基于CZT算法的多波段紅外火焰探測器設計

(中國船舶集團有限公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

紅外火焰探測器對高溫熱源、強光等干擾源極其敏感[1]，故探測距離越遠、抗干擾能力越差、誤報警概率增高[2]。開發一款兼具抗干擾力強與探測距離遠的紅外火焰探測器，難度大[3]。為此，考慮基于有限線性調頻Z變換(CZT)算法，設計能有效區分火焰信號與干擾信號(高溫熱源、強光等)的窄帶頻域火焰檢測算法。

1 多波段紅外火焰探測器的特點

1.1 多波段紅外火焰探測器結構

多波段紅外火焰探測器的結構圖見圖1。

圖1 多波段紅外火焰探測器外形

多波段紅外火焰探測器采用防爆結構設計，硬件電路在內部固定。探測器關鍵元件主要分布在探測器頂端，由光學自檢燈、紅外熱釋電元件、光學鏡片、指示燈等部件組成。其中光學鏡片為定制型號用于濾除一定波段的紅外干擾信號，光學自檢燈用于定時檢測光學鏡片的潔凈程度；紅外熱釋電元件透過定制的光學玻璃檢測視窗外的紅外信號，檢測到視窗前有火焰發生時，指示燈進行報警提示。

1.2 熱釋電元件波段的選擇

圖1中的紅外火焰探測器采用五波段紅外熱釋電元件設計，分別對應中紅外波段min、遠紅外波段far、近紅外波段nir、熱源參考波段heat、氫元素紅外參考波段hir的紅外熱釋電元件。其中min與hir波段作為火焰信號的檢測通道，分別用于檢測二氧化碳與水蒸氣產生的紅外信號；遠紅外波段far波段用于檢測高溫干擾源產生的紅外噪聲信號[4]；近紅外波段nir波段用于檢測由環境輻射引起的紅外干擾噪聲信號[5]；熱源參考波段heat波段用于檢測強光干擾產生的紅外噪聲信號[6]。

2 探測算法

2.1 頻域分析算法的選擇

在分析傳感器信號時，常采用時域分析與頻域分析兩種方法。時域分析算法雖然實時能力強，但是難以濾除疊加在源信號上的各頻段的干擾信號[7]；頻域分析算法——快速傅里葉變換(FFT)[8]，能有效的在頻域內將干擾信號濾除，只保留源信號。但FFT得到的將是全頻域的信號分布圖，無法精確細化到源信號的窄帶頻域區間[9]。

采用有限線性調頻Z變換(CZT)的頻域分析算法能在將干擾信號濾除的基礎上，將數據精確細化到源信號的窄帶頻域區間內。以便于對源信號在其特定窄帶頻域區間內加以分析。因此選擇基于CZT原理對多重紅外火焰探測器進行算法開發[10]。

2.2 CZT算法的基本原理

CZT變化利用調節傅里葉變換的入口數據數N和出口數據點數M，來實現在單位圓上任意一圈曲線上進行有限Z變化。以實現在某一特征窄帶頻段上進行頻率精確細化的功能。

設x(n)為已知的時間信號，x(n)的Z變化為

(1)

式中：Z=Aejw。

對上式的Z做修改，設Zr=AW-r,(A=A0ejθ0),W=W0e-jφ0),其中A0為起點取樣點的矢量半徑長度。CZT中令A0=1，表示在單位圓上取值；為起始取樣點θ0相角，即選取頻率范圍的起點；φ0為兩相鄰Zk點之間角頻率差,即選頻范圍內的頻率分辨率。令W0=1，使得計算周線在單位圓上進行；令M=N，使得 CZT便于計算。因此，通過調整θ0來確定選頻范圍的起點；通過調整φ0來確定選頻范圍內頻譜細化倍數?？傻脁(n)的CZT變換的結果為

(2)

(3)

令X(Zr)=x(n)*A-nWr2/2，h(n)=W-n2/2,由此CZT可以用下圖來進行表達。

圖2 有限調頻Z變換原理

其中：

(4)

y(r)=g(r)*h(r)=X(Zr)=

(5)

通過g(n)與h(n)的卷積運算可以實現在圓周上的M點的X(Zr)運算。利用快速傅里葉變換(FFT)可以迅速計算出圓周卷積運算。

圖3 有限調頻Z變換實現原理

2.3 窄帶頻域火焰探測算法

通過點火實驗確定火焰抖動所引起的熱釋電器件電信號的變化的頻率主要分布在火焰信號特征頻段窄帶頻段上。

將火焰信號特征頻段的窄帶頻域稱作特征頻段。設置εi為第i波段熱釋電元件經過CZT變化后在火焰信號特征頻段上模值的和值。ε1至ε5的表達式如下。

ε1=minchannelRejection=CZT[X(mincannel)]

(6)

ε2=hirchannelRejection=CZT[X(hircannel)]

(7)

ε3=farchannelRejection=CZT[X(farcannel)]

(8)

ε4=heatchannelRejection=CZT[X(heatcannel)]

(9)

ε5=nirchannelRejection=CZT[X(nircannel)]

(10)

設R1與R2分別為min波段與far、heat波段通道特征頻段上模值和的比值；R3與R4分別表示hir波段與far、heat波段通道特征頻段上模值和的比值。即：

(11)

(12)

(13)

(14)

設Th1-Th4分別對應R1～R4的報警閾值，Th5為nir波段高溫、強光干擾的臨界屏蔽閾值，即只有當ε5≥Th5時，算法會屏蔽掉火焰的報警信號。

火焰檢測算法的流程見圖4。

圖4 火焰檢測算法流程

當計算結果滿足Ri>THi(其中i=1,2,3,4),并且ε5

2.4 窄帶頻域火焰探測算法驗證

通過對多波段紅外火焰探測器進行點火實驗，并記錄下hir波段與min波段信號在火焰信號特征頻段火焰特征頻域上的模式關系，從而驗證窄帶頻域火焰探測算法的性能。

圖5中橫坐標為檢測頻率，縱坐標為火焰特征頻域的模值。其中上半部分為hir波段的火焰特征頻域的模值關系圖，下半部分為min波段的火焰特征頻域的模值關系圖。圖中豎線標記的地方，是產生火焰信號時刻。

圖5 min與hir波段火焰特征頻域模值

從圖5可以看出火焰檢測算法可以明顯分辨出干擾源信號并保留火焰信號特征。

3 探測器探測距離與抗干擾試驗

3.1 火焰探測距離實驗

利用正庚烷作為燃料，12.5 cm×12.5 cm的金屬火盆作為盛放燃料的容器。

將火盆在距離多波段紅外火焰探測器1～30 m直線區間內每隔1 m作為一個實驗點，進行點火實驗。

多波段紅外火焰探測器距火盆1～30 m區間內均能在30 s內進行火焰報警,見表1。

表1 火焰探測報警距離實驗情況

3.2 抗干擾實驗

3.2.1 抗強光源干擾實驗

分別采用白熾燈、汞燈、鈉燈、鹵素燈作為強光源，在距離多波段紅外火焰探測器10、20、30、40 cm處對其進行閃爍1 min連續照射。實驗結果見表2。在上述各種工況的強干擾下，多波段紅外火焰探測器均未出現誤報警情況。

表2 抗強光源干擾實驗情況表

3.2.2 抗高溫熱源干擾實驗

利用可調溫的電烙鐵作為高溫熱源。分別在距離探測器10、20、30、40 cm處，將電烙鐵調至100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。并將電烙鐵在該位置上保持1 min，實驗情況見表3。在上述各種工況的強干擾下，多波段紅外火焰探測器均未出現誤報警情況。

表3 抗高溫熱源干擾實驗情況表

4 結論

通過火焰探測距離實驗驗證探測器在30 m處對12.5 cm×12.5 cm的火盆火在10 s內能夠報警，即實現遠距離火焰探測；通過抗強光源干擾實驗、抗高溫熱源干擾實驗，檢驗探測器均未發生誤報警，驗證探測器高抗干擾能力，說明在頻域中基于CZT算法處理火焰探測器的信號，能夠有效區分火焰信號與干擾信號(高溫熱源、強光等)。