高靈敏度的反射式激光線性光束探測器

新一代高靈敏度反射式光學(xué)性質(zhì)有關(guān)。如圖所示，光強為的單色平行光激光線型光束感煙探測器深圳市賦安安全系統(tǒng)有限公司李東廣東省公安消防總隊嚴(yán)洪深圳市賦安安全系統(tǒng)有限公司張杰摘要本文研制的激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器能夠識別真正的火災(zāi)和非火災(zāi)導(dǎo)致的光衰減。同時，利用激光的準(zhǔn)確率、單向性好、單色性好的特點，再加上光路上的設(shè)計，本產(chǎn)品能實現(xiàn)比傳統(tǒng)產(chǎn)品高幾十倍的靈敏度。由于使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在高靈敏度情況下，誤報率卻比傳統(tǒng)產(chǎn)品大大降低。一、引言紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器采用的是火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧對光的吸收、散射，造成光衰減；再通過測量光衰減的程度判斷火災(zāi)發(fā)生的可能性。紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器一般由發(fā)射器、接收器組成，發(fā)射器發(fā)送的紅外光束經(jīng)過?的直線空間，到達接收器。在潔凈的空間情況下，發(fā)射的光束到達接收器所在平面，接收器收到的光通量基本上與發(fā)射器、接收器距離的平方成反比，與接收器透鏡的面積成正比。接收器通過光的衰減百分比設(shè)定報警閾值。但傳統(tǒng)的紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器普遍存在調(diào)試對準(zhǔn)困難、火災(zāi)判斷方法單一、抗干擾性能不強等缺點。我們最近與國內(nèi)著名高校合作研制推出了新一代的反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器，利用國際先進的激光技術(shù)，并配合以自主設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，全智能地判斷火災(zāi)的產(chǎn)生。它具有安裝簡單、調(diào)試容易、靈敏度極高和全智能判斷等優(yōu)點。二、原理光通過氣溶膠時一部分光透過，一部分被吸收，而另一部分被散射。被散射的包括原始射線束中被衍射、折射和反射的部分。光的衰減就是氣溶膠對入射光吸收和散射的結(jié)果，它的吸收與散射都與顆粒的直徑、射線的波長入以及氣溶膠的束： 圖1光的衰減 段距： 限薄層 后尢里父為 。頭儂衣明，在相當(dāng)寬的光強度范圍內(nèi)， 相當(dāng)精確地正比于和，即I式中a是與光強無關(guān)的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（）。于是，上式是光強的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律。為了求出光束穿過厚度為的物質(zhì)后光強的改變，可將上式改寫為a然后對積分，即可得—— a換言之，若入射光強為則通過的物質(zhì)后的光強為a稱為布格定律（ ）。實驗表明，當(dāng)光被一種氣溶膠中的物質(zhì)吸收時，吸收系數(shù)a與該氣溶膠的濃度成正比，即a，其中是一個與濃度無關(guān)的常量。這時，式可以寫成上式為比爾定律（ ）。經(jīng)過變換，可得到：心虱阻片）—燈修⑷口“白0式中，常數(shù)，與光源、探測器有關(guān)的常數(shù)；光路中存在的直徑為?顆粒個數(shù)；，入射光強；出射光強。

反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器就是利用比爾定律來檢測氣溶膠濃度原理的?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢跫t外光束線型感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計，最重要是選擇光源器件。傳統(tǒng)紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器采用普通的大功率 發(fā)光管做光源，但發(fā)光管發(fā)散角度大而不統(tǒng)一，單色性不好。發(fā)散角大小，影響著收器接收的光通量與距離關(guān)系。例如，國外某牌子的紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器，在 米距離時，發(fā)射光的直徑散射為米，接收器接收的光通量只有發(fā)射端的 造成自身靈敏度的急劇下降。我們在反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器中使用激光作為探測光源，其單向型能特別好。激光束的發(fā)散角用弧度(來表示：通常半導(dǎo)體激光器的光束在垂直和水平方向的發(fā)散角不同，垂直方向發(fā)散角大，而平行方向發(fā)散角則較小。我們研制的反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器的垂直發(fā)散角約在 ，即°平行發(fā)散角約為 由于激光的單向性好，就能夠做到靈敏度與距離無關(guān)。從圖可看出，傳統(tǒng)探測器的靈敏度基本隨距離呈指數(shù)下降，而反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器靈敏度則有著基本上與距離無關(guān)的特性。要說明的是，④曲線的略微右傾是由于空氣和空氣中的塵埃對光也有吸收、散射以及其他誤差因素造成的。光的散射分兩大類：彈性光散射和非彈性光。當(dāng)散射體線度遠小于光波波長時，發(fā)生彈性散射，一般稱瑞利散射。根據(jù)瑞利散射原理，散射光的光強與光波波長的四次方成反比，即：IcczAxi/r ( )波長越長，透射率越高。如果散射體線度等于或超過光波波長時，發(fā)生散射稱米氏()散射，這時候散射出現(xiàn)復(fù)雜情況，如圖經(jīng)篩選，我們選擇波長較短的的近紅外段激光光源，保證了對氣溶膠反應(yīng)敏度。0 10 20 30 40 50 60發(fā)射號接收H0 10 20 30 40 50 60發(fā)射號接收H網(wǎng)電(m)圖靈敏度與距離的關(guān)系可知，折射率越大，焦距越短；折射率越小，焦距越長。下面我們看看是紅外光經(jīng)在光路的設(shè)計上，傳統(tǒng)的紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器使用的透鏡組合具有邊緣畸變、色差等問題，這也是紅外系統(tǒng)設(shè)計中普遍存在的問題。色差是由于不同波長的光對同一介質(zhì)的折射率不同，導(dǎo)致在光學(xué)系統(tǒng)中傳播的路徑不同造成的。根據(jù)薄透鏡焦距公式：圖中①、②曲線是國外兩種傳統(tǒng)紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器的測試數(shù)據(jù)；③是國內(nèi)一種紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器的測試數(shù)據(jù)；④新一代反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器的測試數(shù)據(jù)。圖紅外光的透鏡色差過透鏡造成色差的例子：在圖中，平行光會聚的象差，造成焦點不一致。象差造成的誤差在透鏡式的光學(xué)系統(tǒng)中很難消圖（）部分是激光二極管的發(fā)射光譜寬度，圖（）部分是發(fā)射光譜寬度；激光二極管的發(fā)射光譜寬度只有?納米；而發(fā)射光譜寬度則大于納米。除，尤其對于紅外光。一般使用正負(fù)透鏡組合進行糾正；同時正負(fù)兩個透鏡使用不激光器件的象差約為 的幾十分之一，基本上消除了象差帶來的光學(xué)誤差。同的色散材料，使色散相互抵消。采用正在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，考慮到只是使用對比。一代反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器產(chǎn)品的比較表：表新老產(chǎn)品的誤差比較色差球差慧差象散對比。一代反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器產(chǎn)品的比較表：表新老產(chǎn)品的誤差比較色差球差慧差象散場曲^變傳統(tǒng)線型探測器的光學(xué)系統(tǒng)有有無無有有新產(chǎn)品的光學(xué)系統(tǒng)無無無無無無從光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計上，反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器基本上消除了光學(xué)系統(tǒng)帶來的誤差，比傳統(tǒng)產(chǎn)品有了質(zhì)的飛躍?！酢酢酢酢酢醴瓷涫郊す饧t外線型感煙火災(zāi)探測器由主體和反射鏡構(gòu)成。主體完成調(diào)制、發(fā)射、接收、處理等主要功能，反射鏡是完成探測光線的反射作用。示意圖如下：圖新式系統(tǒng)組成示意圖負(fù)透鏡組合的辦法對透鏡材料要求較高工藝也較復(fù)雜。在研制的反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器時，我們使用了激光器件，較好地解決這個問題。由于激光器件是窄光譜器件，單色性極好。圖是億光公司同一中心波長的和激光二極管的發(fā)射譜線于小視場的場合，我們使用反射式物鏡設(shè)計。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于工作波段寬，消除了色差等透鏡系統(tǒng)較難消除的問題。衡量光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)劣，最重要就是評價它的誤差。光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差有六種（也可分為七種的，即把色差分為軸向色差和橫向色差）。下面給出傳統(tǒng)產(chǎn)品與新主體由數(shù)控單元、發(fā)射單元、接收單元、以及其他輔助電路單元組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。圖新式系統(tǒng)構(gòu)成圖□□□□□□□□反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器利用激光探測機理的優(yōu)越性和良好的光學(xué)同。木材在燃燒時產(chǎn)生的是接近白色的煙，粒子直徑約在?M形狀呈球形并有約的揮發(fā)性物質(zhì)；而塑膠材料燃燒的煙則有的附著物，當(dāng)有明火并氧氣不足時，產(chǎn)生大量黑煙，粒徑變化較大，約在?M之間。為了更好地識別各種不同的火災(zāi)環(huán)境情況，我們對三層前饋型網(wǎng)絡(luò)和各個參數(shù)選擇作了優(yōu)化，充分利用激光傳感的優(yōu)點，建立了動態(tài)模型，使用該模型對光信號變化率、變化幅度、與時間的微分、積分關(guān)系進行處理，最后輸出種判斷信號。為驗證效果，我們將圖中的四種產(chǎn)品按照國家標(biāo)準(zhǔn) 進行了火災(zāi)靈敏度比對試驗，并取得以下表格所示的試驗結(jié)果：系統(tǒng)設(shè)計，達到了很高的靈敏度。但是如果火災(zāi)報警的算法依然采取傳統(tǒng)的閾值報警，則只能帶來誤報率提高的不良后果。先進的傳感器件如果沒有優(yōu)秀的算法配合，整個系統(tǒng)的性能就沒有良好的匹配。新型的反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器，使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行火災(zāi)的識別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)系統(tǒng)，它是一種大規(guī)模的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。由于火災(zāi)發(fā)生過程的非線性，使用傳統(tǒng)的模型無法解決火災(zāi)發(fā)生情況的模擬，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力，有著與傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)點。我們在算法的設(shè)計中，使用了目前典型的三層前饋型網(wǎng)絡(luò)，它代表了典型的前向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。三層前饋型 網(wǎng)絡(luò)誤差逆?zhèn)鞑W(xué)習(xí)方法的基本思路是如下：）確定起始條件：初始化權(quán)值、閾值等參數(shù)；）選擇學(xué)習(xí)模式，提供學(xué)習(xí)的火災(zāi)樣本數(shù)據(jù)；）把樣本輸入數(shù)據(jù)通過連接權(quán)矩陣計算出隱含單元的激活值輸出層單元的激活值；）計算網(wǎng)絡(luò)的實際輸出與期望輸出的誤差。不同燃燒物資產(chǎn)生的煙的光學(xué)性質(zhì)不表樣品火災(zāi)靈敏度比對試驗結(jié)果樣品編號樣品數(shù)目測試次數(shù)最快報警時間（秒）最慢報警時間（秒）平均報警時間（秒）□□□□□□□□□□反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器是在分析傳統(tǒng)紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器的特點和不足的情況下，吸收了當(dāng)今先進的技術(shù)而研制出的新一代線型火災(zāi)探測器。它具有靈敏度高，而誤報率低等特點（詳見表）?！酢酢酢酢跏褂眉す鈦硖綔y氣溶膠的濃度、顆粒大小以及氣溶膠的性質(zhì)是現(xiàn)在國際上重要的研究課題。我國在這方面起步較晚，但近幾年也取得了不少的成果。把這方面的研究成果應(yīng)用于火災(zāi)報警領(lǐng)域，我們也作了不少探索和嘗試。反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器作為我們研究的成果之一，性能達到甚至超過國際領(lǐng)先水平的。在國外，只有少數(shù)廠家能夠設(shè)計出激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器，是其中之一，他們在最近才推出了的激光線型感煙火災(zāi)探測器。表新老產(chǎn)品性能比對表\^傳統(tǒng)紅外光束線型感煙火災(zāi)探測器^一代反射式激光紅外線型感煙火災(zāi)探測器^敏度較低；固定有3或4個等級報警時間長，并隨距離增加靈敏度下降高；靈敏度可智能調(diào)節(jié)；報警時間短，與距離無關(guān)；誤報率較高;探測誤差較大;各種非火災(zāi)因素引起的光衰減不能有效分別.極低；對火災(zāi)樣本進行學(xué)習(xí)，F(xiàn)UAN_UNET算法能避免各種干擾造成的誤報強光影響無法報警衰減的光信號被外界強光補充，造成有火災(zāi)煙霧也無法報警光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，使80%以上外界強光被過濾；通過脈沖調(diào)制位式，能區(qū)別外界強光和發(fā)射■光源，不會對報警產(chǎn)生影響抗干^性能較差抗干擾措施較少較強；從原理上、系統(tǒng)設(shè)計上進行^干擾設(shè)計；^裝調(diào)試發(fā)射、接收兩端都要接線;安裝調(diào)試復(fù)雜對準(zhǔn)難度大發(fā)射、接收一本化，只需一端接線，安裝簡單；使用高精度的激光裝置^對準(zhǔn)簡單；灰塵水氣影響會誤報;光衰減超過閾值就報警；不會誤報；雖然光被衰減；但由于減模式與火災(zāi)模式不相同，能郵識別不會誤報探測范圍<=1500m八2由于使用較大功率的激光器件，監(jiān)測距離很長，可超過100m；靈敏度高，監(jiān)測寬度比傳統(tǒng)大30%報警算法使用傳統(tǒng)的開關(guān)量閾值算法沒有智能識別.使用當(dāng)今最先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；能夠準(zhǔn)確識別火災(zāi)與非火災(zāi)的