红外火焰探测信号的特征提取研究

周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡 214122)

红外火焰探测信号的特征提取研究

周永杰， 余震虹， 殷 宇

(江南大学 物联网工程学院,江苏 无锡 214122)

在设计红外火焰探测器时，特征值的选取是识别火焰的关键因素。分别对火焰和高温热源信号的过零点与其对应时间关系进行研究，提出将信号过零点与其对应时间拟合直线的线性度作为区别火焰与高温干扰的一个特征值。通过对相同环境下，不同大小的酒精灯火焰的过零点时间进行分析，发现利用拟合直线的斜率，可计算出火焰的频率；提出拟合直线的斜率可作为识别火焰的另一个特征值。实验结果表明：物质燃烧时，过零点与其对应时间的线性关系在一定范围内保持不变，用拟合直线的线性度和斜率作为识别火焰的特征值具有一定的可行性。

红外火焰探测器； 特征值； 过零点； 线性度

0 引 言

工业生产安全问题一直为人们所重视，火灾的频频发生，给人们的生命财产带来极大的威胁，而工业环境的复杂性，给火灾的检测带来了极大的困难。最初火灾探测的方式为感烟型火灾探测和感温型火灾探测[1,2]。感烟型火灾探测系统是利用火灾发生时产生烟雾的特性来检测环境中的烟雾变化，感温型火灾探测器则是通过周围温度的变化来判断是否有火灾发生。利用这两种方式来探测火灾容易发生误报，且有较大的时间延迟，探测器的灵敏度低。

随着红外技术的发展以及半导体材料和制造工艺的发展成熟[3]，利用热释电红外传感器作为敏感元件的红外火焰探测器逐渐发展起来。火焰识别算法是火焰探测器的核心。特征值的选取影响识别算法的复杂度，以及探测器的精度和抗干扰能力。目前，涉及信号时域的特征值主要包括时域的幅值、连续时间值[4]、时域均值[5]以及信号的能量值[6]和信号的平均功率值[7]等，涉及信号频域的特征值主要为频率[8]和峰值。时域特征值多以选定阈值为主，通过阈值比较的方法判断有无火焰产生。但这种方法的适用范围较窄，随着火焰大小的变化，探测距离的变化，探测到的火焰的能量也发生变化，阈值比较便不再适用，且并不能反映信号的频率特征。可燃物在燃烧时，频率是其重要的特征，但是同种物质在不同环境下燃烧，其频率不尽相同，因此，仅仅依靠频率特征，容易造成系统的漏报误报。

本文针对目前火焰探测信号特征提取方面的不足，提出信号过零点与其对应时间拟合直线的线性度和斜率值可作为火焰识别的两个特征值，并且提出利用拟合直线的斜率可计算信号的频率，有效提高了系统的抗干扰能力。

1 理论分析

1.1 红外火焰探测器的工作原理

不同材料的碳氢化合物燃烧产生的火焰辐射光谱不同。火焰光谱从紫外、红外到可见光都有能量辐射，但在红外波段辐射能量强于紫外波段。在火焰红外波段内的4.4 μm附近能够观察到峰值。另一方面太阳光经过大气层时，由于太阳光中的4.4 μm附近的能量被大气层中的CO2所吸收而衰减很大，大气中4.4 μm红外波段强度比较弱。因此，4.4 μm波段是用于红外火焰探测的重要波段[9]。

火焰除了辐射光谱特征以外，还具有另一个显著的特征是闪烁频率。相关文献表明，火焰固有的频率在12 Hz左右[10]，受到现场风速与火势的影响，通常频率在1～25 Hz之间。

1.2 过零点与时间拟合直线

若采集的信号为交流信号，在信号的幅值时间图上存在着过零点。假设从记录的点开始记为0时刻，将每一个过零点与其对应的时刻记录下来，做出过零点时间图，图的横坐标为过零点序列。图的纵坐标为每一个过零点对应的时间，单位为s。以y=sin 2t为例，记录20个过零点，做出y的过零点时间图，如图1所示。

图1 sin 2t的过零点时间图

由图1可以看出，其过零点与其对应的时间为线性关系，用最小二乘法拟合直线，得到直线方程为

y=1.570 9x-1.557 6

根据n个周期所经历的时间为nT，而一个正弦波周期有(2n+1)个过零点，这些过零点所经历的时间为k(2n+1)，则可以得到如式(1)的等式关系

k·(2n+1)=nT

(1)

转换成

(2)

当n→∞时

(3)

从而可以得出

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，与信号的实际周期,频率相吻合。结果表明，对于连续的频率不变的信号源过零点与时间的拟合直线是线性的，其斜率可以计算信号的周期，反映信号的频率。

2 实 验

2.1 实验平台

根据红外火焰探测器的工作原理，本文选用4.4 μm波段的热释电传感器[11,12]，经过微弱信号放大滤波处理，将采集的信号通过数据采集卡，传输给计算机。其中电路的放大倍数为50，带通滤波器的截止频率为2～40 Hz，采集卡的采样频率为2 000 Hz。

2.2 火焰与高温干扰实验

2.2.1 酒精灯火焰

在室温18 ℃的条件下，对距离为50 cm,火焰高度为5 cm的酒精灯火焰进行信号采集，待火焰跳动稳定后采集数据，对采集数据中的2 000个点进行分析。将采集的信号经去直流，滤波处理得到信号的时域图，如图2所示。图中可以看出其过零点的分布是均匀的。

图2 酒精灯火焰时域图

2.2.2 蜡烛火焰

在室温18 ℃的条件下，对一根距离10 cm,火焰高度为5 cm的蜡烛进行测试。图3为蜡烛火焰的时域图。从图3中可以看出,蜡烛火焰的幅值随着时间的变化而变化，其过零点的分布依然是均匀的。

图3 蜡烛火焰时域图

2.2.3 高温热源

将电烙铁加热至370 ℃，图4为电烙铁的时域图。从图4可以看出，随着电烙铁的温度变化，采集信号的幅值发生变化，过零点的分布不均匀。因为电烙铁的加热过程，其加热功率不断变化，传感器采集信号的频率也随之变化，这也是其他很多高温热源不同于火焰的之处。

图4 高温电烙铁的时域图

为了更清晰地比较火焰和高温热源信号的过零点分布差别，做出酒精灯火焰、蜡烛火焰、高温热源以及无火焰信号时的过零点时间图，如图5所示。列出用最小二乘法拟合直线的斜率以及线性度表，如表1所示。

图5 不同物质的过零点时间图

信号源斜率k线性度/% 酒精灯火焰0．04972．09 蜡烛火焰0．04100．30 电烙铁0．094512．21 无热源0．01010．30

由图5可以看出，由于工频干扰并没有完全抑制，且过零点分布均匀，其过零点时间拟合直线呈线性。但其斜率仅有0.010 1，而无论是高温热源，还是火焰都会较之大许多。所以，并不会影响对于火焰的判断。从表1中可以看出，电烙铁的拟合直线的线性度要高于10 %，而火焰的线性度明显小于高温电烙铁。

2.3 酒精灯火焰实验

上述实验表明:酒精灯火焰在一定时间内，频率是不变的。这里以酒精灯为例，分别取距离为100 cm，外焰高度分别为4,6,10 cm的酒精灯火焰，做3组实验。分别做出其过零点时间拟合直线，如图6所示。

图6 酒精灯的过零点时间图

由图6可以看出，3组过零点与时间满足线性关系。分别计算3组直线的斜率和线性度，如表2所示。

表2 酒精灯火焰的过零点时间拟合直线的斜率和线性度

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

通过式(4)由斜率计算出信号的频率fk，与信号频谱中幅值最大点对应的频率fm进行比较，得出误差，如表3所示。

表3 频率计算值fk、实际值fm及误差

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

由表2可以看出，在一定范围内，酒精灯火焰的过零点时间拟合直线的线性度小于3 %，可以认为近似线性。由表3可以看出:随着火焰大小的变化，酒精灯火焰的闪烁频率也发生变化。通过式(4)计算出的频率与实际频率的误差小于2 %。

实验表明：高温干扰的过零点时间拟合直线的线性度明显高于火焰，用线性度作为识别火焰信号与高温干扰信号的一个特征值，具有一定的可行性。物质在燃烧时，闪烁的频率在一定时间内是稳定的，其过零点时间拟合直线是近似线性的。

3 结 论

本文提出拟合直线的斜率与线性度可作为红外火焰探测信号的两个特征值，提高了单波段红外探测的抗干扰特性，同时兼顾了频率特征信息，减少了通过频域计算的算法复杂度，更易应用到产品中。

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[3] 王汝琳,王咏涛.红外检测技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4] 蔡 鑫.基于红外技术的野外火灾探测系统研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.

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[6] 胡幸江.多波段红外火焰探测器系统研究和产品开发[D].杭州:浙江大学,2013.

[7] 周向真.基于多红外波段的火焰探测系统的设计[D].武汉:华中科技大学,2008.

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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,硕士研究生，主要研究方向为红外火焰传感器。