本發(fā)明總體上涉及借助于紅外輻射圖像處理的空間中的輻射熱能數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。

背景技術：

由相同申請人公布的ep2801960描述了用于借助于紅外輻射圖像處理來檢測空間中的輻射熱能數(shù)據(jù)的方法，該方法包括如下步驟：

接收空間的紅外輻射中的多個順序圖像，所述圖像中的每一個包括像素陣列，其中，每個像素具有表示溫度的值；

處理所述多個順序系列圖像的連續(xù)圖像以確定滿足預定警報標準的至少一個熱參數(shù)的改變；以及

基于所確定的熱參數(shù)的改變來檢測空間中的事件。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目標是提供一種火災檢測系統(tǒng)，該火災檢測系統(tǒng)可由相對簡單的部件制造但是允許實現(xiàn)高水平的精確度。

出于這個目的，本發(fā)明的主題是一種紅外輻射火災檢測器，該紅外輻射火災檢測器包括彎曲支撐表面以及布置在支撐表面上的多個紅外輻射傳感器，

其中，每個傳感器包括紅外輻射敏感元件的平面陣列、具有相應視線方向以及圍繞視線方向限定的立體視角(solidangleofview)，該視線方向和立體視角限定與傳感器相關的視野，并且

其中，傳感器的視線方向在中心點處彼此相交，并且傳感器以參照中心點的給定角度距離被彼此隔開，傳感器的立體視角具有相同的窄寬度使得傳感器的視野彼此不相交。

另外，本發(fā)明的主題是一種用于通過紅外輻射圖像處理來檢測有限空間中的輻射熱能數(shù)據(jù)的方法，該方法包括如下步驟：

接收空間的多個順序系列的紅外輻射圖像，所述圖像中的每一個包括像素的陣列，每個像素具有表示溫度的值；

處理所述多個順序系列的圖像的連續(xù)圖像以確定滿足預定警報標準的至少一個熱參數(shù)的改變；并且

基于所確定的熱參數(shù)的改變來檢測空間中的事件；

該方法的特征在于：使用至少一個紅外輻射火災檢測器，該紅外輻射火災檢測器包括彎曲的支撐表面以及布置在支撐表面上的多個紅外輻射傳感器，

其中，每個傳感器包括紅外輻射敏感元件的平面陣列、具有垂直于陣列的各自的視線方向以及圍繞視線方向限定的立體視角，該視線方向和立體視角限定與傳感器相關的視野，

其中，傳感器的視線方向在中心點處彼此相交，并且傳感器以參考中心點的給定角度距離彼此隔開，傳感器的立體視角具有相同的窄寬度使得傳感器的視野彼此不相交，并且

其中，由該火災檢測器的相應傳感器檢測每一序列的圖像。

具體地，該方法進一步包括：

識別與所檢測事件相關的源的位置，僅通過火災檢測器的傳感器中的一個直接檢測由源發(fā)射的紅外輻射的第一部分，并且在已經(jīng)通過空間的至少一個表面反射之后，由火災檢測器的至少另一個傳感器檢測由源發(fā)射的紅外輻射的第二部分，根據(jù)檢測紅外輻射的第一部分的傳感器與檢測紅外輻射的第二部分的至少另一個傳感器的視線方向之間的幾何關系來計算源的位置。

利用根據(jù)本發(fā)明的檢測器和方法，能夠容易地且高度可靠地檢測火災的開始，這避免錯誤警報(以量子項評估熵有可能具有小于10^-8的誤差并如此以確保大于10^-6的功能安全水平)。另外能夠安全定位火災的開始，因此允許旨在阻撓所檢測的現(xiàn)象的動作被有效激活(滅火裝置的直接激活、局部和遠程地傳輸具有風險程度的警報消息)。

根據(jù)本發(fā)明的檢測器被適配于有限空間中的系統(tǒng)的任意配置，并且可監(jiān)控360°角度的區(qū)域。

附圖說明

通過下文的參考附圖通過非限制性實例的方式提供的詳細說明，根據(jù)本發(fā)明的檢測器和方法的進一步特征和優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的檢測器的原理；

圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的檢測器的實例的結(jié)構(gòu)；

圖3示意性示出用于圖2的檢測器的熱電堆陣列傳感器的架構(gòu)；

圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明的檢測器的實例的架構(gòu)；

圖5和圖6示出檢測器的單元之間的通信的兩種不同模式；

圖7和圖8示出用于包括多個檢測器的系統(tǒng)的兩種不同操作模式；

圖9至圖13示出根據(jù)本發(fā)明的具有檢測器的能量源的定位的幾何原理；和

圖14至圖16是示出根據(jù)本發(fā)明的檢測方法的一個實施方式的流程圖。

具體實施方式

參考圖1，示意性示出根據(jù)本發(fā)明的以10表示的紅外輻射火災檢測器。檢測器10本質(zhì)上包括彎曲的支撐表面12以及布置在支撐表面12上的多個紅外輻射傳感器14。支撐表面12可具有例如圓柱形狀或球冠形狀。傳感器14大致為點狀，并且例如可以是熱電堆陣列類型。每個傳感器14包括由紅外輻射敏感元件16形成的平面陣列15(在圖3中示出)。陣列15以及每個傳感器的光學器件識別傳感器的垂直于陣列15的相應視線方向sd(圖1)以及圍繞視線方向sd限定的立體視角β。因此，對于每個傳感器14，限定與傳感器14相關的視野。為了簡單起見，在圖1中，角度β被表示為平面角度，同時傳感器14僅被表示在一維分布中。

傳感器14的視線方向sd在中心點c處彼此相交，并且傳感器14以參照中心點c的給定角度距離被彼此隔開。傳感器14的立體視角β具有相同的窄寬度使得傳感器14的視野彼此不相交。

檢測器10內(nèi)的傳感器的數(shù)量為n、其定向、其相互位置被尺寸化以確保待監(jiān)控空間的總覆蓋范圍。

借助于上述布置，每個傳感器與總體監(jiān)控體積的單個區(qū)域相關。因此，隨著時間的推移，每個傳感器14捕獲與其相關的空間的區(qū)域中的一系列紅外輻射圖像(每個圖像由像素陣列形成)。

在“窄”寬度中采用單個傳感器或者利用降低數(shù)量的敏感元件(像素)允許待進行的評估沒有折射和補償誤差，該折射和補償誤差是由于聚焦透鏡和/或輻射波以及邊界條件的過濾這兩者的通常干擾影響而在相鄰敏感元件之間所通常出現(xiàn)的。

位于檢測器10內(nèi)的敏感的j×k個元件的每一個單個傳感器14以角度方式布置，使得其視線方向sd具有與下一個的角度距離為α并且覆蓋視線角度β。γ表示建立相鄰視野的間隙角。該角度γ與輻射波在光學器件(通常為鍺晶體)的相交中的折射角度成正比并且表示誤差讀取校正功能，該誤差讀取校正功能關聯(lián)于與晶格平面有關的反射誤差以及與相對于讀取單元尺寸的波長成比例的邊界誤差這兩者。

角度γ取決于折射以及讀取單元(單個敏感元件)的尺寸，并且因此取決于傳感器的會聚光學器件的曲率以及波長。由于焦點偏移，大的γ值將受到被稱為色差的影響。應用斯涅耳折射定律(snell’slawofrefraction)，得到γ＝[arcsin(n*sin(δ–arcsin((1/n)*sinα)))，其中，n＝1是針對空氣的，α是材料的折射角，并且通過內(nèi)插球形屈光度的方程而得到δ＝(δ)/r*sin((ψ+θn)/2)/sin(ψ/2)。

使用特征為4.0026的折射率以及r＝10mm的曲率半徑的鍺透鏡，在由單個像素β＝(15/x)°覆蓋的角度的情況下，得到等于1.82°的γ值，該值為防止處于角度β1＝((15/x)*(x+1))的相鄰像素受到干擾的影響的限制值。

角度γ也被尺寸化，使得未被傳感器覆蓋的區(qū)域是僅能夠最多引起與火災監(jiān)控的視點無關的事件的這樣的尺寸。

此外，采用有限視覺傳感器考慮到消除或至少降低與角度相關的誤差放大效果通常對在遠離傳感器的光軸的點處進行的測量是特別重要的。

借助于這些效果，能夠包含來自傳感器的總誤差，其第一近似值可大約為10^-8的數(shù)量級。

如上所述，檢測器10的每個傳感器14可以是熱電堆陣列類型，在圖3中示出了該熱電堆陣列類型的通常架構(gòu)。陣列15的每個感測元件16與落入其視野內(nèi)的所有事物的平均溫度相關。隨后，傳感器能夠在避免昂貴的測輻射熱裝置的使用的同時實時再現(xiàn)所觀察溫度的映射。

在圖3所示的架構(gòu)中，每個感測元件16包含放大器級、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)以及具有與絕對溫度(ptat)成比例的輸出以測量芯片溫度的傳感器。元件16以及ptat傳感器的輸出被存儲在ram存儲器中，并且可經(jīng)由來自外部微控制器的i2c接口訪問，該外部微控制器隨后可計算每個像素的溫度。

參考圖4，檢測器10集成微控制器，該微控制器被尺寸化以便以預定的且可配置的頻率獲取保存在傳感器14的ram中的數(shù)據(jù)，來計算每個像素的溫度以便基于預定算法識別熱可能存在的異常，并且將結(jié)果傳遞至中央火災警報控制面板。

作為功能原理，熱異常、預警或警報的存在必須被實時傳遞至中央火災警報控制面板。任意診斷數(shù)據(jù)(相關的狀態(tài)改變)也必須應要求或以未經(jīng)請求的模式以可配置周期實時傳遞至中央火災警報控制面板。中央火災警報控制面板可請求傳遞額外信息，例如，單個像素的溫度或配置數(shù)據(jù)。

為了與中央火災警報控制面板進行通信，提供兩個冗余以太網(wǎng)信道的實現(xiàn)，其使能夠進行環(huán)形和菊花鏈(daisychain)配置。

另外假設檢測器10支持用于存儲配置和庫存數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。

傳感器的netd(熱分辨率)基于ram的刷新率而改變，該刷新率可被設為在0.5hz與512hz之間。處于4hz的netd是0.2k(0.2℃)。更高頻率意味著更高的噪聲水平：頻率可被設為實現(xiàn)刷新率與測量的分辨率之間的期望平衡。

每個熱電堆陣列傳感器被假定為i2c總線上的不可配置的固定地址類型使得有必要使用用于適配在微控制器與傳感器之間的開關/muxdi2c。

參考圖2，作為實施檢測火災的安全功能的電子設備的檢測器10在概念上可配備有：

-具有用于10base-t的ieeestd802.3上的poe支持的兩個隔離以太網(wǎng)端口10-100mbit/secbase-t(x)、ieeestd802.3u100base-tx以及用于poe連接器(螺旋類型)的ieeestd802.3af

-電源端口(具有螺旋連接器)

-用于i/o的可選端口(具有std連接器)。

檢測器10必須以緊湊形式制成并且必須能夠安裝在普通空間的天花板或側(cè)壁上。

為了滿足安全性和可靠性要求，根據(jù)最嚴格的歐洲法規(guī)(例如，en50155)，檢測器必須設置有適當連接器以便即使在沖擊和振動條件下也能確保強大且穩(wěn)定的連接。

圖2以完全指示性的方式示出具有傳感器14的定向和位置的機制的構(gòu)思。作為向?qū)В瑱z測器的最大尺寸被設想為大約100mm，同時傳感器大約為5mm。

傳感器14可安裝在允許所期望定向的印刷柔性或半柔性類型的電路17上。印刷電路將取決于根據(jù)傳感器的數(shù)量、其定向以及其相互位置的應用。在圖2中，18表示微控制器的圖示，并且19表示適配器和接口圖示。圖示經(jīng)由連接器20連接至彼此。

努力效益評估(effort-benefitevaluation)是支持兩個以太網(wǎng)端口之間的硬件旁路特征的能力：在存在電力故障、硬件或軟件故障(在圖5中示出具有停用旁路的配置的實例；圖6中示出主動旁路的配置的實例)時自動激活旁路。利用繼電器實現(xiàn)的旁路功能即使在缺乏電力時也確保激活。

在菊花鏈配置(圖7)中，該功能是特別有用的。在環(huán)形配置(圖8)中，當回路的檢測器故障或鏈路中斷時，可仍然達到其他設備(硬件旁路不必需)。

單個檢測器也可以獨立配置操作：識別預警、警報和診斷狀態(tài)的一組i/o信號將在專用連接器上可用。

上述檢測器經(jīng)由以太網(wǎng)可編程、可升級且可配置。

在圖9至圖13中，表示監(jiān)控空間中的熱源的定位之下的幾何原理。在這些圖中，示意性示出待監(jiān)控的空間或有限體積，例如，貨車w的內(nèi)部空間的一部分。為了本發(fā)明的目的，“有限”意味著至少部分由一組立體表面界定的有限尺寸的體積，在圖中由sa、sb和sc指定。檢測器10施加至有限空間的天花板r。在圖9至圖13中，20表示熱能的源，i表示由檢測器10的傳感器14直接檢測的由源20發(fā)射的紅外輻射的第一部分，并且ii表示在已經(jīng)由空間的表面sa、sb和sc中的至少一個反射之后由檢測器10的至少一個其他傳感器14檢測的由源20發(fā)射的紅外輻射的一個或多個第二部分。

為了更好地描述該方法在其復合功能(compositefunction，復合函數(shù))中的特性，分開考慮兩種基礎邏輯：建立定量變量(檢測)以及確定空間布置(定位)。

檢測

由斯蒂芬-波爾茲曼定律(stefan-boltzmannlaw)提供輻射與溫度之間的相關性，該相關性以關系式q＝εσt⁴表達能量密度q與溫度t之間的關系，其中，ε是發(fā)射表面的發(fā)射率(理論上極限0與1之間的變量)，σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(通用)且等于5.6703x10^-8wxm^-2xk^-4，并且t是絕對溫度。

即，紅外輻射的檢測允許顯示對象的溫度的絕對值及變化，不論它們在可見光范圍中的照明。發(fā)射的輻射量與對象的絕對溫度的第四電力成比例增加。

這允許檢測能量發(fā)射中的“異常”，并且因此以相同發(fā)射率檢測熱異常。

解釋關于熱力學原理的上述定律并且考慮熵的無窮小變化，我們可寫成：

dq/t＝(dq+pdv)/t＝1/t[d(q(t)v)+p(t)dv]＝1/t[q(t)+p(t)]dv+[(v/t)*(dq(t)/dt)]dt

從中

ds/dv＝(q+p)/t＝4u/3t

由于ds是精確差分，故

ds/dt＝(v/t)dq/dt

因為

d/dt(ds/dv)＝d/dv(ds/dv)

-4/3q/t²+4/3q’/t＝q’/t

q＝εσt⁴

因此，就熵而言

s＝4/3εσt³v+常量

該等式是存在于評估算法中的計算功能中的一個的基礎，并且將由傳感器檢測的溫度與由其控制的體積部分相關聯(lián)。

對時間求積分并且根據(jù)相對于有效值的域中的單個能量改變的導數(shù)而評估的溫度值和熵變量的值確定“可分類”事件的條件，該條件用來生成用于介入滅火裝置的“預警”和“警報”的識別功能。

熵變量的表示檢測功能的特征元件的基本參數(shù)是熵在單位時間的變化，該變化對于相同源的所有直接或間接檢測是相同的并且可以利用qx＝m*(εσt⁴)限定，其中，m是由源的“反射”確定的系數(shù)，該系數(shù)也可被視為特征系數(shù)ds/dt(dt)。因此，源可通過其直接和反射能量的發(fā)射來定位。

定位

參考放置在由檢測器控制的空間中的通用位置p中的能量的“源”元件(參見圖9)，如果考慮在點p處，我們可限定從源輻射的并且屬于源和檢測器所屬的相同平面的能量的一系列“向量”，或者表示獨立向量的線性組合的平面跨度(v_1,v_2,...)。

該向量組合允許源被識別并定位。

為了簡化計算邏輯的解釋過程的唯一目的，將暫時參考圖10的限制情況，其中，源位于體積的分割壁上。以此方式，僅限制能量的“反射”的數(shù)量，該數(shù)量是至少一個并且足以限定處理方法。

通過檢查兩個獨立向量u和v以及由它們形成的三角形，并且θ和ψ的值(來自檢測器的數(shù)據(jù))已知，我們有：

b＝l/sinθ；a＝lctgξ；e/sin(180-2ξ’)＝b/sin(180-2ξ”)(歐拉)；c²+d²＝e²+b²-2e*b*cosψ(卡諾)

因此，我們可確定a和l(如果l不已知)。

返回通用配置，對于識別空間中的源的位置的h和d值的確定，進行同樣考慮。為了獲得這些值，檢測器必須能夠讀取至少兩個反射值或圖10的向量v1、v3、v4中的至少兩個。該條件是始終可證實的。

應注意，評估邏輯識別絕對空間基準中的平面(向量u和v的平面)。當該平面被識別時，將其報告至相關系統(tǒng)，因為僅在執(zhí)行進一步評估的該有限維度平面上，所以只考慮包含被考慮向量的平面。如果在另一平面上存在與其他向量更相關的能量值，則這將是基準平面，并且處理將在該平面上繼續(xù)。這允許待準備的數(shù)據(jù)和報告的量顯著降低。

在完成上述內(nèi)容時，為了以最終形式轉(zhuǎn)錄初級算法的基準方程，必須在所檢測的幅度上整合新的概念。

為了參考，假定該系統(tǒng)來自輻射源的視點。

參考圖11，相對于通用源的發(fā)射，已發(fā)現(xiàn)在每個方向上(以及在所有方向上)發(fā)射的輻射是均勻的(相等強度的向量)，并且如對應于qx＝m*(εσt⁴)先前所述的，其中，m表示與任意反射成比例并且作為構(gòu)成反射表面的材料的特征的系數(shù)。對于直接能量，m＝1(不反射)；然而，對于由固體材料制成的其他表面，m將具有0.5與0.95之間的值。認為m的值不影響能量評估的計算，因為它是感興趣的能量的改變而不是其絕對值。

參考檢測器的視點，如圖11中所示，檢測器的單個傳感器的視野是開孔β的錐體?？紤]參考單個像素的等于β/n的角度，其中，n是傳感器在基準方向上的像素的數(shù)量，輻射源的視野通過所有錐體的相交而可被識別。

因為傳感器都相同，所以在所有方向上的視角β/n是相同的。如果我們從傳感器的視點觀看源，則在直接輻射和反射輻射的方向上，我們發(fā)現(xiàn)各種錐形梁的相交圍繞我們的源，并且所識別的體積與傳感器與輻射元件之間的實際距離成比例。因此，該體積被確定。

現(xiàn)在我們參考圖14至圖16所示的流程圖(分別表示組合算法、具有滅火命令的組合算法以及僅用于熱檢測的簡單算法)描述用于熱數(shù)據(jù)的檢測、“異常”熱源的定位以及滅火命令的算法。

檢測器的邏輯功能流程圖

示圖提供涉及具體和/或發(fā)展環(huán)境條件的四種功能狀態(tài)。

以時間間隔(t)讀取溫度值：

空閑(idle)對于每個像素，將在時間間隔(t)中檢測的溫度值與閾值twrn相比較，如果超過該閾值則切換至下一狀態(tài)。

警告(warning)對于警告中的每個單個像素，溫度值被存儲在尺寸為n1(其中，該值還確定觀察時間間隔)的fifo緩沖器中，如果緩沖器已滿，則計算并存儲以下值：

δt＝tn1–t0w：緩沖器中的最后一個值與第一個值之間的溫度差

tmp＝σn1tbuf：所存在值的平均溫度

q＝εσt⁴：所存在值的能量密度

sn＝4/3εσtn³v：所存在值的熵

dsn/dt＝kn：觀察周期中的熵變化

將值δt與閾值δtpre進行比較。

將kn值與kpre閾值進行比較。

如果都超過兩個值的閾值，則緩沖器將被清空并且將通過執(zhí)行與火災保護系統(tǒng)有關的任意必要操作(mt截止、阻擋通風、關門等)而發(fā)起預警(prealarm)狀態(tài)。

如果未超過閾值，則執(zhí)行進一步比較以評估是否保持處于警告(warning)狀態(tài)或返回至空閑(idle)。如果tmp或kn大于閾值，則警告(warning)狀態(tài)繼續(xù)并且舊的溫度值被重寫。否則，緩沖器被清空并返回至空閑(idle)。

如果超過tmp或kn的閾值，則進行關于與警告(warning)狀況相關的區(qū)域周圍的所有區(qū)域值的進一步檢查，即，使用相同程序轉(zhuǎn)錄、監(jiān)控并重新計算八個相鄰區(qū)域的值以便計算并監(jiān)控事件的蔓延，即使這些值未達到閾值。觀察狀態(tài)保持直至警告(warning)值返回。如果該算法被激活的話，則該算法實現(xiàn)用于計算滅火劑的量。

預警(prealarm)對于預警中的每個像素，溫度值被存儲在尺寸n2的fifo緩沖器中。如果緩沖器已滿，則計算并存儲以下值：

δt＝tn2–t0p：緩沖器中的最后一個值與第一個值之間的溫度差

tma＝σn2tbuf：緩沖器中的平均溫度值

將值δt與閾值δtalm進行比較。

如果在時間tk內(nèi)，超過δtalm和kn閾值的值持續(xù)，

則緩沖器將被清空并且系統(tǒng)將進入警報(alarm)狀態(tài)。

如果閾值未被超過，則將執(zhí)行進一步比較以評估是否仍然處于預警(prealarm)狀態(tài)或返回至警告(warning)，如果tma大于tmp，則系統(tǒng)保持處于預警(prealarm)并且舊的溫度值被重寫，否則執(zhí)行與發(fā)出預警(prealarm)狀態(tài)相關的任意動作(mt同意、打開通風、打開門等)，舊的溫度值被重寫并且系統(tǒng)將返回至警告(warning)狀態(tài)。

如果閾值未被超過，則將執(zhí)行進一步比較以評估是否仍然處于預警(prealarm)狀態(tài)或返回至警告(warning)，如果tma大于tmp，則系統(tǒng)保持。

在轉(zhuǎn)換至預警(prealarm)狀況時，以精確方式激活確定事件的定位和程度的所有功能。

|dsn/dt＝kn|dt->確定攜帶比例m值的最顯著輻射，即，mn＝kn*m(計算可被舍位至前三個有效值)

根據(jù)傳感器確定源的特征角度：角度ψ、θ、χ、δ

通過用于每個反射的歐拉卡諾(eulerandcarnot)方程計算反射角ξ’、ξ”…ξⁿ

|e/sin(180-2ξ’)＝b/sin(180-2ξ”)|

|c²+d²＝e²+b²-2e*b*cosψ|1,n

基于這些值，能夠得出發(fā)射的每個單獨輻射的實際距離(圖13)

l1＝la1+lb1->ln＝lan+lbn

導出自各種錐體的相交的體積是：

v＝(l¹1+l¹2+l¹3)*tg(β/n)

假定所述體積由通用燃燒材料的組合物(諸如通常存在于民用空間中的那些)組成，并且因此，由相同百分比的紙(木頭)、棉花和聚酯組成。這些材料具有q＝18mj/kg的熱值以及δ＝0.8kg/dm³的平均密度。因此，所述材料可開發(fā)的能量勢等于e＝q*δ*v

所需的滅火劑(例如，水)的量等于e/2.272(kg)(值2.272由水蒸汽的潛熱給出)，該值必須保守乘以3的安全因子。

警報(alarm)檢測火災的開始并執(zhí)行對應動作(激活聽覺/聲學信號、激活滅火等)。

上述邏輯允許人們在從初始閾值開始的2個步驟中執(zhí)行檢測。該值必須盡可能地減輕空閑(idle)平臺中的微控制器的計算權重。

評估轉(zhuǎn)換為預警或警報所需的比較(以及ram中的緩沖)只出現(xiàn)在分別位于警報和預警狀態(tài)中的像素上。

該模型使用戶能夠管理不嚴格統(tǒng)一的火災的趨勢。

n1、n2、twrn、δtpre以及δtalm的值是隨參數(shù)變化的，使得操作配置可在不同區(qū)域中改變。