紅外火焰探測信號的特征提取研究

周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大學 物聯網工程學院,江蘇 無錫 214122)

紅外火焰探測信號的特征提取研究

周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大學 物聯網工程學院,江蘇 無錫 214122)

在設計紅外火焰探測器時，特征值的選取是識別火焰的關鍵因素。分別對火焰和高溫熱源信號的過零點與其對應時間關系進行研究，提出將信號過零點與其對應時間擬合直線的線性度作為區別火焰與高溫干擾的一個特征值。通過對相同環境下，不同大小的酒精燈火焰的過零點時間進行分析，發現利用擬合直線的斜率，可計算出火焰的頻率；提出擬合直線的斜率可作為識別火焰的另一個特征值。實驗結果表明：物質燃燒時，過零點與其對應時間的線性關系在一定范圍內保持不變，用擬合直線的線性度和斜率作為識別火焰的特征值具有一定的可行性。

紅外火焰探測器； 特征值； 過零點； 線性度

0 引 言

工業生產安全問題一直為人們所重視，火災的頻頻發生，給人們的生命財產帶來極大的威脅，而工業環境的復雜性，給火災的檢測帶來了極大的困難。最初火災探測的方式為感煙型火災探測和感溫型火災探測[1,2]。感煙型火災探測系統是利用火災發生時產生煙霧的特性來檢測環境中的煙霧變化，感溫型火災探測器則是通過周圍溫度的變化來判斷是否有火災發生。利用這兩種方式來探測火災容易發生誤報，且有較大的時間延遲，探測器的靈敏度低。

隨著紅外技術的發展以及半導體材料和制造工藝的發展成熟[3]，利用熱釋電紅外傳感器作為敏感元件的紅外火焰探測器逐漸發展起來。火焰識別算法是火焰探測器的核心。特征值的選取影響識別算法的復雜度，以及探測器的精度和抗干擾能力。目前，涉及信號時域的特征值主要包括時域的幅值、連續時間值[4]、時域均值[5]以及信號的能量值[6]和信號的平均功率值[7]等，涉及信號頻域的特征值主要為頻率[8]和峰值。時域特征值多以選定閾值為主，通過閾值比較的方法判斷有無火焰產生。但這種方法的適用范圍較窄，隨著火焰大小的變化，探測距離的變化，探測到的火焰的能量也發生變化，閾值比較便不再適用，且并不能反映信號的頻率特征。可燃物在燃燒時，頻率是其重要的特征，但是同種物質在不同環境下燃燒，其頻率不盡相同，因此，僅僅依靠頻率特征，容易造成系統的漏報誤報。

本文針對目前火焰探測信號特征提取方面的不足，提出信號過零點與其對應時間擬合直線的線性度和斜率值可作為火焰識別的兩個特征值，并且提出利用擬合直線的斜率可計算信號的頻率，有效提高了系統的抗干擾能力。

1 理論分析

1.1 紅外火焰探測器的工作原理

不同材料的碳氫化合物燃燒產生的火焰輻射光譜不同。火焰光譜從紫外、紅外到可見光都有能量輻射，但在紅外波段輻射能量強于紫外波段。在火焰紅外波段內的4.4 μm附近能夠觀察到峰值。另一方面太陽光經過大氣層時，由于太陽光中的4.4 μm附近的能量被大氣層中的CO2所吸收而衰減很大，大氣中4.4 μm紅外波段強度比較弱。因此，4.4 μm波段是用于紅外火焰探測的重要波段[9]。

火焰除了輻射光譜特征以外，還具有另一個顯著的特征是閃爍頻率。相關文獻表明，火焰固有的頻率在12 Hz左右[10]，受到現場風速與火勢的影響，通常頻率在1～25 Hz之間。

1.2 過零點與時間擬合直線

若采集的信號為交流信號，在信號的幅值時間圖上存在著過零點。假設從記錄的點開始記為0時刻，將每一個過零點與其對應的時刻記錄下來，做出過零點時間圖，圖的橫坐標為過零點序列。圖的縱坐標為每一個過零點對應的時間，單位為s。以y=sin 2t為例，記錄20個過零點，做出y的過零點時間圖，如圖1所示。

圖1 sin 2t的過零點時間圖

由圖1可以看出，其過零點與其對應的時間為線性關系，用最小二乘法擬合直線，得到直線方程為

y=1.570 9x-1.557 6

根據n個周期所經歷的時間為nT，而一個正弦波周期有(2n+1)個過零點，這些過零點所經歷的時間為k(2n+1)，則可以得到如式(1)的等式關系

k·(2n+1)=nT

(1)

轉換成

(2)

當n→∞時

(3)

從而可以得出

T=2k

(4)

由式(4)可以得出y=sin 2t的周期T=2k=3.141 8，f=0.318 2，與信號的實際周期,頻率相吻合。結果表明，對于連續的頻率不變的信號源過零點與時間的擬合直線是線性的，其斜率可以計算信號的周期，反映信號的頻率。

2 實 驗

2.1 實驗平臺

根據紅外火焰探測器的工作原理，本文選用4.4 μm波段的熱釋電傳感器[11,12]，經過微弱信號放大濾波處理，將采集的信號通過數據采集卡，傳輸給計算機。其中電路的放大倍數為50，帶通濾波器的截止頻率為2～40 Hz，采集卡的采樣頻率為2 000 Hz。

2.2 火焰與高溫干擾實驗

2.2.1 酒精燈火焰

在室溫18 ℃的條件下，對距離為50 cm,火焰高度為5 cm的酒精燈火焰進行信號采集，待火焰跳動穩定后采集數據，對采集數據中的2 000個點進行分析。將采集的信號經去直流，濾波處理得到信號的時域圖，如圖2所示。圖中可以看出其過零點的分布是均勻的。

圖2 酒精燈火焰時域圖

2.2.2 蠟燭火焰

在室溫18 ℃的條件下，對一根距離10 cm,火焰高度為5 cm的蠟燭進行測試。圖3為蠟燭火焰的時域圖。從圖3中可以看出,蠟燭火焰的幅值隨著時間的變化而變化，其過零點的分布依然是均勻的。

圖3 蠟燭火焰時域圖

2.2.3 高溫熱源

將電烙鐵加熱至370 ℃，圖4為電烙鐵的時域圖。從圖4可以看出，隨著電烙鐵的溫度變化，采集信號的幅值發生變化，過零點的分布不均勻。因為電烙鐵的加熱過程，其加熱功率不斷變化，傳感器采集信號的頻率也隨之變化，這也是其他很多高溫熱源不同于火焰的之處。

圖4 高溫電烙鐵的時域圖

為了更清晰地比較火焰和高溫熱源信號的過零點分布差別，做出酒精燈火焰、蠟燭火焰、高溫熱源以及無火焰信號時的過零點時間圖，如圖5所示。列出用最小二乘法擬合直線的斜率以及線性度表，如表1所示。

圖5 不同物質的過零點時間圖

信號源斜率k線性度/% 酒精燈火焰0．04972．09 蠟燭火焰0．04100．30 電烙鐵0．094512．21 無熱源0．01010．30

由圖5可以看出，由于工頻干擾并沒有完全抑制，且過零點分布均勻，其過零點時間擬合直線呈線性。但其斜率僅有0.010 1，而無論是高溫熱源，還是火焰都會較之大許多。所以，并不會影響對于火焰的判斷。從表1中可以看出，電烙鐵的擬合直線的線性度要高于10 %，而火焰的線性度明顯小于高溫電烙鐵。

2.3 酒精燈火焰實驗

上述實驗表明:酒精燈火焰在一定時間內，頻率是不變的。這里以酒精燈為例，分別取距離為100 cm，外焰高度分別為4,6,10 cm的酒精燈火焰，做3組實驗。分別做出其過零點時間擬合直線，如圖6所示。

圖6 酒精燈的過零點時間圖

由圖6可以看出，3組過零點與時間滿足線性關系。分別計算3組直線的斜率和線性度，如表2所示。

表2 酒精燈火焰的過零點時間擬合直線的斜率和線性度

火焰高度/cm斜率k線性度/%40．05371．2360．05781．0610 0．04472．04

通過式(4)由斜率計算出信號的頻率fk，與信號頻譜中幅值最大點對應的頻率fm進行比較，得出誤差，如表3所示。

表3 頻率計算值fk、實際值fm及誤差

火焰高度/cmfkfm誤差/%411．718811．18561．1868．78918．65051．5810 9．27739．31090．36

由表2可以看出，在一定范圍內，酒精燈火焰的過零點時間擬合直線的線性度小于3 %，可以認為近似線性。由表3可以看出:隨著火焰大小的變化，酒精燈火焰的閃爍頻率也發生變化。通過式(4)計算出的頻率與實際頻率的誤差小于2 %。

實驗表明：高溫干擾的過零點時間擬合直線的線性度明顯高于火焰，用線性度作為識別火焰信號與高溫干擾信號的一個特征值，具有一定的可行性。物質在燃燒時，閃爍的頻率在一定時間內是穩定的，其過零點時間擬合直線是近似線性的。

3 結 論

本文提出擬合直線的斜率與線性度可作為紅外火焰探測信號的兩個特征值，提高了單波段紅外探測的抗干擾特性，同時兼顧了頻率特征信息，減少了通過頻域計算的算法復雜度，更易應用到產品中。

[1] 袁積德.三波段紅外火焰探測器的研究與開發[D].杭州:浙江大學,2012.

[2] 張專成,鄒 濤,馮立杰,等.一種基于多傳感器信息融合的火警預報系統[J].傳感器與微系統,2006,25(9):22-25.

[3] 王汝琳,王詠濤.紅外檢測技術[M].北京:化學工業出版社,2006.

[4] 蔡 鑫.基于紅外技術的野外火災探測系統研究[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[5] 劉燕燕,楊幫華,丁麗娜,等.基于STM32的紅外火災探測系統設計[J].計算機測量與控制,2013,21(1):51-53.

[6] 胡幸江.多波段紅外火焰探測器系統研究和產品開發[D].杭州:浙江大學,2013.

[7] 周向真.基于多紅外波段的火焰探測系統的設計[D].武漢:華中科技大學,2008.

[8] 夏 明,魏東興,姜 濤,等.一種火焰檢測系統的信號處理方法[J].傳感器與微系統,2015,34(12):32-35.

[9] 王啟峰.火焰光譜數據特征提取、分析系統[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[10] 安志偉,袁宏永,屈玉貴.火焰閃爍頻率的測量研究[J].計算機應用,2000,5(3):65-68.

[11] Chang C C,Chu K P,Lai Y C.The characterization and fabrication of pyroelectric infrared sensor[J].Tamkang Journal of Science and Engineering,2005,8(3):203-206.

[12] 徐 薇,楊 衛.一種紅外傳感器陣列探測方法的研究[J].傳感器與微系統,2009,28(9):16-18.

Study of feature extraction of infrared flame detection signal

ZHOU Yong-jie, YU Zhen-hong, YIN Yu

(College of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

In design of infrared flame detector,the selection of characteristic values is the key factor to identify the fire.Firstly,the relationship between the zero point and its corresponding time of flame and heat source are analyzed,linearity of fitting straight line about zero points and time is proposed to be a characteristic value to distinguish the flame and heat source.At the same time,based on the analysis on over zero points and time in different sizes of alcohol lamp flame,the frequency of flame can be calculated by the slope of the fitting straight line,so the proposed slope can be another characteristic value.Experimental results shows that within a certain range,linear relationship between over zero points and its corresponding time of the flame is invariable at certain range,then linearity and slope are proposed to be the characteristic values for flame recognition is feasible.

infrared flame detector; characteristic values; over zero point; linearity

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0008—03

2016—03—20

TP 183

A

1000—9787(2017)02—0008—03

周永杰(1991-)，女,碩士研究生，主要研究方向為紅外火焰傳感器。