(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

紅外火焰探測(cè)器對(duì)高溫?zé)嵩?、?qiáng)光等干擾源極其敏感[1]，故探測(cè)距離越遠(yuǎn)、抗干擾能力越差、誤報(bào)警概率增高[2]。開(kāi)發(fā)一款兼具抗干擾力強(qiáng)與探測(cè)距離遠(yuǎn)的紅外火焰探測(cè)器，難度大[3]。為此，考慮基于有限線性調(diào)頻Z變換(CZT)算法，設(shè)計(jì)能有效區(qū)分火焰信號(hào)與干擾信號(hào)(高溫?zé)嵩?、?qiáng)光等)的窄帶頻域火焰檢測(cè)算法。

1 多波段紅外火焰探測(cè)器的特點(diǎn)

1.1 多波段紅外火焰探測(cè)器結(jié)構(gòu)

多波段紅外火焰探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 多波段紅外火焰探測(cè)器外形

多波段紅外火焰探測(cè)器采用防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路在內(nèi)部固定。探測(cè)器關(guān)鍵元件主要分布在探測(cè)器頂端，由光學(xué)自檢燈、紅外熱釋電元件、光學(xué)鏡片、指示燈等部件組成。其中光學(xué)鏡片為定制型號(hào)用于濾除一定波段的紅外干擾信號(hào)，光學(xué)自檢燈用于定時(shí)檢測(cè)光學(xué)鏡片的潔凈程度；紅外熱釋電元件透過(guò)定制的光學(xué)玻璃檢測(cè)視窗外的紅外信號(hào)，檢測(cè)到視窗前有火焰發(fā)生時(shí)，指示燈進(jìn)行報(bào)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(cè)器采用五波段紅外熱釋電元件設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)中紅外波段min、遠(yuǎn)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(hào)的檢測(cè)通道，分別用于檢測(cè)二氧化碳與水蒸氣產(chǎn)生的紅外信號(hào)；遠(yuǎn)紅外波段far波段用于檢測(cè)高溫干擾源產(chǎn)生的紅外噪聲信號(hào)[4]；近紅外波段nir波段用于檢測(cè)由環(huán)境輻射引起的紅外干擾噪聲信號(hào)[5]；熱源參考波段heat波段用于檢測(cè)強(qiáng)光干擾產(chǎn)生的紅外噪聲信號(hào)[6]。

2 探測(cè)算法

2.1 頻域分析算法的選擇

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

采用有限線性調(diào)頻Z變換(CZT)的頻域分析算法能在將干擾信號(hào)濾除的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)精確細(xì)化到源信號(hào)的窄帶頻域區(qū)間內(nèi)。以便于對(duì)源信號(hào)在其特定窄帶頻域區(qū)間內(nèi)加以分析。因此選擇基于CZT原理對(duì)多重紅外火焰探測(cè)器進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)[10]。

2.2 CZT算法的基本原理

CZT變化利用調(diào)節(jié)傅里葉變換的入口數(shù)據(jù)數(shù)N和出口數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)M，來(lái)實(shí)現(xiàn)在單位圓上任意一圈曲線上進(jìn)行有限Z變化。以實(shí)現(xiàn)在某一特征窄帶頻段上進(jìn)行頻率精確細(xì)化的功能。

設(shè)x(n)為已知的時(shí)間信號(hào)，x(n)的Z變化為

(1)

式中：Z=Aejw。

對(duì)上式的Z做修改，設(shè)Zr=AW-r,(A=A0ejθ0),W=W0e-jφ0),其中A0為起點(diǎn)取樣點(diǎn)的矢量半徑長(zhǎng)度。CZT中令A(yù)0=1，表示在單位圓上取值；為起始取樣點(diǎn)θ0相角，即選取頻率范圍的起點(diǎn)；φ0為兩相鄰Zk點(diǎn)之間角頻率差,即選頻范圍內(nèi)的頻率分辨率。令W0=1，使得計(jì)算周線在單位圓上進(jìn)行；令M=N，使得 CZT便于計(jì)算。因此，通過(guò)調(diào)整θ0來(lái)確定選頻范圍的起點(diǎn)；通過(guò)調(diào)整φ0來(lái)確定選頻范圍內(nèi)頻譜細(xì)化倍數(shù)?？傻脁(n)的CZT變換的結(jié)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(lái)進(jìn)行表達(dá)。

圖2 有限調(diào)頻Z變換原理

其中：

(4)

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

(5)

通過(guò)g(n)與h(n)的卷積運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)在圓周上的M點(diǎn)的X(Zr)運(yùn)算。利用快速傅里葉變換(FFT)可以迅速計(jì)算出圓周卷積運(yùn)算。

圖3 有限調(diào)頻Z變換實(shí)現(xiàn)原理

2.3 窄帶頻域火焰探測(cè)算法

通過(guò)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)確定火焰抖動(dòng)所引起的熱釋電器件電信號(hào)的變化的頻率主要分布在火焰信號(hào)特征頻段窄帶頻段上。

將火焰信號(hào)特征頻段的窄帶頻域稱作特征頻段。設(shè)置εi為第i波段熱釋電元件經(jīng)過(guò)CZT變化后在火焰信號(hào)特征頻段上模值的和值。ε1至ε5的表達(dá)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(shè)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(shè)Th1-Th4分別對(duì)應(yīng)R1～R4的報(bào)警閾值，Th5為nir波段高溫、強(qiáng)光干擾的臨界屏蔽閾值，即只有當(dāng)ε5≥Th5時(shí)，算法會(huì)屏蔽掉火焰的報(bào)警信號(hào)。

火焰檢測(cè)算法的流程見(jiàn)圖4。

圖4 火焰檢測(cè)算法流程

當(dāng)計(jì)算結(jié)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(cè)算法驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)多波段紅外火焰探測(cè)器進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，并記錄下hir波段與min波段信號(hào)在火焰信號(hào)特征頻段火焰特征頻域上的模式關(guān)系，從而驗(yàn)證窄帶頻域火焰探測(cè)算法的性能。

圖5中橫坐標(biāo)為檢測(cè)頻率，縱坐標(biāo)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(guān)系圖，下半部分為min波段的火焰特征頻域的模值關(guān)系圖。圖中豎線標(biāo)記的地方，是產(chǎn)生火焰信號(hào)時(shí)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(cè)算法可以明顯分辨出干擾源信號(hào)并保留火焰信號(hào)特征。

3 探測(cè)器探測(cè)距離與抗干擾試驗(yàn)

3.1 火焰探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)

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(cè)器1～30 m直線區(qū)間內(nèi)每隔1 m作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。

多波段紅外火焰探測(cè)器距火盆1～30 m區(qū)間內(nèi)均能在30 s內(nèi)進(jìn)行火焰報(bào)警,見(jiàn)表1。

表1 火焰探測(cè)報(bào)警距離實(shí)驗(yàn)情況

3.2 抗干擾實(shí)驗(yàn)

3.2.1 抗強(qiáng)光源干擾實(shí)驗(yàn)

分別采用白熾燈、汞燈、鈉燈、鹵素?zé)糇鳛閺?qiáng)光源，在距離多波段紅外火焰探測(cè)器10、20、30、40 cm處對(duì)其進(jìn)行閃爍1 min連續(xù)照射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。在上述各種工況的強(qiáng)干擾下，多波段紅外火焰探測(cè)器均未出現(xiàn)誤報(bào)警情況。

表2 抗強(qiáng)光源干擾實(shí)驗(yàn)情況表

3.2.2 抗高溫?zé)嵩锤蓴_實(shí)驗(yàn)

利用可調(diào)溫的電烙鐵作為高溫?zé)嵩?。分別在距離探測(cè)器10、20、30、40 cm處，將電烙鐵調(diào)至100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。并將電烙鐵在該位置上保持1 min，實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表3。在上述各種工況的強(qiáng)干擾下，多波段紅外火焰探測(cè)器均未出現(xiàn)誤報(bào)警情況。

表3 抗高溫?zé)嵩锤蓴_實(shí)驗(yàn)情況表

4 結(jié)論

通過(guò)火焰探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探測(cè)器在30 m處對(duì)12.5 cm×12.5 cm的火盆火在10 s內(nèi)能夠報(bào)警，即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離火焰探測(cè)；通過(guò)抗強(qiáng)光源干擾實(shí)驗(yàn)、抗高溫?zé)嵩锤蓴_實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)探測(cè)器均未發(fā)生誤報(bào)警，驗(yàn)證探測(cè)器高抗干擾能力，說(shuō)明在頻域中基于CZT算法處理火焰探測(cè)器的信號(hào)，能夠有效區(qū)分火焰信號(hào)與干擾信號(hào)(高溫?zé)嵩?、?qiáng)光等)。