早期火災的雙波段圖像型探測裝置的研制與應用

摘 要：針對大空間環境下的早期火災的探測問題，介紹了一種雙波段圖像型火災探測裝置的設計思路，著重闡述了裝置的探測原理和機械構成，并通過案例介紹了裝置在火災監控系統中的應用。文章不僅提供了雙波段圖像型火災探測裝置的實現方法，也為設計多通道火災監控系統提供了解決方案。

關鍵詞：火災探測，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，這些場所往往人員密集、環境復雜，容易存在火災隱患。特別在空氣對流暢通的地方，火災發生時火勢蔓延較快，一旦人員疏散不及時，就會造成人身財產損失。因此，對建筑內部消防安全的要求日益嚴格。針對火災的探測預警，傳統的設備有感煙探測器、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，這些設備已經不能適應大空間場所的消防要求。一些新型的探測方法應運而生，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，既能克服傳統探測器在大空間場合靈敏度下降的缺點，又能兼顧監控功能。

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，通過分析早期火災圖像的特征可以達到火災預警的目的。由于火災圖像包含的信息量巨大，如何從紛繁蕪雜的圖像數據中發現疑似火災目標，并最終確認火災的存在以及發展的態勢是圖像型火災探測技術的關鍵問題。相關技術人員對此展開了深入探索，如[1-2]從顏色的角度出發，利用火焰的顏色特征進行判別，[3-4]對火災發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的特點，[6-7]收集監控區域中的煙霧，通過對煙霧的圖象特征進行識別，以確定存在火災。

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的存在性，由于干擾源的存在，探測結果往往缺乏可靠性，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 系統設計與實現

2.1 火焰的紅外成像原理

物理學上黑體定律認為，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400～1200nm范圍內的光線，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計

雙波段圖像型探測器的正面圖和側面圖如圖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，由外部統一供電，視頻線和電源線經出線端接至系統其它設備。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，鏡頭焦距根據保護范圍和監控距離確定。

3 具體實施與應用

下面介紹一種利用雙波段圖像型探測器的火災監控系統，系統結構如圖5所示，主要由雙波段圖像探測器、控制電路、視頻切換設備、圖象采集卡以及工控機構成。

其中，雙波段圖像探測器的特征如前文所述，它在系統中作為前端探測設備，采集現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，可實現輸入視頻的任意切換。圖像采集卡用于將模擬視頻信號轉換為數字信號輸入工控主機。工控機上運行有火災監控軟件，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全局的工作狀態和運行信息，通過控制聯動設備可實現自動或者人工報警、滅火等動作。

系統工作時，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域顏色、運動物體閃爍特征、區域尺寸特征等內容進行分析，對于是否存在疑似火災進行預判，如果發現存在可疑區域，則記錄目標的位置。然后在相同位置對紅外視頻進行分析，分析內容包括光線輻射強度、閃爍速度、區域擴展速度等，一旦對紅外視頻的分析結果也達到預警的條件，則立刻發出報警指令，并自動控制聯動設備進行聲光報警、火災隔離、撲救、現場記錄等，形成一個完整的自動探測、報警、撲救、記錄過程。

4 結語

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

（1） 具有可視化特征，方便監控，提高了工作人員的人身安全和工作效率。

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

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

（4） 探測距離遠、保護范圍大，適合于室內高大空間或者室外使用。

雖然圖像型火災探測器有諸多優點，但是由于火焰在圖像中呈現的多樣性，基于圖像識別的火災探測系統在火焰特征分析、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，山東省科學院自動化研究所山東省汽車電子技術重點實驗室，碩士，助理研究員，主要從事圖像處理、模式識別、火災探測方面的研究工作。