CN104200606A - 一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器及信号处理方法，包括光电感烟部分、探测腔室(C)、过滤网(I)、信号处理单元(E)、外壳(F)、报警喇叭(G)及指示灯(H)。本发明提出无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器的新思想，减少了烟颗粒进出探测器的阻碍，使烟气进出探测腔体更加流动顺畅，具有高的响应灵敏度和实时性。光学迷宫结构的功能就是阻碍外界环境光进入探测腔室，为此本发明利用幅度调制与解调原理，提出一种含有环境光、烟雾等作用的信号分析处理方法，为无迷宫的点型光散射式感烟探测器提供一种理论依据，也为提高探测器响应灵敏度的研究提供一种新的思路和研究方向。

Description

一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器及信号处理方法

技术领域

本发明属于点型光散射式感烟火灾探测技术领域，涉及无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，还涉及一种利用幅度调制解调原理对无迷宫点型光散射式感烟探测器中信号进行分析处理的方法。

背景技术

烟雾颗粒是火灾早期最为重要的特征参量之一，点型光散射式感烟探测器是火灾自动探测报警领域产量最大和使用最为广泛的火灾探测器，对国内外建筑防火起到了重要作用。然而这种火灾探测器明显存在探测响应时间长、灵敏度低等问题，因此，提高点型光散射式感烟探测器的响应性能对火灾探测技术的发展具有重要意义。

现有的点型光散射式感烟探测器如图1所示，其工作原理是火灾烟颗粒伴随一定气流穿过光学迷宫和过滤网进入探测腔室，腔室内发光管发出红外光被烟颗粒散射，散射光被接收管感知转换为与烟雾浓度相对应的电信号，结合探测算法，给出火灾报警信息。这种结构必须使用光学迷宫屏蔽外界环境光对烟雾散射光的干扰，然而光学迷宫阻碍了烟雾进入探测腔室的气流流动和扩散，腔室内的烟雾浓度明显滞后且低于腔外，导致探测报警时间延迟，严重影响探测器的灵敏度和实时性。因此，本发明提出去除点型光散射式感烟探测器中光学迷宫的新思想，使探测器能够快速及时地感测到环境火灾烟雾。

去除点型光散射式感烟探测器的迷宫结构，带来的问题是外界环境光进入探测腔室对烟雾散射光产生干扰，针对这个问题，本发明提出一种考虑外界环境光的作用且得到烟雾浓度的信号处理方法，为去除探测器迷宫结构的思想提供理论依据。这种无光学迷宫结构的光散射式感烟探测器会减少探测响应时间，提高响应性能，能够及时、迅速地探测到火灾的发生。

发明内容

本发明旨在提出一种无光学迷宫点型光散射式感烟探测器的新思想，并且提供一种针对这种感烟探测器中信号进行处理得到烟雾浓度的新方法，解决现有点型光电感烟探测器中光学迷宫造成火灾烟雾颗粒进出探测腔体速度慢、探测响应时间长、实时性差、灵敏度低等问题，研究发展一种新型点型光电感烟火灾探测器。

实现本发明之目的技术方案如下：一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，包括光电感烟部分、探测腔室、过滤网、信号处理单元、外壳、报警喇叭及指示灯；光电感烟部分、过滤网和信号处理单元位于探测腔室内；探测腔室由外壳密封；过滤网分布在探测腔室的进气口和出气口，过滤网的作用主要是阻止异物进入探测腔室；所述光电感烟部分包括红外发光管和红外接收管，分别起到发射和接收红外光的作用，红外发光管和红外接收管成角度θ'；当有烟颗粒进入时，由于烟颗粒的散射作用，红外接收管接收到红外发光管发出的红外散射光，即烟雾浓度信号，根据接收的散射光强度，经过信号处理单元判别是否发生火灾；如发生火灾则进行报警，使报警喇叭及指示灯工作。

进一步的，所述异物是小虫及大颗粒物。

进一步的，无迷宫点型光散射式感烟探测器与目前广泛使用的点型光电感烟探测器的根本区别在于它的探测腔体外围没有光学迷宫结构，外界环境光会进入探测腔室。

进一步的，无迷宫点型光散射式感烟探测器的设计思想之一是要尽量避免环境光射入探测腔室，设置合适的角度θ'以及红外发光管和红外接收管的位置，使红外接收管无法接收环境光的直射。

进一步的，无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器中红外发光管发射的红外光频率远大于绝大多数情况下外界环境光的频率。

另外，本发明提供一种解决环境光干扰的信号处理方法，该方法基于上述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，该方法包括以下步骤：

(1)无光学迷宫探测器的设计和探测腔室内的信号的步骤

探测器的光学迷宫的作用是阻碍外界环境光进入探测腔室，因此对无光学迷宫感烟探测器的设计思想之一就要尽量降低环境光的干扰，即可以避免环境光对接收管的直射，并且尽量减少与烟颗粒的作用范围；

所以，在信号分析中需要考虑环境光被烟雾散射的影响，发光管发出的信号，火灾发生时进入探测腔室的烟雾信号，以及接收管得到的总接收信号；

(2)确定探测腔室中信号之间的关系及原理的步骤

假设记探测器中发光管发出的信号为y_发(t)、烟雾信号为y_烟(t)、接收管的接收信号y_Σ(t)、外界环境光信号为g(t)，其中，设置发光管信号y_发(t)的频率、相位等参数，烟雾信号与光信号相互作用，可以允许它们之间的关系表示为：

y_Σ(t)＝K₁·y_发(t)·y_烟(t)+K₂·g(t)·y_烟(t)

其中K₁、K₂为调制电路相关系数，从上式可以将探测腔室中信号之间作用关系看作为利用发光管的信号对烟雾信号进行幅度调制处理，幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程，调制信号u_Ω(t)是需要进行信道传输的消息信号，载波u_c(t)为未受调制的周期性震荡信号，载波角频率ω_c？Ω，已调信号记为u_AM(t)，解调是从接受的已调信号中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程；

其中，将发光管信号作为载波，令y_发(t)＝u_c(t)＝U_cmcosω_ct，烟雾信号作为调制信号，它是由多个频率组成的函数，根据傅里叶级数展开式，可将连续的烟雾信号记为接收信号即为已调信号，对它进行解调就可以得到所求的烟雾信号，g’(t)表示外界环境光等干扰信号与烟雾作用部分，即g’(t)＝K₂·g(t)·y_烟(t)，因此，

其中，发光管信号为高频载波寄载在烟雾信号的幅度上；

(3)对接收信号y_Σ(t)进行采样的步骤

通过计算机对接收信号y_Σ(t)进行采样，采样间隔为T_s,每次采样N个数据，得到一个离散时间信号；

(4)频谱分析的步骤

对采样信号进行快速离散傅里叶变换(FFT)，将其转化到频域来分析；

(5)对信号数字滤波，消除噪声和干扰的步骤

利用高通滤波器方法滤除低频位置的噪声和干扰，保留其高频部分，也就是烟雾信号与发光管信号作用的部分；

(6)解调得到烟雾浓度，分析判断是否发生火灾的步骤

滤除环境光等干扰信号后，得到只含有烟雾信号作用部分，利用包络检波器或者相干解调方式处理得到每个时间段上烟雾浓度的大小，经过数模(D/A)转换就可得到烟雾浓度的连续分布曲线，再通过火灾判别算法，分析判断是否发生火灾。

本发明与现有技术相比的优点在于：

现有的点型光电感烟探测器含有光学迷宫结构，火灾发生时，烟雾进入探测腔室缓慢，造成迟滞时间长，实时性差等问题。本发明提出无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器的新思想，减少了烟颗粒进出探测器的阻碍，大大缩短响应时间。光学迷宫结构的功能就是阻碍外界环境光进入探测腔室，为此本发明利用幅度调制与解调原理，提出一种含有环境光、烟雾等作用的信号分析处理方法，为无迷宫的点型光散射式感烟探测器提供一种理论依据，也为提高探测器响应灵敏度的研究提供一种新的思路和研究方向。

附图说明

图1为现有点型光散射式感烟探测器结构示意图，其中图1(a)为顶部剖视图；图1(b)为侧面剖视图；图中A和B光电感烟部分、C为探测腔室、D为带光学迷宫的过滤网、E为信号处理单元、F为外壳、G为报警喇叭、H为指示灯；

图2为无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器的基本结构示意图，其中图2(a)为顶部剖视图；图2(b)为侧面剖视图；图中I为不带迷宫的过滤网；

图3为本发明无迷宫点型光散射式感烟探测器的探测腔室内作用信号示意图；

图4为本发明信号处理方法相关示意图，其中图4(a)幅度调制模型；图4(b)单一频率的调制信号、载波和已调信号波形；图4(c)为图4(b)中各信号的频谱；图4(d)烟雾信号和滤波后接受信号的频谱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，基本结构如图2所示，包括光电感烟部分、探测腔室C、过滤网I、信号处理单元E、外壳F、报警喇叭G及指示灯H等。光电感烟部分、过滤网I和信号处理单元E位于探测腔室C内；探测腔室C由外壳F密封；过滤网I分布在探测腔室C的进气口和出气口，过滤网的作用主要是阻止小虫及大颗粒物的进入探测腔室C；所述光电感烟部分包括红外发光管A和红外接收管B，分别起到发射和接收红外光的作用，红外发光管A和红外接收管B成角度θ'；当有烟颗粒进入时，由于烟颗粒的散射作用，红外接收管B接收到红外发光管A发出的红外散射光，即烟雾浓度信号，根据接收的散射光强度，经过信号处理单元E判别是否发生火灾；如发生火灾则进行报警，使报警喇叭G及指示灯H工作。

其中，无迷宫点型光散射式感烟探测器与目前广泛使用的点型光电感烟探测器的根本区别在于它的探测腔体外围没有光学迷宫结构，外界环境光会进入探测腔室C。

其中，无迷宫点型光散射式感烟探测器的设计思想之一是要尽量避免环境光射入探测腔室，设置合适的角度θ'以及红外发光管A和红外接收管B的位置，使红外接收管B无法接收环境光的直射。

其中，无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器中红外发光管A发射的红外光频率远大于绝大多数情况下外界环境光的频率。

无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，可以利用基于探测器去除光学迷宫结构后含有外界环境光等作用的信号处理方法。利用幅度调制解调原理提出一种解决环境光干扰的信号处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)无光学迷宫探测器的设计思想和探测腔室内的信号

探测器的光学迷宫的作用是阻碍外界环境光进入探测腔室，因此我们对无光学迷宫感烟探测器的设计思想之一就要尽量降低环境光的干扰，即可以避免环境光对受光元件的直射，并且尽量减少与烟颗粒的作用范围。

所以，在信号分析中我们需要考虑环境光被烟雾散射的影响，发光管发出的信号，火灾发生时进入探测腔室的烟雾信号，以及接收管得到的总接收信号。

(2)确定探测腔室中信号之间的关系及原理

假设我们记探测器中发光管发出的信号为y_发(t)、烟雾信号为y_烟(t)、接收管的接收信号y_Σ(t)、外界环境光信号为g(t)，如图3所示。其中，我们可以设置发光管信号y_发(t)的频率、相位等参数，烟雾信号与光信号相互作用，可以允许它们之间的关系表示为：

y_Σ(t)＝K₁·y_发(t)·y_烟(t)+K₂·g(t)·y_烟(t)

其中K₁、K₂为调制电路相关系数。从上式我们可以将探测腔室中信号之间作用关系看作为利用发光管的信号对烟雾信号进行幅度调制处理。幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。一般调制信号u_Ω(t)是需要进行信道传输的消息信号，载波u_c(t)为未受调制的周期性震荡信号，载波角频率ω_c？Ω，已调信号记为u_AM(t)，如图4所示。解调是从接受的已调信号中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程。

其中，我们将发光管信号作为载波，令y_发(t)＝u_c(t)＝U_cmcosω_ct。烟雾信号作为调制信号，它是由多个频率组成的函数，根据傅里叶级数展开式，可将连续的烟雾信号记为接收信号即为已调信号，对它进行解调就可以得到所求的烟雾信号，g’(t)表示外界环境光等干扰信号与烟雾作用部分，即g’(t)＝K₂·g(t)·y_烟(t)。因此，

其中，发光管信号为高频载波寄载在烟雾信号的幅度上，接收信号振幅变化的包络与烟雾信号的变化规律相同，说明调制信号已被寄载在已调信号的幅度上了。另外,环境光被烟雾信号调制部分属于信号g’(t)，一般来说可以它们的频率很小。我们设置的发光管信号的频率ω_c要远大于烟雾信号和外界环境光等干扰信号的频率。

(3)对接收信号y_Σ(t)进行采样

我们通过计算机对接收信号y_Σ(t)进行采样，采样间隔为T_s,每次采样N个数据，得到一个离散时间信号。由于烟雾信号和环境光都具有随机特性，所以火灾探测接收信号y_Σ(t)的采样序列也是一种随机信号，并且前后的采样值具有一定的相关性。

(4)频谱分析

对采样信号进行快速离散傅里叶变换(FFT)，将其转化到频域来分析。根据幅度调制的原理，发光管信号与烟雾信号相互作用后，从y_Σ(t)表达式中可看出频率分量含有ω_c±Ω₁、ω_c±Ω₂，…(ω_c±Ω_max)，y_Σ(t)还包括一些非常小的环境光作用的频率，烟雾信号的频谱由低频位置搬移到发光管信号的高频位置左右两边对称，烟雾信号频谱的形状和结构不变。在实际火灾发生中，烟雾浓度大小在相邻采样间隔内变化很慢，那么烟雾信号的频谱集中在发光管信号的频率ω_C附近，而含有环境光等干扰信号的频谱则处于低频位置。

(5)对信号数字滤波，消除噪声和干扰

由于在频谱分析中环境光等干扰信号处于低频位置，远小于频率ω_c，可以利用高通滤波器等方法滤除低频位置的噪声和干扰，保留其高频部分，也就是烟雾信号与发光管信号作用的部分。

(6)解调得到烟雾浓度，分析判断是否发生火灾

滤除环境光等干扰信号后，得到只含有烟雾信号作用部分，利用包络检波器或者相干解调方式处理得到每个时间段上烟雾浓度的大小。经过数模(D/A)转换就可得到烟雾浓度的连续分布曲线。再通过火灾判别算法，分析判断是否发生火灾。

Claims (6)

1.一种无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，包括光电感烟部分、探测腔室(C)、过滤网(I)、信号处理单元(E)、外壳(F)、报警喇叭(G)及指示灯(H)；光电感烟部分、过滤网(I)和信号处理单元(E)位于探测腔室(C)内；探测腔室(C)由外壳(F)密封；过滤网(I)分布在探测腔室(C)的进气口和出气口，过滤网的作用主要是阻止异物进入探测腔室(C)；所述光电感烟部分包括红外发光管(A)和红外接收管(B)，分别起到发射和接收红外光的作用，红外发光管(A)和红外接收管(B)成角度θ'；当有烟颗粒进入时，由于烟颗粒的散射作用，红外接收管(B)接收到红外发光管(A)发出的红外散射光，即烟雾浓度信号，根据接收的散射光强度，经过信号处理单元(E)判别是否发生火灾；如发生火灾则进行报警，使报警喇叭(G)及指示灯(H)工作。

2.根据权利要求1所述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，所述异物是小虫及大颗粒物。

3.根据权利要求1所述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，无迷宫点型光散射式感烟探测器与目前广泛使用的点型光电感烟探测器的根本区别在于它的探测腔体外围没有光学迷宫结构，外界环境光会进入探测腔室(C)。

4.根据权利要求1所述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，无迷宫点型光散射式感烟探测器的设计思想之一是要尽量避免环境光射入探测腔室，设置合适的角度θ'以及红外发光管(A)和红外接收管(B)的位置，使红外接收管(B)无法接收环境光的直射。

5.根据权利要求1所述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，红外发光管(A)发射的红外光频率远大于绝大多数情况下外界环境光的频率。

6.一种解决环境光干扰的信号处理方法，该方法基于权利要求1所述的无光学迷宫的点型光散射式感烟探测器，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)无光学迷宫探测器的设计和探测腔室内的信号的步骤

探测器光学迷宫的作用是阻碍外界环境光进入探测腔室，因此对无光学迷宫感烟探测器的设计思想之一就要尽量降低环境光的干扰，即可以避免环境光对接收管的直射，并且尽量减少与烟颗粒的作用范围；

所以，在信号分析中需要考虑环境光被烟雾散射的影响，发光管发出的信号，火灾发生时进入探测腔室的烟雾信号，以及接收管得到的总接收信号；

(2)确定探测腔室中信号之间的关系及原理的步骤

假设记探测器中发光管发出的信号为y_发(t)、烟雾信号为y_烟(t)、接收管的接收信号为y_Σ(t)、外界环境光信号为g(t)，其中，设置发光管信号y_发(t)的频率、相位等参数，烟雾信号与光信号相互作用，可以允许它们之间的关系表示为：

y_Σ(t)＝K₁·y_发(t)·y_烟(t)+K₂·g(t)·y_烟(t)

其中K₁、K₂为调制电路相关系数，从上式可以将探测腔室中信号之间作用关系看作为利用发光管的信号对烟雾信号进行幅度调制处理，幅度调制是由调制信号去控制高频载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程，调制信号u_Ω(t)是需要进行信道传输的消息信号，载波u_c(t)为未受调制的周期性震荡信号，载波角频率ω_c？Ω，已调信号记为u_AM(t)，解调是从接受的已调信号中提取出调制信号的过程，是调制的逆过程；

其中，将发光管信号作为载波，令y_发(t)＝u_c(t)＝U_cmcosω_ct，烟雾信号作为调制信号，它是由多个频率组成的函数，根据傅里叶级数展开式，可将连续的烟雾信号记为接收信号即为已调信号，对它进行解调就可以得到所求的烟雾信号，g’(t)表示外界环境光等干扰信号与烟雾作用部分，即g’(t)＝K₂·g(t)·y_烟(t)，因此，

其中，发光管信号为高频载波寄载在烟雾信号的幅度上；

(3)对接收信号y_Σ(t)进行采样的步骤

通过计算机对接收信号y_Σ(t)进行采样，采样间隔为T_s,每次采样N个数据，得到一个离散时间信号；

(4)频谱分析的步骤

对采样信号进行快速离散傅里叶变换(FFT)，将其转化到频域来分析；

(5)对信号数字滤波，消除噪声和干扰的步骤

利用高通滤波器方法滤除低频位置的噪声和干扰，保留其高频部分，也就是烟雾信号与发光管信号作用的部分；

(6)解调得到烟雾浓度，分析判断是否发生火灾的步骤

滤除环境光等干扰信号后，得到只含有烟雾信号作用部分，利用包络检波器或者相干解调方式处理得到每个时间段上烟雾浓度的大小，经过数模(D/A)转换就可得到烟雾浓度的连续分布曲线，再通过火灾判别算法，分析判断是否发生火灾。