基于CZT算法的多波段红外火焰探测器设计

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所,哈尔滨 150078)

红外火焰探测器对高温热源、强光等干扰源极其敏感[1]，故探测距离越远、抗干扰能力越差、误报警概率增高[2]。开发一款兼具抗干扰力强与探测距离远的红外火焰探测器，难度大[3]。为此，考虑基于有限线性调频Z变换(CZT)算法，设计能有效区分火焰信号与干扰信号(高温热源、强光等)的窄带频域火焰检测算法。

1 多波段红外火焰探测器的特点

1.1 多波段红外火焰探测器结构

多波段红外火焰探测器的结构图见图1。

图1 多波段红外火焰探测器外形

多波段红外火焰探测器采用防爆结构设计，硬件电路在内部固定。探测器关键元件主要分布在探测器顶端，由光学自检灯、红外热释电元件、光学镜片、指示灯等部件组成。其中光学镜片为定制型号用于滤除一定波段的红外干扰信号，光学自检灯用于定时检测光学镜片的洁净程度；红外热释电元件透过定制的光学玻璃检测视窗外的红外信号，检测到视窗前有火焰发生时，指示灯进行报警提示。

1.2 热释电元件波段的选择

图1中的红外火焰探测器采用五波段红外热释电元件设计，分别对应中红外波段min、远红外波段far、近红外波段nir、热源参考波段heat、氢元素红外参考波段hir的红外热释电元件。其中min与hir波段作为火焰信号的检测通道，分别用于检测二氧化碳与水蒸气产生的红外信号；远红外波段far波段用于检测高温干扰源产生的红外噪声信号[4]；近红外波段nir波段用于检测由环境辐射引起的红外干扰噪声信号[5]；热源参考波段heat波段用于检测强光干扰产生的红外噪声信号[6]。

2 探测算法

2.1 频域分析算法的选择

在分析传感器信号时，常采用时域分析与频域分析两种方法。时域分析算法虽然实时能力强，但是难以滤除叠加在源信号上的各频段的干扰信号[7]；频域分析算法——快速傅里叶变换(FFT)[8]，能有效的在频域内将干扰信号滤除，只保留源信号。但FFT得到的将是全频域的信号分布图，无法精确细化到源信号的窄带频域区间[9]。

采用有限线性调频Z变换(CZT)的频域分析算法能在将干扰信号滤除的基础上，将数据精确细化到源信号的窄带频域区间内。以便于对源信号在其特定窄带频域区间内加以分析。因此选择基于CZT原理对多重红外火焰探测器进行算法开发[10]。

2.2 CZT算法的基本原理

CZT变化利用调节傅里叶变换的入口数据数N和出口数据点数M，来实现在单位圆上任意一圈曲线上进行有限Z变化。以实现在某一特征窄带频段上进行频率精确细化的功能。

设x(n)为已知的时间信号，x(n)的Z变化为

(1)

式中：Z=Aejw。

对上式的Z做修改，设Zr=AW-r,(A=A0ejθ0),W=W0e-jφ0),其中A0为起点取样点的矢量半径长度。CZT中令A0=1，表示在单位圆上取值；为起始取样点θ0相角，即选取频率范围的起点；φ0为两相邻Zk点之间角频率差,即选频范围内的频率分辨率。令W0=1，使得计算周线在单位圆上进行；令M=N，使得 CZT便于计算。因此，通过调整θ0来确定选频范围的起点；通过调整φ0来确定选频范围内频谱细化倍数。可得x(n)的CZT变换的结果为

(2)

(3)

令X(Zr)=x(n)*A-nWr2/2，h(n)=W-n2/2,由此CZT可以用下图来进行表达。

图2 有限调频Z变换原理

其中：

(4)

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

(5)

通过g(n)与h(n)的卷积运算可以实现在圆周上的M点的X(Zr)运算。利用快速傅里叶变换(FFT)可以迅速计算出圆周卷积运算。

图3 有限调频Z变换实现原理

2.3 窄带频域火焰探测算法

通过点火实验确定火焰抖动所引起的热释电器件电信号的变化的频率主要分布在火焰信号特征频段窄带频段上。

将火焰信号特征频段的窄带频域称作特征频段。设置εi为第i波段热释电元件经过CZT变化后在火焰信号特征频段上模值的和值。ε1至ε5的表达式如下。

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)

设R1与R2分别为min波段与far、heat波段通道特征频段上模值和的比值；R3与R4分别表示hir波段与far、heat波段通道特征频段上模值和的比值。即：

(11)

(12)

(13)

(14)

设Th1-Th4分别对应R1～R4的报警阈值，Th5为nir波段高温、强光干扰的临界屏蔽阈值，即只有当ε5≥Th5时，算法会屏蔽掉火焰的报警信号。

火焰检测算法的流程见图4。

图4 火焰检测算法流程

当计算结果满足Ri>THi(其中i=1,2,3,4),并且ε5

2.4 窄带频域火焰探测算法验证

通过对多波段红外火焰探测器进行点火实验，并记录下hir波段与min波段信号在火焰信号特征频段火焰特征频域上的模式关系，从而验证窄带频域火焰探测算法的性能。

图5中横坐标为检测频率，纵坐标为火焰特征频域的模值。其中上半部分为hir波段的火焰特征频域的模值关系图，下半部分为min波段的火焰特征频域的模值关系图。图中竖线标记的地方，是产生火焰信号时刻。

图5 min与hir波段火焰特征频域模值

从图5可以看出火焰检测算法可以明显分辨出干扰源信号并保留火焰信号特征。

3 探测器探测距离与抗干扰试验

3.1 火焰探测距离实验

利用正庚烷作为燃料，12.5 cm×12.5 cm的金属火盆作为盛放燃料的容器。

将火盆在距离多波段红外火焰探测器1～30 m直线区间内每隔1 m作为一个实验点，进行点火实验。

多波段红外火焰探测器距火盆1～30 m区间内均能在30 s内进行火焰报警,见表1。

表1 火焰探测报警距离实验情况

3.2 抗干扰实验

3.2.1 抗强光源干扰实验

分别采用白炽灯、汞灯、钠灯、卤素灯作为强光源，在距离多波段红外火焰探测器10、20、30、40 cm处对其进行闪烁1 min连续照射。实验结果见表2。在上述各种工况的强干扰下，多波段红外火焰探测器均未出现误报警情况。

表2 抗强光源干扰实验情况表

3.2.2 抗高温热源干扰实验

利用可调温的电烙铁作为高温热源。分别在距离探测器10、20、30、40 cm处，将电烙铁调至100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃。并将电烙铁在该位置上保持1 min，实验情况见表3。在上述各种工况的强干扰下，多波段红外火焰探测器均未出现误报警情况。

表3 抗高温热源干扰实验情况表

4 结论

通过火焰探测距离实验验证探测器在30 m处对12.5 cm×12.5 cm的火盆火在10 s内能够报警，即实现远距离火焰探测；通过抗强光源干扰实验、抗高温热源干扰实验，检验探测器均未发生误报警，验证探测器高抗干扰能力，说明在频域中基于CZT算法处理火焰探测器的信号，能够有效区分火焰信号与干扰信号(高温热源、强光等)。