期的紫外火焰探测器由紫外火焰控制器和紫外 火焰探测器两部分组成，可以直接启动灭火系统，完 成探测、报警和灭火功能。目前的紫外火焰探测器仅 指探测器本身，它常作为火灾自动报警系统的一个部 件，完成其它火灾探测器无法完成的功能，紫外火焰 探测器通过输入模块接入火灾自动报警系统。