一种大范围超远距离扫描型火灾感知系统及方法与流程

本技术涉及应急防灾，特别是涉及大范围远距离扫描型火灾感知系统及方法。

背景技术：

1、空间类火灾探测技术大部分的应用对象是工业企业、民用商用建筑，因此国际、国内的产品标准多针对近距离100m为一个界限，然而实际应用中还面临大量的室外应用，例如木结构建筑群(类似古城镇)、森林草原、港口等。为了实现远距离火灾探测，这些年主流的技术方法就是采用红外热成像摄像机+可见光摄像机，再配合ai深度学习算法和模式识别方法等，来实现远距离探测。然而，红外热成像摄像机用于远距离火点识别判断时存在较大问题，那就是摄像机吐过用于测温，那么当其针对某一个特定距离调定好测温精度后，随着距离的远近变化，测温精度会发生较大的变化，尤其是随着距离差别的增加，测温精度快速下降，距离增大到一定程度，就丧失测温能力了。因此对于远距离大范围使用时，最直接的问题就是误报率过高，或者远距离条件下不报警。因此亟需一种可以再大范围远距离条件下可靠探测的系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大范围超远距离扫描型火灾感知系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大范围远距离扫描型火灾感知方法，其特征在于，所述方法应用于大范围远距离扫描型火灾感知系统，所述大范围远距离扫描型火灾感知系统包括高光增益红/紫外探测器(可与可见光和/或红外摄像机复合使用)、水平与垂直转动机构、转动控制电路、供电电路、电磁兼容与防护电路、信号传输电路、高光增益传感与图像信号处理电路。

3、优选的，所述高光增益红/紫外探测器，通过采用大面积球面、曲面反射镜匹配适宜的红外或紫外传感器，使得更大面积的特征光谱辐射聚焦到传感器靶面或者(纵向柱形)感应面上，形成高光增益探测器，使得传感器的响应能力成几十或几百倍的增长，从而大大增加探测器的响应距离。

4、优选的，所述高光增益红/紫外探测器的反射镜的有效面积，需要根据传感器的响应光谱范围进行计算，具体如下方法：

5、根据普朗克辐射定律，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向外发射的辐射功率，

6、即光谱辐出度mbλ，与波长λ和温度t满足下列关系：

7、

8、其中，第一辐射常量c1＝2πhc2＝8.7415×108w·μm4/m2；第二辐射常量c2＝hc/k＝1.43879×104μm·k，c为真空中的光速，c＝3×108m/s；h为普朗克常量，h＝6.6256×10--34j·s；k为波尔兹曼常量，k＝1.38054×10--23j/k；

9、根据辐射的空间分布规律—朗伯余弦定律，辐射强度表述如下：

10、

11、

12、其中，λ1为传感器响应的光谱波段下限，λ2为传感器响应的光谱波段上限，s为光学反射镜的有效反射面面积，θ(z)为特定大小辐射源在一定距离辐射空间上的法线夹角；

13、通常情况下，通过仪器，可以测得传感器可以接受的最低辐射强度mmin，依据上式即可获得最小的感光面积smin，很多情况下，反射镜的光并不能全部被靶面接收到，所以实际设计时，应当仔细设计反射镜的镜面形式和尺寸，才能达到效能。

14、优选的，所述高光增益红/紫外探测器，反射镜面积设计还可以通过等效法进行计算，首先可以很容易获得特定传感器在无光学增益情况下对某一个标准辐射源的最大响应距离，假设用ds表示，而传感器的感光面或称靶面，用as表示，根据电磁波辐射强度随距离平方倍衰减的原理，如果我们想在距离d的位置响应这一标准辐射源，那么可以近似得到以下算式；

15、

16、其中，d为在期望能够响应标准辐射源的距离，a为满足距离d上响应标准辐射源的有效感光面面积，也就是反射镜能够将辐射源的光波反射作用到传感器靶面的镜面面积，

17、通过这一简单的方法，可以快捷有效地计算出反射镜需要的有效镜面面积，以便于进行反射镜的设计。

18、优选的，所述高光增益红/紫外探测器，用于火灾探测时，所选择的光波探测传感器需要是日光盲的，或者通过特征波段比对可以有效区分火灾和其他光源，例如紫外可以采用185～260nm的uvc波段，红外可以采用4.3μm窄带波段，这样才能保证即快速报警，又能避免误报警。

19、优选的，所述高光增益红/紫外探测器，采用二次曲面反射镜时可以获得更好的汇聚效应，不过此时的视场角往往较小，一般水平和垂直在6～15°的范围，采用球面镜时可以获得更宽的视场，例如可以达到水平、垂直60°以上，不过对于球面镜来讲，一个辐射源的有效光增益反射镜面积只是某一个区带，因此进行反射镜设计时需要根据传感器的靶面尺寸测算有效光增益面积的大小，以达到预期的探测距离，当然探测器采用的传感器感光靶面尺寸和面积也对反射镜的设计有较大影响，对于二次曲面镜来讲，最佳的传感器靶面应该是呈柱状，这个可以获得最大的受光面，当传感器不具备这一条件时，就需要根据传感器的靶面尺寸和分布测算反射镜的有效光增益面积，同时，所述高光增益红/紫外探测器可以采用同一光轴线上前后配置的不同形式的反射镜同时实现红外和紫外传感器的高光增益放大，具体方法为同一光轴线上前置的二次曲面镜除了反射uvc紫外线并聚焦到uvc传感器靶面上外，可以透射红外线，而同一光轴线上后置的反射镜则将红外光聚焦到红外传感器的靶面上，这样的系统即可以同时实现红外和紫外线的高光增益放大，从而实现复合探测时。

20、优选的，所述高光增益红/紫外探测器，可以采用45°角分光镜，50％的入射光沿光轴线透过分光镜投射到uvc紫外或者红外高光增益反射镜上，在入射光90°方向分出50％入射光投射到红外或者uvc紫外高增益反射镜上，从而同时实现红外和紫外光的高增益放大，进而实现复合探测。

21、优选的，所述大范围远距离扫描型火灾感知系统的光信号采集还可以有以下复合形式，即高光增益紫外探测器与高光增益红外探测器复合，或者高光增益紫外探测器与红外摄像机复合，或者再进一步复合可见光摄像机，水平与垂直转动机构会同时带动不同类型的复合设备进行转动，以扫描360°空域空间。

22、优选的，所述水平与垂直转动机构和转动控制电路主要完成水平和垂直方向的转动、精度控制和速度控制，转动控制电路配有测角的光电码盘，角度为位置精度0.01～0.1°，实际应用中，水平转动的速度取决于高光增益红/紫外探测器或者摄像机的水平视场角，无论采用单一紫外或红外或红紫外复合或者与摄像机的复合，都以最小的视场角为转动速度的上限，假设这个角度是α，那么转动速度上限是每秒α；垂直角度为间歇式的，同样以所复合设备的垂直视场角最小值β为基准，主要在水平完成一圈360°扫描旋转后，进行下一圈的错位扫描，一般也可以定义一个垂直转动速度，转速每秒不小于β。

23、优选的，所述高光增益传感与图像信号处理电路，可以同时接收多路高光增益探测器或者红外/可见光摄像机的图像信号，同时进行分析和处理，一般的处理方法包括：

24、计算光传感器的周期性信号增益率，设i(t,γ,θ)表示当前周期t的光信号，i(t-1,γ,θ)表示当前周期t-1的光信号，(γ,θ)为每一个转动周期特定转角位置，信号增益率计算如下；

25、

26、摄像机图像信号处理分两种，一种是采用图像分析方法，通常采用cnn卷积神经网络和图像模式识别；一种是针对红外视频，提取其中的温度数据或者灰度级数据，进行两个周期的差分，计算如下：

27、

28、其中，f(t,γ,θ)表示周期t红外帧图像中关联的异常点数值计算均值，f(t-1,γ,θ)表示周期t-1红外帧图像中关联的异常点数值计算均值，根据侦差分获得红外图像中的数据异常点，以及异常数值；

29、火灾的判断决策可以直接采用这几个指标进行判断，通常情况下i(t,γ,θ)≥ith，δi(t,γ,θ)＞0且δi(t,γ,θ)≥δith，或者f(t,γ,θ)≥fth，δf(t,γ,θ)＞0且δf(t,γ,θ)≥δfth，

30、更为可靠的做法是以上计算的指标，作为一个神经网络的输入，通过采用训练后的神经网络进行数据融合，使得指标在[0,1]区间，对于指标在0.7～0.8之间时可作为预警信号，对于指标在0.9以上时，可以触发火警报警。