周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

紅外火焰探測信號(hào)的特征提取研究

周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

在設(shè)計(jì)紅外火焰探測器時(shí)，特征值的選取是識(shí)別火焰的關(guān)鍵因素。分別對火焰和高溫?zé)嵩葱盘?hào)的過零點(diǎn)與其對應(yīng)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行研究，提出將信號(hào)過零點(diǎn)與其對應(yīng)時(shí)間擬合直線的線性度作為區(qū)別火焰與高溫干擾的一個(gè)特征值。通過對相同環(huán)境下，不同大小的酒精燈火焰的過零點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)利用擬合直線的斜率，可計(jì)算出火焰的頻率；提出擬合直線的斜率可作為識(shí)別火焰的另一個(gè)特征值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：物質(zhì)燃燒時(shí)，過零點(diǎn)與其對應(yīng)時(shí)間的線性關(guān)系在一定范圍內(nèi)保持不變，用擬合直線的線性度和斜率作為識(shí)別火焰的特征值具有一定的可行性。

紅外火焰探測器； 特征值； 過零點(diǎn)； 線性度

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)安全問題一直為人們所重視，火災(zāi)的頻頻發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來極大的威脅，而工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，給火災(zāi)的檢測帶來了極大的困難。最初火災(zāi)探測的方式為感煙型火災(zāi)探測和感溫型火災(zāi)探測[1,2]。感煙型火災(zāi)探測系統(tǒng)是利用火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生煙霧的特性來檢測環(huán)境中的煙霧變化，感溫型火災(zāi)探測器則是通過周圍溫度的變化來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。利用這兩種方式來探測火災(zāi)容易發(fā)生誤報(bào)，且有較大的時(shí)間延遲，探測器的靈敏度低。

隨著紅外技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體材料和制造工藝的發(fā)展成熟[3]，利用熱釋電紅外傳感器作為敏感元件的紅外火焰探測器逐漸發(fā)展起來?；鹧孀R(shí)別算法是火焰探測器的核心。特征值的選取影響識(shí)別算法的復(fù)雜度，以及探測器的精度和抗干擾能力。目前，涉及信號(hào)時(shí)域的特征值主要包括時(shí)域的幅值、連續(xù)時(shí)間值[4]、時(shí)域均值[5]以及信號(hào)的能量值[6]和信號(hào)的平均功率值[7]等，涉及信號(hào)頻域的特征值主要為頻率[8]和峰值。時(shí)域特征值多以選定閾值為主，通過閾值比較的方法判斷有無火焰產(chǎn)生。但這種方法的適用范圍較窄，隨著火焰大小的變化，探測距離的變化，探測到的火焰的能量也發(fā)生變化，閾值比較便不再適用，且并不能反映信號(hào)的頻率特征?？扇嘉镌谌紵龝r(shí)，頻率是其重要的特征，但是同種物質(zhì)在不同環(huán)境下燃燒，其頻率不盡相同，因此，僅僅依靠頻率特征，容易造成系統(tǒng)的漏報(bào)誤報(bào)。

本文針對目前火焰探測信號(hào)特征提取方面的不足，提出信號(hào)過零點(diǎn)與其對應(yīng)時(shí)間擬合直線的線性度和斜率值可作為火焰識(shí)別的兩個(gè)特征值，并且提出利用擬合直線的斜率可計(jì)算信號(hào)的頻率，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 理論分析

1.1 紅外火焰探測器的工作原理

不同材料的碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的火焰輻射光譜不同?；鹧婀庾V從紫外、紅外到可見光都有能量輻射，但在紅外波段輻射能量強(qiáng)于紫外波段。在火焰紅外波段內(nèi)的4.4 μm附近能夠觀察到峰值。另一方面太陽光經(jīng)過大氣層時(shí)，由于太陽光中的4.4 μm附近的能量被大氣層中的CO2所吸收而衰減很大，大氣中4.4 μm紅外波段強(qiáng)度比較弱。因此，4.4 μm波段是用于紅外火焰探測的重要波段[9]。

火焰除了輻射光譜特征以外，還具有另一個(gè)顯著的特征是閃爍頻率。相關(guān)文獻(xiàn)表明，火焰固有的頻率在12 Hz左右[10]，受到現(xiàn)場風(fēng)速與火勢的影響，通常頻率在1～25 Hz之間。

1.2 過零點(diǎn)與時(shí)間擬合直線

若采集的信號(hào)為交流信號(hào)，在信號(hào)的幅值時(shí)間圖上存在著過零點(diǎn)。假設(shè)從記錄的點(diǎn)開始記為0時(shí)刻，將每一個(gè)過零點(diǎn)與其對應(yīng)的時(shí)刻記錄下來，做出過零點(diǎn)時(shí)間圖，圖的橫坐標(biāo)為過零點(diǎn)序列。圖的縱坐標(biāo)為每一個(gè)過零點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間，單位為s。以y=sin 2t為例，記錄20個(gè)過零點(diǎn)，做出y的過零點(diǎn)時(shí)間圖，如圖1所示。

圖1 sin 2t的過零點(diǎn)時(shí)間圖

由圖1可以看出，其過零點(diǎn)與其對應(yīng)的時(shí)間為線性關(guān)系，用最小二乘法擬合直線，得到直線方程為

y=1.570 9x-1.557 6

根據(jù)n個(gè)周期所經(jīng)歷的時(shí)間為nT，而一個(gè)正弦波周期有(2n+1)個(gè)過零點(diǎn)，這些過零點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間為k(2n+1)，則可以得到如式(1)的等式關(guān)系

k·(2n+1)=nT

(1)

轉(zhuǎn)換成

(2)

當(dāng)n→∞時(shí)

(3)

從而可以得出

T=2k

(4)

由式(4)可以得出y=sin 2t的周期T=2k=3.141 8，f=0.318 2，與信號(hào)的實(shí)際周期,頻率相吻合。結(jié)果表明，對于連續(xù)的頻率不變的信號(hào)源過零點(diǎn)與時(shí)間的擬合直線是線性的，其斜率可以計(jì)算信號(hào)的周期，反映信號(hào)的頻率。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)紅外火焰探測器的工作原理，本文選用4.4 μm波段的熱釋電傳感器[11,12]，經(jīng)過微弱信號(hào)放大濾波處理，將采集的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡，傳輸給計(jì)算機(jī)。其中電路的放大倍數(shù)為50，帶通濾波器的截止頻率為2～40 Hz，采集卡的采樣頻率為2 000 Hz。

2.2 火焰與高溫干擾實(shí)驗(yàn)

2.2.1 酒精燈火焰

在室溫18 ℃的條件下，對距離為50 cm,火焰高度為5 cm的酒精燈火焰進(jìn)行信號(hào)采集，待火焰跳動(dòng)穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)中的2 000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。將采集的信號(hào)經(jīng)去直流，濾波處理得到信號(hào)的時(shí)域圖，如圖2所示。圖中可以看出其過零點(diǎn)的分布是均勻的。

圖2 酒精燈火焰時(shí)域圖

2.2.2 蠟燭火焰

在室溫18 ℃的條件下，對一根距離10 cm,火焰高度為5 cm的蠟燭進(jìn)行測試。圖3為蠟燭火焰的時(shí)域圖。從圖3中可以看出,蠟燭火焰的幅值隨著時(shí)間的變化而變化，其過零點(diǎn)的分布依然是均勻的。

圖3 蠟燭火焰時(shí)域圖

2.2.3 高溫?zé)嵩?/p>

將電烙鐵加熱至370 ℃，圖4為電烙鐵的時(shí)域圖。從圖4可以看出，隨著電烙鐵的溫度變化，采集信號(hào)的幅值發(fā)生變化，過零點(diǎn)的分布不均勻。因?yàn)殡娎予F的加熱過程，其加熱功率不斷變化，傳感器采集信號(hào)的頻率也隨之變化，這也是其他很多高溫?zé)嵩床煌诨鹧娴闹帯?/p>

圖4 高溫電烙鐵的時(shí)域圖

為了更清晰地比較火焰和高溫?zé)嵩葱盘?hào)的過零點(diǎn)分布差別，做出酒精燈火焰、蠟燭火焰、高溫?zé)嵩匆约盁o火焰信號(hào)時(shí)的過零點(diǎn)時(shí)間圖，如圖5所示。列出用最小二乘法擬合直線的斜率以及線性度表，如表1所示。

圖5 不同物質(zhì)的過零點(diǎn)時(shí)間圖

信號(hào)源斜率k線性度/% 酒精燈火焰0．04972．09 蠟燭火焰0．04100．30 電烙鐵0．094512．21 無熱源0．01010．30

由圖5可以看出，由于工頻干擾并沒有完全抑制，且過零點(diǎn)分布均勻，其過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線呈線性。但其斜率僅有0.010 1，而無論是高溫?zé)嵩?，還是火焰都會(huì)較之大許多。所以，并不會(huì)影響對于火焰的判斷。從表1中可以看出，電烙鐵的擬合直線的線性度要高于10 %，而火焰的線性度明顯小于高溫電烙鐵。

2.3 酒精燈火焰實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)表明:酒精燈火焰在一定時(shí)間內(nèi)，頻率是不變的。這里以酒精燈為例，分別取距離為100 cm，外焰高度分別為4,6,10 cm的酒精燈火焰，做3組實(shí)驗(yàn)。分別做出其過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線，如圖6所示。

圖6 酒精燈的過零點(diǎn)時(shí)間圖

由圖6可以看出，3組過零點(diǎn)與時(shí)間滿足線性關(guān)系。分別計(jì)算3組直線的斜率和線性度，如表2所示。

表2 酒精燈火焰的過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線的斜率和線性度

火焰高度/cm斜率k線性度/%40．05371．2360．05781．0610 0．04472．04

通過式(4)由斜率計(jì)算出信號(hào)的頻率fk，與信號(hào)頻譜中幅值最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率fm進(jìn)行比較，得出誤差，如表3所示。

表3 頻率計(jì)算值fk、實(shí)際值fm及誤差

火焰高度/cmfkfm誤差/%411．718811．18561．1868．78918．65051．5810 9．27739．31090．36

由表2可以看出，在一定范圍內(nèi)，酒精燈火焰的過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線的線性度小于3 %，可以認(rèn)為近似線性。由表3可以看出:隨著火焰大小的變化，酒精燈火焰的閃爍頻率也發(fā)生變化。通過式(4)計(jì)算出的頻率與實(shí)際頻率的誤差小于2 %。

實(shí)驗(yàn)表明：高溫干擾的過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線的線性度明顯高于火焰，用線性度作為識(shí)別火焰信號(hào)與高溫干擾信號(hào)的一個(gè)特征值，具有一定的可行性。物質(zhì)在燃燒時(shí)，閃爍的頻率在一定時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的，其過零點(diǎn)時(shí)間擬合直線是近似線性的。

3 結(jié) 論

本文提出擬合直線的斜率與線性度可作為紅外火焰探測信號(hào)的兩個(gè)特征值，提高了單波段紅外探測的抗干擾特性，同時(shí)兼顧了頻率特征信息，減少了通過頻域計(jì)算的算法復(fù)雜度，更易應(yīng)用到產(chǎn)品中。

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Study of feature extraction of infrared flame detection signal

ZHOU Yong-jie, YU Zhen-hong, YIN Yu

(College of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

In design of infrared flame detector,the selection of characteristic values is the key factor to identify the fire.Firstly,the relationship between the zero point and its corresponding time of flame and heat source are analyzed,linearity of fitting straight line about zero points and time is proposed to be a characteristic value to distinguish the flame and heat source.At the same time,based on the analysis on over zero points and time in different sizes of alcohol lamp flame,the frequency of flame can be calculated by the slope of the fitting straight line,so the proposed slope can be another characteristic value.Experimental results shows that within a certain range,linear relationship between over zero points and its corresponding time of the flame is invariable at certain range,then linearity and slope are proposed to be the characteristic values for flame recognition is feasible.

infrared flame detector; characteristic values; over zero point; linearity

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0008—03

2016—03—20

TP 183

A

1000—9787(2017)02—0008—03

周永杰(1991-)，女,碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>