三紅外火焰探測器軟件算法設計與實現
2014-03-22 18:33:37李海峰王瑩汪晶
現代電子技術 2014年6期
李海峰 王瑩 汪晶
摘 要： 通過對三紅外火焰探測器軟件算法的研究，提出一種三紅火焰探測的具體軟件算法實現方案，該算法融合了閾值法、信號間數字相關分析法和平均功率法解決三紅外火焰探測問題，同時通過具體編程及試驗驗證，實現了三紅外火焰探測器遠距離探測技術要求，完成了軟件算法的具體實現。試驗結果表明提出的方案可行，算法能夠有效提高三紅外火焰探測器探測靈敏度，降低虛警率。
關鍵詞： 三紅外； 火焰探測器； 軟件算法； 軟件實現
中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0095?03
從探測機理上三紅外火焰探測器具有靈敏度高、可靠性和穩定性好的特點，適用于易燃易爆等火焰探測。因此作為一種非常重要的火焰探測手段，被廣泛應用于礦井、油田、石化企業和儲存易燃物的場所[1]。三紅外火焰探測器軟件算法優劣對其靈敏度、抗誤報特性有著決定性作用。為了更準確的將火焰信號與其他紅外輻射干擾區分開，提高抗誤報能力和探測靈敏度，采用數學相關性分析技術將因探測距離增大而衰減并淹沒在干擾信號中的火焰信號提取出來[2?3]，但如何利用三個波段的輻射信號間的數學關系，達到快速檢測火焰信號的目的，成為實際工程設計中的難題[4]。基于此，本文提出一種基于信號相關性和平均功率的三紅外火焰探測器軟件算法。
1 軟件算法原理分析
火焰探測的算法有閃爍頻率分析法、持續時間法、信號間的數學相關分析法、與儲存的頻帶曲線對照分析法和基于神經網絡和模糊邏輯的火焰識別算法等。其中，前5種方法都是目前火焰探測器常用的方法，基于神經網絡和模糊邏輯的智能火焰識別算法，需要使用已知的訓練樣本和相應的輸出模式對識別火焰的判別規則進行反復調整。但影響火災的因素很多且隨機發生，實際上不可能獲得所有狀態的樣本且由于網絡訓練時初始權重和閾值是隨機的[5]，因此這種方法的漏報和誤報率都較高，實用性不強。
在紅外探測器的實際使用環境中，不僅存在碳氫或含碳化合物燃燒產生的紅外輻射，同時也存在白熾燈、熒光燈、鹵素燈等人工光源輻射和背景輻射發出的紅外干擾輻射，這種復雜的檢測環境不僅降低了紅外火焰探測器的探測距離，而且容易造成誤報。因此，本文設計的三紅外火焰探測器選用三個熱釋電紅外傳感器作為探測器件，第1個傳感器用于探測由碳氫或含碳化合物燃燒產生的紅外輻射（中心波長為4.4 μm）；在大于和小于CO2峰值輻射波段各選擇了一個波段，用于鑒別人工光源輻射和背景輻射。對任意一紅外輻射源來說，其在這三個波段的光譜特性的數學關系是惟一的，通過分析比較這三個光譜特性的數學關系實現高可靠和遠距離探測的目的。據此，本文提出了一種融合了信號間的數學相關分析法和信號平均功率法的三波段火焰識別算法。該算法以數學相關分析法為核心解決遠距離探測問題，通過信號平均功率法實現弱信號間的分析處理及比較問題，其具體實現過程如下： 本文用信號的平均功率表示傳感器采集到的信號強度，其表達式如下：
式中：k表示采集信號的個數；[x（i）]為每次采集電壓信號。
則對于三紅外火焰探測器三路信號平均功率為：
式中：[x1]，[x2]，[x3]分別代表三個傳感器的輸出信號， 根據傳感器的光學特性，這三個傳感器輸出信號均包含了真實火焰信號、人工熱源干擾信號和背景干擾信號。k值的選取與火焰的大小密切相關，它間接反映了探測器的響應速度：如需探測器快速響應，k的取值需較小；如需提高探測器可靠性，k的取值需較大。
本文所述的三紅外火焰探測器設置有5個報警閾值（分別對應5個靈敏度），它們分別與5個時間特征值的k值（該值表示采集火焰數據的時間）相對應。為保證探測器抗誤報特性和可靠性，時間特征值k越小，對應報警閾值需越高。在同一標準火焰條件下，判斷時間越短，響應速度越快，時間越長，抗干擾能力越強。本文按照閾值法原理，選取4.4 μm波段下的5個平均功率值與其對應的報警閥值依次按照式（3）進行比較判斷：
式中：[P1（k1），P1（k2），P1（k3），P1（k4），P1（k5）]分別代表5個時間特征值下的平均功率值。其中k1
式中的a1，a2為3路傳感器之間的比例系數，為固定值。當三波段對應的平均功率同時滿足上述兩個判斷條件時，則判斷有火。為減少誤報，在不滿足火警條件時，需進行預警判斷，預警算法與火警算法方法相同，區別在于預警閾值要小于報警閾值。
2 軟件算法設計
三紅外火焰探測器的軟件算法主要包括數據采集部分和主程序。本節根據上節算法原理分析給出了軟件算法具體設計實現。
2.1 數據采集
數據采集在中斷中完成，由于火焰的閃爍頻率在7～12 Hz之間，根據香農?奈奎斯特采樣定理，設定中斷每3 ms采集更新1次數據。通過抓火實驗發現，若放大電路的末級輸出飽和，火焰算法判斷將出現問題，此時需將放大電路的次級輸出采集的數據作為火焰判斷依據，即數據有效的原則為“若當前輸出級數據飽和則看前級數據”。為減小算法的復雜度，此時采集的數據不能直接使用，需進行歸一化處理，按照三級之間的放大倍數，統一歸一化到末級的采樣數據。然后將歸一化之后的數據作為求平均功率的有效數據進行存儲；同時在中斷中進行5個時間特征值（功率）的實時計算更新，分別作為火焰判斷的依據供主程序讀取。每次數據采集中斷占用的CPU時間為小于200 μs，剩余CPU資源全部留給主程序進行火災軟件算法判斷和探測器功能實現。這種軟件框架能夠保證主程序的實時性和主程序軟件算法執行的連續性。
2.2 軟件主程序單元設計
主程序單元包括系統初始化模塊、火焰判斷算法模塊以及報警輸出模塊。在系統初始化模塊中將完成MCU功能初始化和自檢測，并對數據處理中需要的基準電壓進行初始化，然后根據火焰判斷算法的判斷結果對火警狀態進行輸出，流程圖如圖1所示。火焰判斷算法主要包括以下幾步：首先將4.4 μm波段下得到的5個平均功率值與其對應的報警閥值按式（3）進行判斷，若滿足某個時間特征值下的不等式之后，再判斷此時間特征值下，三波段對應的平均功率是否滿足4.4 μm波段下的平均功率值均大于其他兩路和一定的比例要求，若滿足，則判斷有火，進行火警輸出，流程圖見圖2。
3 實驗結果與分析
為了驗證該算法的性能，設計了相關驗證性試驗。首先，為了驗證算法在能夠可靠且穩定地對火焰信號和干擾信號做出正確的響應，設計了報警驗證和重復性試驗；其次，為了測試探測器響應速度和靈敏度，設計了報警響應時間試驗和探測靈敏度（距離）試驗；最后，為了進一步考察算法對不同干擾源的抗干擾能力，設計了抗干擾試驗。
3.1 軟件算法報警驗證
設置三種實驗條件來驗證探測器的可靠性和穩定性。其探測距離均為30 m。第一組將標準火作為火焰信號；第二組將調制頻率處于10～20 Hz之間的黑體輻射和白熾燈作為干擾信號。第三組將第一組和第二組的兩種均作為探測信號，驗證結果見表1。
由表1看出：在單純的火焰條件和有干擾的火焰條件下均能報出火警，不會漏報；在只有干擾的條件下，不會報出火警，沒有誤報。驗證該算法的可行性。根據GB15631?2008特種火災探測器標準的要求，為了確保采樣信號具有普遍意義，需要通過重復點火實驗對此火焰識別算法進行驗證，實驗結果同上述數據均保持一致，驗證了此算法的可靠性。
3.2 報警響應時間試驗
樣機報警響應時間的試驗按照樣機的靈敏度設置，將標準火（入射角均為0°）正對探測器并將探測距離分別定為10 m，15 m，20 m和30 m，時間記錄見表2，結果表明樣機的響應時間滿足設計要求。
表2 報警響應時間實驗結果
3.3 探測距離試驗
三紅外火焰探測器的一個重要指標就是探測距離，本試驗在標準火下測試了樣機探測器的探測距離（火焰的入射角為0°，5 s內輸出火警信號），結果見表3。實驗數據表明樣機的性能滿足設計要求。
3.4 抗干擾試驗
本實驗用太陽光、白熾燈、熒光燈等干擾源對該探測器進行干擾（入射角均為0°），從表4可以看出，算法能夠對各類干擾源準確無誤地做出響應。
4 結 語
三紅外火焰探測器軟件算法是實現其高靈敏、高可靠、低虛警率的關鍵。本文針對當前存在的遠距離探測、弱信號處理等問題，提出一種基于信號相關性和平均功率結合的三紅外火焰探測器軟件算法。該算法以數學相關分析法為核心解決遠距離探測問題，通過信號平均功率法和閾值法實現弱信號間的分析處理及比較問題。試驗結果表明本文提出的方案可行，算法能夠有效提高火焰探測器的靈敏度，降低虛警率。
參考文獻
[1] 姚秋霞，李民，莫崇典.紅外技術探測原理及其在工業消防領域的應用[J].電氣應用，2006（3）：40?43.
[2] 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.
[3] 胡幸江.多波段紅外火焰探測器系統研究與產品開發[D].杭州：浙江大學，2013.
[4] 王紹中.火焰探測器[J].石油化工自動化，1998（3）：45?47.
[5] 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.
[6] 何志勇，趙瑞國，袁軍社.傳感器數據庫管理系統設計[J].火箭推進，2010（6）：63?65.
2.2 軟件主程序單元設計
主程序單元包括系統初始化模塊、火焰判斷算法模塊以及報警輸出模塊。在系統初始化模塊中將完成MCU功能初始化和自檢測，并對數據處理中需要的基準電壓進行初始化，然后根據火焰判斷算法的判斷結果對火警狀態進行輸出，流程圖如圖1所示。火焰判斷算法主要包括以下幾步：首先將4.4 μm波段下得到的5個平均功率值與其對應的報警閥值按式（3）進行判斷，若滿足某個時間特征值下的不等式之后，再判斷此時間特征值下，三波段對應的平均功率是否滿足4.4 μm波段下的平均功率值均大于其他兩路和一定的比例要求，若滿足，則判斷有火，進行火警輸出，流程圖見圖2。
3 實驗結果與分析
為了驗證該算法的性能，設計了相關驗證性試驗。首先，為了驗證算法在能夠可靠且穩定地對火焰信號和干擾信號做出正確的響應，設計了報警驗證和重復性試驗；其次，為了測試探測器響應速度和靈敏度，設計了報警響應時間試驗和探測靈敏度（距離）試驗；最后，為了進一步考察算法對不同干擾源的抗干擾能力，設計了抗干擾試驗。
3.1 軟件算法報警驗證
設置三種實驗條件來驗證探測器的可靠性和穩定性。其探測距離均為30 m。第一組將標準火作為火焰信號；第二組將調制頻率處于10～20 Hz之間的黑體輻射和白熾燈作為干擾信號。第三組將第一組和第二組的兩種均作為探測信號，驗證結果見表1。
由表1看出：在單純的火焰條件和有干擾的火焰條件下均能報出火警，不會漏報；在只有干擾的條件下，不會報出火警，沒有誤報。驗證該算法的可行性。根據GB15631?2008特種火災探測器標準的要求，為了確保采樣信號具有普遍意義，需要通過重復點火實驗對此火焰識別算法進行驗證，實驗結果同上述數據均保持一致，驗證了此算法的可靠性。
3.2 報警響應時間試驗
樣機報警響應時間的試驗按照樣機的靈敏度設置，將標準火（入射角均為0°）正對探測器并將探測距離分別定為10 m，15 m，20 m和30 m，時間記錄見表2，結果表明樣機的響應時間滿足設計要求。
表2 報警響應時間實驗結果
3.3 探測距離試驗
三紅外火焰探測器的一個重要指標就是探測距離，本試驗在標準火下測試了樣機探測器的探測距離（火焰的入射角為0°，5 s內輸出火警信號），結果見表3。實驗數據表明樣機的性能滿足設計要求。
3.4 抗干擾試驗
本實驗用太陽光、白熾燈、熒光燈等干擾源對該探測器進行干擾（入射角均為0°），從表4可以看出，算法能夠對各類干擾源準確無誤地做出響應。
4 結 語
三紅外火焰探測器軟件算法是實現其高靈敏、高可靠、低虛警率的關鍵。本文針對當前存在的遠距離探測、弱信號處理等問題，提出一種基于信號相關性和平均功率結合的三紅外火焰探測器軟件算法。該算法以數學相關分析法為核心解決遠距離探測問題，通過信號平均功率法和閾值法實現弱信號間的分析處理及比較問題。試驗結果表明本文提出的方案可行，算法能夠有效提高火焰探測器的靈敏度，降低虛警率。
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2.2 軟件主程序單元設計
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3 實驗結果與分析
為了驗證該算法的性能，設計了相關驗證性試驗。首先，為了驗證算法在能夠可靠且穩定地對火焰信號和干擾信號做出正確的響應，設計了報警驗證和重復性試驗；其次，為了測試探測器響應速度和靈敏度，設計了報警響應時間試驗和探測靈敏度（距離）試驗；最后，為了進一步考察算法對不同干擾源的抗干擾能力，設計了抗干擾試驗。
3.1 軟件算法報警驗證
設置三種實驗條件來驗證探測器的可靠性和穩定性。其探測距離均為30 m。第一組將標準火作為火焰信號；第二組將調制頻率處于10～20 Hz之間的黑體輻射和白熾燈作為干擾信號。第三組將第一組和第二組的兩種均作為探測信號，驗證結果見表1。
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3.2 報警響應時間試驗
樣機報警響應時間的試驗按照樣機的靈敏度設置，將標準火（入射角均為0°）正對探測器并將探測距離分別定為10 m，15 m，20 m和30 m，時間記錄見表2，結果表明樣機的響應時間滿足設計要求。
表2 報警響應時間實驗結果
3.3 探測距離試驗
三紅外火焰探測器的一個重要指標就是探測距離，本試驗在標準火下測試了樣機探測器的探測距離（火焰的入射角為0°，5 s內輸出火警信號），結果見表3。實驗數據表明樣機的性能滿足設計要求。
3.4 抗干擾試驗
本實驗用太陽光、白熾燈、熒光燈等干擾源對該探測器進行干擾（入射角均為0°），從表4可以看出，算法能夠對各類干擾源準確無誤地做出響應。
4 結 語
三紅外火焰探測器軟件算法是實現其高靈敏、高可靠、低虛警率的關鍵。本文針對當前存在的遠距離探測、弱信號處理等問題，提出一種基于信號相關性和平均功率結合的三紅外火焰探測器軟件算法。該算法以數學相關分析法為核心解決遠距離探測問題，通過信號平均功率法和閾值法實現弱信號間的分析處理及比較問題。試驗結果表明本文提出的方案可行，算法能夠有效提高火焰探測器的靈敏度，降低虛警率。
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