專利名稱：粒子檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改進型傳感器裝置和改進的感測方法，尤其涉及一種改進粒子檢測器與檢測粒子的方法。
背景技術：
檢測某一區(qū)域諸如房間、建筑物、腔室或空間內(nèi)的煙霧有多種方法。有些方法涉及到對該區(qū)域的空氣采樣，并讓采樣的空氣通過一檢測室，從而檢出粒子，估算有關區(qū)域內(nèi)的煙霧量。這種裝置在吸入型煙霧檢測器諸如申請人出售的Laser PLUS 里作了說明。其它檢測器置于有關區(qū)域內(nèi)，用傳感器檢測在其附近的粒子。這種檢測器的一示例就是點檢測器，其中空氣在發(fā)射體與傳感器之間通過，可直接檢測有關區(qū)域內(nèi)的煙霧。在這兩種場合中，若煙霧不進入(吸入型檢測器的)采樣點或者不在點檢測器的傳感器與發(fā)射體之間通過，就檢不出煙霧了。由于許多建筑物用諸如空調(diào)器的空氣處理裝置抽出某一區(qū)域的空氣，因而不一定能檢出煙霧，而煙霧卻能通過空調(diào)管道流出該區(qū)域。在室外區(qū)域或極大的室內(nèi)劇場，可能沒有合適的地方安置點檢測器或采樣點并連接管線，故極難應用上述的煙霧檢測方法。其它煙霧檢測器包括美國專利3，924，252 (Duston)揭示的檢測器，它用激光器與光電二極管檢測粒子散射的光。這種設備用轉角反射器在發(fā)射體處將光反射回。Duston要求反饋電路檢測光束發(fā)射還是受阻。另一種檢測器稱為“束檢測器’，可測量投射光源的信號強度由懸浮在投射光里的煙霧粒子造成的衰減。這類檢測器的靈敏度較低，只能測量輻射區(qū)內(nèi)的總衰減。本說明書所論及的任何文檔、設備、動作或知識，都用來說明本發(fā)明的內(nèi)容。在澳大利亞或其它地方，在本文揭示內(nèi)容與權項的優(yōu)先權日期之前，不能認為任何內(nèi)容構成了原有技術基礎或相關領域常規(guī)知識的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
在一個形式中，本發(fā)明提出的粒子檢測法把輻射束射入被監(jiān)視區(qū)域，檢測該區(qū)域表明存在粒子的圖像變化。根據(jù)以上方法，實施該法的其它步驟和優(yōu)選實施例的特征，包括以代表被監(jiān)視區(qū)域對應區(qū)段的圖像標識有關表面。區(qū)段內(nèi)的散射輻射可用相應圖像的一塊或多塊表示，從而標識粒子在該區(qū)域內(nèi)的位置。根據(jù)發(fā)射輻射源發(fā)射輻射方向與其中圖像檢測點之間的位置的幾何關系，可以測定粒子的位置，該幾何關系根據(jù)圖像決定。檢測的變化可以是散射輻射強度的增強，散射輻射強度增強可參照閾值評估，而該閾值通過均化積分的圖像強度值計算。該方法包括對區(qū)域內(nèi)不同的空間位置指定不同的閾值。該方法包括沿一條通路引導輻射并標識圖像里的目標，該目標代表輻射在區(qū)域內(nèi)某一客體表面上入射的位置。監(jiān)視目標在圖像內(nèi)的位置，并按目標位置變化中止輻射出射。該方法包括標識發(fā)射體在圖像中的位置。另外，該方法還包括根據(jù)發(fā)射體標識的位置的輻射強度確定該發(fā)射體的操作狀態(tài)。 可將圖像處理為幀，這些幀被分成代表監(jiān)視區(qū)域內(nèi)空間位置的分段。而且，該方法還包括監(jiān)視有關圖像分段里的強度等級，對區(qū)域內(nèi)對應于諸有關分段的不同空間位置指定不同的閾值。在另一個方面中，本發(fā)明提供了監(jiān)視某一區(qū)域的設備，包括將含有至少一個預定特征的輻射束導入該區(qū)域的發(fā)射體；獲得至少一幅區(qū)域圖像的圖像捕獲器；和為檢測圖像間至少一個特征的變化而分析至少一幅圖像并指示區(qū)域內(nèi)存在粒子的處理器。處理器能按照其中發(fā)射體、引導輻射束和圖像捕獲器的位置之間的幾何關系確定粒子位置，幾何關系由分析的圖像決定。該設備包括多個排列成沿不同的各別束通路引導輻射的發(fā)射體，還包括一個或多個濾波器，使圖像捕獲器比其它源輻射更優(yōu)先地捕獲發(fā)射體的輻射。濾波器可以是下列濾波器中的一種或多種或組合；時間濾波器，空間濾波器，帶通濾波器，偏振濾波器。圖像捕獲器較佳地包括一衰減器，該衰減器包括一可變孔徑器?？梢允褂枚鄠€圖像捕獲器。較佳地，圖像捕獲器有一攝像機。而且較佳地，發(fā)射體含一激光器。在又一個方面，本發(fā)明提供一種檢測粒子的方法，包括步驟；確定輻射束通路，包括設置第一圖像捕獲器觀察輻射源和至少一部分輻射束通路；把源位置傳到處理器；設置第二圖像捕獲器以觀察輻射束撞擊點；把相關的撞擊點位置信息傳到處理器；根據(jù)源位置與撞擊點位置信息之間的幾何關系確定束通路。在再一個方面，本發(fā)明提供一種檢測粒子的方法，包括步驟；確定含輻射束通路的有關區(qū)域，包括用圖像捕獲器確定第一點，即束的源位置；確定第二點，即輻射不與圖像捕獲器視場的交點，按照第一和第二點確定束通路；計算含確定束通路的有關區(qū)域。確定第二點的步驟用至少一根基本上透明的探測器執(zhí)行，探測器較佳地在定位后移離束通路。在另一個方面，本發(fā)明提供一種在有關區(qū)域內(nèi)的一個或多個子區(qū)域測定煙霧等級的方法，包括；在區(qū)域內(nèi)引導輻射束，用圖像捕獲器選擇至少一部分束通路的視圖，測定輻射源相對圖像捕獲器的位置，測定束相對圖像捕獲器的方向，把輻射束分成若干塊，確定諸塊與圖像捕獲器之間的幾何關系，調(diào)節(jié)每塊圖像捕獲器接收的光度的顧及幾何關系。塊包括至少一個像素，諸塊較佳地組合成煙霧檢測子區(qū)域。在還有一個方面，本發(fā)明提供了檢測粒子的設備，所述設備包括按預定指令集操作的處理器裝置，所述設備與所述指令集一起執(zhí)行本文揭示的方法。本發(fā)明在諸實施例中設置了一種計算機程序產(chǎn)品，包括；計算機可用媒體，具有在所述媒體上實施的計算機可讀程序代碼與計算機可讀系統(tǒng)代碼，用于在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)內(nèi)檢測粒子，所述計算機程序產(chǎn)品包括在所述計算機可用媒體內(nèi)的計算機可讀代碼，用于執(zhí)行本文描述的方法步驟與方法。構成本發(fā)明一部分說明的其它諸方面、優(yōu)點與特征，都在本說明書中予以揭示和/ 或在所述權項中加以限定。根據(jù)以下給出的詳述，本發(fā)明的適用范圍就更清楚了。但應理解，詳細描述與特定實例雖然表示了本發(fā)明的諸優(yōu)選實施例，但是只作為示例而已，因為根據(jù)這一詳述，本領域的技術人員顯然將明白落在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)的各種變化與修正。


相關領域的技術人員通過參照以下結合附圖所描述的諸優(yōu)選實施例，能更好地理解本發(fā)明的進一步內(nèi)容、改進、優(yōu)點、特征與方面，這些附圖只作示例，故并不限制本發(fā)明的范圍，其中；圖I不意表不檢測器系統(tǒng)實施例的側視圖；圖2示出圖I中檢測器系統(tǒng)的圖像捕獲器與發(fā)射體位置實施例的俯視平面圖；圖3示出圖2的圖像捕獲器所攝圖像的示意透視表示；圖4對圖I的檢測器系統(tǒng)示出信號處理的系統(tǒng)概要工作流程；圖5示出圖I實施例中被圖像捕獲器捕獲的數(shù)據(jù)塊的圖示表示；圖6示出圖I實施例中被圖像捕獲器捕獲的數(shù)據(jù)積分的圖示表示；圖7a_c示出說明圖I的檢測系統(tǒng)執(zhí)行的背景消除的圖像；圖8示出在與圖I檢測器系統(tǒng)操作一起使用的軟件實施例中，用于計算像素半徑的方法的圖示表示；圖9是本發(fā)明檢測器系統(tǒng)第二實施例的俯視平面示意圖；圖10是本發(fā)明檢測器系統(tǒng)第三實施例的俯視平面示意圖；圖lla-c是本發(fā)明檢測器系統(tǒng)第四、第五與第六實施例的俯視平面示意圖；圖12不出圖I 一部分檢測器系統(tǒng)的不意表不；圖13示出從圖I檢測器系統(tǒng)的圖像捕獲器捕獲的圖像數(shù)據(jù)的示意表示。
具體實施例方式圖I示出粒子檢測器10的實施例。檢測器10位于被監(jiān)視區(qū)域12內(nèi)。該區(qū)域可能是房間、體育場、門廳或其它區(qū)域，該區(qū)域不必封閉或在室內(nèi)。圖像捕獲器14觀察至少一部子區(qū)域12，包括含來自發(fā)射體16的電磁輻射的一部分。圖像捕獲器14可以是攝像機或者一臺或多臺構成方向敏感電磁接收機的設備，諸如光電二極管或CCD。在該實施例中，圖像捕獲器14是攝像機。在本例中，攝像機14應用捕獲圖像的全幀捕獲法將模擬視頻信息沿通信鏈路18發(fā)送到處理器20。不必使用全幀捕獲法， 但是為了在獲取圖像、操作效能與減少安裝限制方面實現(xiàn)工程簡化，應用全幀捕獲法較佳。 本領域的技術人員應理解，可以應用其它圖像捕獲器14，諸如行轉移攝像機，還可應用補償全幀捕獲效率的方法。另一條通信鏈路22把發(fā)射體16接至處理器20。處理器20控制發(fā)射體16的輸出和/或通過通信鏈路22接收關于發(fā)射體16輸出的信息。另外，發(fā)射體16的狀態(tài)可用攝像機14檢測，或按下面揭示的方法被自動測定。在較佳實施例中，發(fā)射體16是一激光器，產(chǎn)生可見、紅外或其它合適的輻射。激光器16可以配有透鏡21和空間濾波器， 諸如視場限制器23。光束在通過同質媒體行進時不散射，只在出現(xiàn)不規(guī)則時才散射。因此在出現(xiàn)粒子諸如霧粒時，激光束將散射。另根據(jù)較佳實施例，激光器16可被調(diào)制，例如激光器按指定的序列“開”、“關”。無煙霧時，包括激光束的捕獲圖像中的像素強度一樣，與激光器的狀態(tài)無關。有煙霧時，激光器16接通(由于散射)與關閉時，捕獲圖像的強度有一差值。圖I示出的選用濾波器，其形式為偏振濾波器24和帶通濾波器26。偏振濾波器 24允許發(fā)射體16發(fā)出的電磁輻射通過。而防止某些背景光進入攝像機14。若發(fā)射體16 是發(fā)射偏振光的激光器，這樣是有利的，于是偏振濾波器24就能對準激光束的偏振角，允許激光最大傳輸，同時除去了通常來自隨機的或非偏振光源的某些背景光。第二濾波器26 是帶通濾波器，只允許在預定頻率范圍(即發(fā)射體16的電磁輻射頻率)內(nèi)的光通過，例如可將干涉器濾波器或著色凝膠用作帶通濾波器26。使用帶通濾波器(例如，若使用該頻率的紅色激光器，基本上只讓640nm的光通過)，將除去大量背景光，提高區(qū)域12內(nèi)從懸浮在空氣中的粒子散射的相對光強度。其它濾波法像下述那樣包括調(diào)制激光器和應用系統(tǒng)元件的定位信息。圖像捕獲器可用衰減器控制接收的輻射。可以使用可控的中性密度濾波器結構， 或者衰減器采取以可變孔徑控制強度的形式?？捎眠x擇的可調(diào)光圈24a控制曝光等級，安裝時可以人工設置，或者系統(tǒng)按入射的光級自動設定曝光，理由是為了盡量減小或避免攝像機飽和，至少在后續(xù)處理中所用的視場部分。光圈24a可以是機械光圈或LCD光圈或者任何其它減少進入攝像機的光量的裝置。有些電子攝像機配用了電子快門，此時可用快門時間代替光圈24a控制曝光。圖中還示出了空間濾波器24b，例如可以包括一條對攝像機 14有效地遮蔽入射光的縫隙。例如，縫隙可以遮蔽在攝像機14的入射接收的光，通常符合激光束的形狀，似乎被投射于攝像機14透鏡的平面內(nèi)。物件26、24a、24b和24可在物理上按各種順序或組合方式定位。使用中，諸如來自發(fā)射體16的紅色激光的電磁輻射，通過區(qū)域12而撞擊壁或吸收體28。攝像機14的視場至少包括部分激光通路或者激光器在壁上的撞擊點，此時撞擊在吸收體28上。該區(qū)域內(nèi)與激光器相關的空氣中的粒子，此時由粒子團30代表，將使激光散射，有些從粒子散射的光將落在攝像機14的傳感器上而被檢出。在圖I實施例中，攝像機14向處理器20的視頻捕獲卡32輸出模擬信息，視頻捕獲卡32把模擬信息轉換成數(shù)字信息，再被計算機34處理。處理由在計算機34上運行的軟件36執(zhí)行，這在后面再描述。較佳實施例中，處理是為了解釋捕獲的圖像，使圖像平面對應于或映射到激光束上的相應位置。一旦獲得了系統(tǒng)諸元件預定的定位或位置信息，就可用較為簡明的幾何學與三角學實現(xiàn)。在其它實施例中，可以使用能捕獲數(shù)據(jù)并將其以數(shù)字方式發(fā)送給處理器20的攝像機14，不需要視頻捕獲卡32。再者，可將攝像機14、濾波器24與26、處理器20和光源16 集成為單個或多個單元。而且，可用嵌入系統(tǒng)提供至少是處理器20的功能。只要能向處理器20提供數(shù)據(jù)形式的圖像信息，就能在本申請中應用多種攝像機 14配置。圖I實例中，用激光調(diào)制器38改變發(fā)射體16的功率。為適應照明條件，滿足護目要求并提供開/關調(diào)制，可改變功率電平。本例中，攝像機14每秒捕獲30幀，發(fā)射體16 — 幀開、一幀關地循環(huán)。對每幀都檢測區(qū)域內(nèi)的光量，在激光器關閉時的區(qū)域內(nèi)的光總量從激光器打開時收到的光總量中減去。這些總量針對若干幀。在激光器開與關時收到的光總量之差，作為該區(qū)域內(nèi)散射量的量度。作為報警，設置一閾值差，若超過該差值，就激活報警， 這樣可將檢測器10當作一種粒子檢測器。由于測量粒子散射的光成為一種判斷區(qū)域內(nèi)是否存在煙霧的方法，所以可將檢測器10用作煙霧檢測器。下面提供更詳盡的抵消、濾波與軟件的內(nèi)容。可將檢測器10設置成在指示報警或預警條件前一直等待到在預定時段內(nèi)被測的散射超過了指定的閾值。對檢測器10測量報警或預警條件的方式可類似于在腔室內(nèi)應用激光器的吸入型煙霧檢測器諸如Vision Fire and Security Pty公司出售的VESDA Laser PLUS 煙霧檢測器所用的方法。圖2示出圖I實施例的俯視圖。攝像機14的視場為Θ，此時覆蓋了幾乎所有的區(qū)域12，而區(qū)域12可以是樓內(nèi)一房間。一般把來自發(fā)射體16的光導向攝像機14，但不直接指向鏡頭。因而有一個被攝像機14與發(fā)射體16之間的虛線和激光束方向所對的角度。該角度可能處于水平面，如圖2中用角z表示，和/或處于垂直面,如圖I中用角X表示。激光束不直接撞擊攝像機鏡頭。然而，激光束通路將處于攝像機14的視場內(nèi)，如圖3所示。物理系統(tǒng)變化有時希望在系統(tǒng)中應用多個發(fā)射體，這樣能遵守規(guī)定，提供支援，或幫助覆蓋比單個發(fā)射體能覆蓋的更大的地區(qū)。若要求覆蓋較大面積，可應用多個發(fā)射體，從而在區(qū)域內(nèi)若干不同的位置檢測煙霧。圖9示出的一種結構在諸如房間52的一區(qū)域內(nèi)設置了攝像機50。若要求穿過大面積檢測，可在房間四周分布多個激光器54和55來覆蓋。圖9示出兩組發(fā)射體，來自組54的發(fā)射體瞄準點56，發(fā)射體55瞄準點57。攝像機50觀察點56與57，或不觀察點56與57。攝像機50利用把點56與57的圖像投入其視場的光學裝置，例如置于攝像機50前方的后視鏡(未示出)，就能觀察點56與57。同樣地，棱鏡或其它光學系統(tǒng)也能得到這一結果。另外，發(fā)射體54與55可以同步或者輪轉，若攝像機50能檢測輻射著陸點，就可用攝像機檢出的輻射驗證該發(fā)射體正在工作而未受阻。其各個發(fā)射體連續(xù)地或以任何非線性相依的方式序列被接通與關閉，就能對它們進行檢測，故能應用時序信息在任一時刻檢測哪一個發(fā)射體被接通。還有，知道了哪個發(fā)射體在發(fā)射，可讓檢測器在被保護區(qū)內(nèi)對諸子區(qū)域定位，并確定任何被檢粒子相對子區(qū)域定位的地方。實際上，可以測定已被粒子散射的輻射束。發(fā)射體54和55無須都在目標56和57上交叉，可以沿若干目標或相互交叉地分布到其它目標上。圖10示出另一種方式，激光器58和59對準得離開攝像機60，攝像機60能檢測來自在點61與62擊中墻的激光的光。若這些點的任一點消失了，則檢測器系統(tǒng)就知道激光器之一有故障，或者有東西阻塞了激光的通路。若激光器受阻，則阻塞激光的物體一般也反射光，因而激光光斑將偏離已知的目標區(qū)，即原來的點61或62。攝像機能檢測光斑偏移并發(fā)出報警聲切斷激光器。這很重要，若激光器未顧及眼睛安全更顯重要。另一種故障檢測法在虛假物件諸如星形致與輻射束相交而造成散射時使用。發(fā)射束的偶然移動，例如由于發(fā)射體橫向平移，可避免這種散射輻射的誤檢測。
圖10示出的第二攝像機63可以連接系統(tǒng)以提供附加的觀測。較之單一攝像機， 使用兩臺攝像機可以更準確地檢測煙霧區(qū)，而且附加的觀測可對同一顆粒物提供不同散射角度的散射信息。這種數(shù)據(jù)可以鑒別不同粒度分布或散射特性的材料，這樣又可減小系統(tǒng)對可能引起誤報警的噪擾粒子諸如灰塵的敏感性。使用一個或多個發(fā)射體，改變散射角、發(fā)射輻射波長、偏振旋轉、被觀測散射的偏振平面和更改發(fā)射與檢測的時序，都可鑒別不同的粒子。圖Ila中，攝像機64觀察穿過房間的兩個激光器65和66。圖Ilb使用的激光器則朝攝像機67回反射，使房間覆蓋更佳，可捕獲正向和反向散射光。本例中，處理器10包括運行奔騰4芯片、視窗2000操作系統(tǒng)的個人計算機?，F(xiàn)有諸實施例的一個重要方面是信號處理，下面參照圖4詳細討論。圖4是一數(shù)據(jù)流圖，其布設可為本領域的技術人員理解。為便于參照，本例的信號處理用稱為LVSD軟件的檢測器10的軟件執(zhí)行。參照圖4時要注意，數(shù)據(jù)流線路指示在處理不同階段的圖像數(shù)據(jù)流、陣列數(shù)據(jù)流和單純的數(shù)字或結構數(shù)據(jù)流，因而描述的某些處理功能可以處理更密集的圖像數(shù)據(jù)或者不密集的數(shù)字數(shù)據(jù)。正如本領域的技術人員理解的那樣，在各個階段選用執(zhí)行這些處理功能的元件與軟件實體，可以達到工程效率。激光器狀態(tài)測定圖4的步驟401測定激光器狀態(tài)。為測定某特定幀的激光器狀態(tài)，本例的LVSD軟件依賴于具有攝像機視場內(nèi)的激光源。指定的有關小區(qū)域包括激光源輻射，該區(qū)域的中心置于激光源光斑的初始位置。 算出區(qū)域內(nèi)平均像素值。然后與閾值比較，判斷圖像記錄了激光器接通還是斷開。該閾值是檢峰器與檢谷器輸出的平均值，兩輸出通過平均饋送。在未出現(xiàn)新的峰或谷時，各檢測器都執(zhí)行返回當前平均值的指數(shù)衰變。時間常數(shù)以幀設定，其值較佳為10。該技術被證明為相當實用。另一種方法是在矩形內(nèi)用一固定閾值尋找一個或多個超出平均值的像素。在激光器開/關切換更緊密的耦合幀采集的實施方案中，可以不需要該功能。但是仍能實行雙重檢驗，即激光源未被遮蔽且強度正確。激光器位置在圖4的步驟401，重心算法估算激光源在被監(jiān)視區(qū)的像素坐標。該定位信息在每一“激光器開”圖像時有選擇的修正，以便補償激光源或攝像機位置因固定件和/或建筑隨時間而出的偏移。影響穩(wěn)定性的因素包括樓墻移動、安裝點剛度等。更準確地說，前一步驟(激光器狀態(tài)測定)建立的閾值從圖像中減去，負數(shù)被截為零。用于狀態(tài)測定的同一矩形的重心就得出激光光斑的(X，y)坐標。計算中把像素值處理為權重。另一種技術把前述的區(qū)作為圖像并計算大量已知“發(fā)射體關狀態(tài)”圖( 50幅) 的平均值，然后從已知被發(fā)射體開捕獲的最新圖像中減去該平均值。再對圖像數(shù)據(jù)應用前述的重心算法，估算光斑位置。計算有關區(qū)域和背景抵消在圖4的步驟403，計算有關區(qū)域。在圖4的步驟404，執(zhí)行背景抵消。在背景抵消期間結合使用了內(nèi)插法與幀扣除法，以減少來自圖像的干擾時間變量與不變量信息。該圖像被分割成三個有關區(qū)域，如圖5所示。背景被分成背景區(qū)域101和103，還有一個積分區(qū)域102，這些區(qū)域定期修正，以便反映任何檢出的激光源位置變化。選擇有關區(qū)域的形狀， 反映出散射輻射圖像中精密位置的不確定性。圖5中，攝像機不能觀察發(fā)射輻射的擊墻點， 故不知道準確的發(fā)射輻射通路，由此形成了隨著離開發(fā)射體的距離增大而擴展的有關區(qū)域 102。一種人工測定發(fā)射輻射通路的方法是測試該發(fā)射輻射的位置，具體做法是先臨時阻斷輻射并檢驗其位置，然后將數(shù)據(jù)人工輸入處理器?；蛘?，可將一個或多個基本上透明的板件形式的探測器插入輻射束，在入口和出口將出現(xiàn)來自該板件的某種散射，在圖像中形成一個或多個參考點，據(jù)此算出要求的積分區(qū)與背景區(qū)。在例如在潔凈室或危險環(huán)境中可用該檢測器檢測粒子的應用場合中，可將這些室內(nèi)的窗口當作基本上透明的板件，因而這些板件可以建立束通路而不必闖入這些環(huán)境去安裝檢測器系統(tǒng)元件。窄的積分區(qū)旨在減少來自像素的噪聲作用，這類噪聲無貢獻散射信號，還能讓背景區(qū)域更接近積子區(qū)域，這樣能更好地估算用于校正激光器關圖像的照明等級的校正系數(shù)。積分區(qū)域102含有發(fā)射輻射通路，在背景抵消期間則使用每一邊的區(qū)，即背景區(qū)域101和103。這些區(qū)域一般為三角形，即離激光源越遠就越寬。這一點是必需的，因為雖然知道了準確的輻射光斑位置，但是通路的準確角度并不明確，因而在攝像機不能看到輻射終止地點時，通路的另一端要求較大的容差。在集中區(qū)域較厚的部分，因像素多而噪聲大，但好在各像素代表一段較短的通路，故單位長度的大量樣本可以更好地求平均。若攝像機能看到輻射終點，則其位置的不確定性很小，有關區(qū)域不必像圖5那樣發(fā)射得很寬。對亮度補償系數(shù)的內(nèi)插選用了兩個背景區(qū)域101、103，以便在激光器關圖像中校正輻射通路任一側的背景照明的時間變化。例如在輻射通路任一側因兩個不同的獨立時間變化光源引起的照明變化。通過將三個區(qū)101、102、103沿輻射通路長度細分成若干塊并對每次細分進行計算，還可將該原理擴展成沿該通路補償變化，不只是通路的任一側。背景抵消算法將η個“開幀”與m個“關幀”相加——這些幀的序列隨選。從“發(fā)射體開”幀里減去“發(fā)射體關”幀之前，“發(fā)射體關”幀用系數(shù)f標定，以便補償圖像照射等級的變化，這樣有利于強度迅速變化的人工照明。得出的圖像包含η個“發(fā)射體開”圖像與 m個“發(fā)射體關”圖像之間的任何差異，圖6圖示了這一點。運用內(nèi)插法，用激光器開幀與關幀之間的背景變化比確定標定系數(shù)f
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Μρη] + MotilKMojr\ MoJJ-7 y 卜 2式中μ是下標指定的激光器開幀或關幀內(nèi)指定背景區(qū)域里的像素強度平均值。若處理器不能快得跟上全幀速率，就要求有一種能隨機選擇被處理幀的方案。由于對背景抵消應用了 η個激光器開幀和m個激光器關幀，同時要等待累積這一幀數(shù)，故可丟棄任何多余的激光器開幀或關幀。另可應用一種鎖定步同步技術，向計算機饋送激光器相對捕獲圖像的狀態(tài)的信息。在任一,清況下，該技術工作時，至少要求一個開巾貞和一個關中貞。上述抵消方案的一種替代法是直接扣除激光器開幀與激光器關幀?？蓪Ρ姸嚅_幀與關幀進行相加或求均或者低通濾波，相加、求均或濾波在扣除之前和/或之后執(zhí)行。背景抵消得出的圖像主要包括發(fā)射體的散射光、某種殘留背景光與噪聲。
幀積分圖4步驟405作幀積分。將若干背景抵消的幀進行相加、求均或低通濾波，得到減噪的散射光圖像。通過均化若干幀，減小了與激光器開/關切換無關的干擾，得出要的(相關的)散射信息。背景抵消與幀積分步驟使用的總幀數(shù)，通常近100(即約視頻的3秒鐘)。 積分周期較長或濾波器截止頻率較低，可改善信噪比，能通過犧牲響應時間構成較高靈敏度的系統(tǒng)。參照圖7a 7c，圖像序列表明了背景抵消與積分在散射光檢測中的作用。圖像強度標定得對肉眼有較佳的可視性。通過用本申請人出售的VESDA LaserPLUS 檢測器測量，整條束的粒子模糊度約為每米O. 15%。圖7a示出原始視頻，圖7b著重積分區(qū)域，圖7c 強調(diào)在背景抵消與積分之后存在煙霧的散射光。散射與半徑計算在圖4步驟406，計算作為發(fā)射體半徑的函數(shù)的散射。可用本方法糾正強度沿束因系統(tǒng)幾何形狀與散射引起的變化。例如相對在捕獲圖像的像素中測出的離激光源的半徑， 計算積分區(qū)域內(nèi)含散射光級的數(shù)據(jù)陣列。由于半徑弧度覆蓋了積分區(qū)里若干像素，故每個像素在指定半徑范圍內(nèi)的強度被加在一起。圖8示意表示以發(fā)射體為中心的弧度分割積分區(qū)域的情況。圖8中，三角形80代表預期的積分區(qū)，弧度代表離激光源的不同半徑。位于一對弧度間的每個積分區(qū)部分有其被加的像素，將和值送入散射光數(shù)據(jù)陣列。對于兩弧度間不清晰的像素，可用對應于這些像素的計算半徑的舍入或舍位法解決模糊性。計算幾何結構在圖4步驟408,確定系統(tǒng)單元/元件的幾何結構。上述每個像素(或像點)相對于散射容積都對應于一特定的幾何結構，這種像點通常示于圖12。因而在每個這樣的點或像素，可測定下列參數(shù)；Θ——散射角，r——離激光源的距離(米)，D—攝像機到激光源的距離，L——指定點的一個像素沿輻射束觀測的物理長度。然后，對一實際系統(tǒng)測定對應于指定半徑r的像素的校正強度，其中將像素強度乘上以下在“散射角校正”一節(jié)所討論的預定散射增益值，該增益對應于指定的半徑和相對于無損各向同性散射計算的指定散射角。建立得出的散射數(shù)據(jù)陣列。散射角校正散射角校正在邏輯上按圖4步驟409確定。作為輸入，程序需要一個散射數(shù)據(jù)文檔，它對指定的材料包含了散射角及其相應的增益。文檔里的數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗校正處理產(chǎn)生， 包括各種煙霧的平均值。在以上幾何計算中確定的每個散射角，求出每一散射角的增益。來自輸入散射數(shù)據(jù)文檔的數(shù)據(jù)經(jīng)線性內(nèi)插，算出每一散射角的正向增益近似值。計算煙霧與半徑在圖4步驟407，測定指定束半徑的煙霧。把散射數(shù)據(jù)陣列逐個像素地轉換到煙霧度，要求輸入數(shù)據(jù)D、d與Qi，如圖12所示。也可應用限定該幾何結構的長度或角度的任意組合。D是攝像機82到發(fā)射體84的距離，Θ i是攝像機82與發(fā)射體84的直線同對應于發(fā)射體84輻射通路的直線之間的夾角，d是垂直于發(fā)射輻射而與攝像機入射孔相交的直線的長度。根據(jù)這一信息，可用三角學與幾何學測定所有其它必需的信息。幾何學可在圖12中看到。對前述散射與半徑陣列里的每個元，算出L、er與!·值，如圖12所示。L是對一個攝像機像素可見的束長度。沿束積分以得出模糊度在圖4步驟410，對束像扇區(qū)積分，得到檢測的模糊度。將束長度分成若干扇區(qū)，構成沿束的可尋址性。為了區(qū)分激光源與激光束散射，激光光斑位置周圍的像素不能作為扇區(qū)部分，因為散射造成的強度無法求出，對非準直源尤其如此，這種源會出現(xiàn)閃耀，在源周圍像素中造成殘留強度。在攝像機端，同樣由于裝置的幾何結構，攝像機的視場可在攝像機幾米內(nèi)觀察激光束。為實現(xiàn)扇區(qū)邊界間的平穩(wěn)過渡，構制了一種直接移動平均濾波器。實際上激光束被分成n+1塊，然后應用移動平均(兩塊長)，得η扇區(qū)。沿束捕獲圖像的每個像素對應于沿該束的物理長度，見圖8和12。束接近攝像機， 該物理長度變得更小，因而在激光器一端開始就忽略了在該端邊界之外的像素，在應用了上述校正法之后，特定扇區(qū)的模糊度就是所有像素強度之和，它落入該扇區(qū)所描繪的物理長度與位置。例如在η到m時，對整條以扇區(qū)尺度(像素半徑r)給出的激光束測定模糊度；
權利要求
1.一種檢測粒子的方法,包括將輻射束發(fā)射入被監(jiān)視區(qū)域；以及捕獲被監(jiān)視區(qū)域的至少一個圖像；在第一和第二多個圖像中定義至少兩個圖像塊，所述塊的每一個包括被監(jiān)視區(qū)域中的被發(fā)射的束的相應塊的圖像；生成代表從所述輻射束散射的輻射的圖像；處理所定義的每個塊中代表從所述輻射束散射的輻射的所述圖像，以確定由進入所述束的粒子引起的所述被發(fā)射的束的相應塊的模糊度；以及將所確定的所述被發(fā)射的束的每個塊的模糊度與所述束的塊的報警標準進行比較。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括將相應圖像的塊映射到區(qū)域中的空間位置，并基于所述被發(fā)射的束的相應塊的模糊度來確定所述區(qū)域中的粒子的位置。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，按照發(fā)射輻射源、發(fā)射輻射方向和圖像檢測點的位置之間的幾何關系確定粒子位置，其中該幾何關系從圖像確定。
4.如權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括確定所述被發(fā)射的束的多個塊的組合模糊度。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述被發(fā)射的束的多個塊的所述組合模糊度按照以下公式 其中S(r)是從所述被發(fā)射的束的塊接收的散射光強度，且L是包括在所述圖像的相應塊中的所述被發(fā)射的束的長度。
6.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述束的塊的所述報警標準是參考閾值來定義的。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，包括對所述區(qū)域內(nèi)不同的空間位置指定不同的閾值。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，通過平均來自多個圖像的積分強度值，計算所述閾值。
9.如權利要求I所述的方法，其特征在于，將輻射束發(fā)射入被監(jiān)視區(qū)域包括調(diào)制所述束，使得被發(fā)射的束在束被發(fā)射的“開”狀態(tài)和束不被發(fā)射的“關”狀態(tài)之間被調(diào)制；以及捕獲被監(jiān)視區(qū)域的至少一個圖像包括在其中輻射束為開狀態(tài)的第一多個時間段捕獲被監(jiān)視區(qū)域的至少一個圖像，以生成被監(jiān)視區(qū)域的第一多個圖像；以及在其中所述束為關狀態(tài)的第二多個時間段捕獲被監(jiān)視區(qū)域的至少一個圖像以生成被監(jiān)視區(qū)域的第二多個圖像，其中所述第一和第二時間段至少部分在時間上相互交錯；以及將所述第一多個圖像和所述第二多個圖像進行組合，以生成代表從所述輻射束發(fā)散的輻射的圖像。
10.如權利要求I所述的方法，其特征在于，要被檢測的粒子是煙霧粒子且所述方法包括:為每個塊輸出各個煙霧度。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，在火警系統(tǒng)中每個塊被分配一個地址。
12.一種用于監(jiān)視一區(qū)域的設備，包括發(fā)射體，用于把包含至少一個預定特征的輻射束引導入所述區(qū)域；圖像捕獲器，被安排來捕獲被監(jiān)視區(qū)域的多個圖像；處理器，用于按照權利要求I到11的任何一個的方法來分析所述多個圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及粒子檢測器。揭示了一種煙霧檢測器，它使用諸如激光的輻射束來監(jiān)控諸如房間的區(qū)域。攝像機用于捕獲房間的一部分的圖像，包括激光束的路徑。激光束中的粒子散射光，且這由攝像機捕獲用于分析。處理器提取關于散射光的數(shù)據(jù)以確定束中的粒子密度，從而確定該區(qū)域中的煙霧水平。激光可具有調(diào)制輸出，從而可以將不用激光捕獲的圖像用作參考點并與用激光獲取的圖像進行比較，從而幫助確定與環(huán)境光相比的散射光的水平。濾波器可用于減少從背景光生成的信號。
文檔編號G08B17/103GK102610052SQ20121002108
公開日2012年7月25日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權日2003年5月14日
發(fā)明者B·亞力山大, K·波特格, P·梅克勒, R·諾克司 申請人:Vfs技術有限公司