双鉴式成像感烟探测器——大空间烟雾探测的理想选择

1 背景

在已构建的环境中，形形色色的大型开放空间为火灾探测系统带来了一系列独特的挑战。例如体育馆、大型中庭、机场以及火车站、酒店和会议中心、仓库等建筑物都需要安装对稀释的烟雾较为敏感的火灾探测解决方案，但同时又不允许对空间造成干扰。

OSID双鉴式成像感烟探测器是最新发明的用于开放区域烟雾成像探测的解决方案，可用于常规/普通灵敏度的应用。

OSID可在光线的直接路径上测量由烟雾颗粒所造成的光线消失现象，类似于传统的对射光束式感烟火灾探测器，但是使用了双波长和影像处理后，可以克服众多限制，并具有更多优势。

为了了解这套新系统的操作，我们必须首先了解现有的对射光束式产品是如何运行的，并了解其优点和局限。

2 传统对射光束式探测器的操作原理

在存在一定争议的情况下，对射光束式烟雾探测器是现有所有烟雾传感器中最易于理解的，因为该产品与简单的人眼直接观测相似，在烟雾阻隔视线时光线变暗。从本质上说，测量光的衰减（即消失或遮挡）并不能达到稳定水平，因此光散射探测器，尤其是在较短的距离上，也不能实现稳定。所以，光束探测器一般并不会视为能够与光散射仪器一样进行极早期预警。简单来说，这是因为散射探测器所测量的是接近零信号中较大的增长，而光消失型的探测器则需要解析更大信号中的细微衰减。这样便使稳定性降低、噪声读取升高。

尽管如此，在正确应用的情况下，光束式探测器在多种情形下极其有效，并且性能可以超过点式探测器。但是，还是存在一些基本问题，导致其用户产生抱怨，并被视为一种低端、廉价的选择，因此其仅在其它产品不可用的情况下才适宜使用。

传统的光束式探测器采用两个单元，分别称为发射器和接收器。在发射器内，有一个定期闪烁的光源（一般为红外LED灯）。来自该LED灯的光线通过透镜聚焦为一束强光，并且存在一个可以精确调节的机构来使光束从室内安装发射器的一端对准到另一端的接收器或反射器，该距离可达100m/330ft.接收器中还提供一套对准机构以及一个透镜，可将光束对焦到光线传感器上（通常为硅光电二极管）。在高度简化的形式下，主要的光学元件在图1中表示。

该光电二极管的电输出得到放大和测量，从而可以确定在发射器和接收器之间由于存在烟雾而造成的信号减弱。通常发射器和接收器通过线缆连接到一起，以便光脉冲与接收器同步。在其它设计中，发射器和接收器都放置在一个单独的外壳中，并且与一个远距的反射器对准。反射器并不是平面镜（因为需要精确对准），但采用角反射器单元制成，可将光线良好的反射回光源。

3 传统光束式探测器的问题

传统光束式探测器的主要问题在于对准困难，并且易于产生误报警。例如，这种误报警可能由横幅、气球、甚至进入光束路径的飞鸟造成，或者是空气中的灰尘或昆虫，例如在发射器、接收器或反射器的光学表面爬动的飞蛾。温度变化等造成的常见建筑物位移也会影响对准。典型的光束式探测器要求初次对准的精确度达到约0.1°的位移之内尽管要求较高，但也可以实现。某些探测器设计采用软件控制的电机驱动机构来进行自动微调对准，从而实现并相应的保持最佳信号。

4 OSID的操作原理

相对传统光束式探测器来说，OSID所实现的改进来自于三个核心的设计理念：
（1）使用两种光波长；
（2）使用人眼视觉范围外的紫外线(UV)和红外线 (IR)波长，通过两种光束对较大物件（例如叉车、昆虫和灰尘）反射原理的不同，可识别出真正的烟雾；因此可减少误报警。

使用具有极高像素（与数码相机中所用相同）的CMOS成像芯片，而非单一的光电二极管，从而提供以下功能：
①多束源功能（例如多个光束进入一个接收器）；
②仅通过软件进行自动对准和运动跟踪；
③大型空间内进行烟雾定位。
独特的对准方法：
①“球窝”式外壳，允许进行一系列水平和垂直运动；
②“激光校准器”可供简便、迅速对准。

5 应用和优点

（1）简便的线性配置

在最为简单的配置中，该系统包含一个发射器和一个成像器，位于两个相对的墙上，并且采取简单的对准。

此外，图2提供了说明性的简图；事实上，来自发射器的光束构成圆锥形，宽度为+/-5°.通过使用下文详细介绍的对准工具，可以轻松的将发射器粗略的预先对准至0.5°的精度。对于单独的光束路径，使用配有“望远镜”透镜的成像器，具有+/-5°的视野，也可以使用相同的工具方便的进行预先对准。在透镜总视野为10°的情况下，系统的最大范围为-150m（500英尺）。请注意，给定的视野角度用于水平面；由于成像器芯片采用14:9的传统宽高比，纵轴将相应缩短。一个显著的优点是发射器在成像器视野内的确切位置由成像器软件自动确定，而不需要以机械方式、在高精度下对准光学系统。该软件可识别发射器图像的位置，而该图像则可能处于成像器芯片上活动表面的任何位置。为了便于想象，可以将成像芯片上的活动部分联想为创造一幅可以在普通电视或计算机显示屏上的图片。在发射器闪烁时所获取的一帧上，将显示为图片上的一个亮点。此外，建筑物移动所造成图像的任何进一步重新定位都将由软件跟踪，从而避免了移动所造成的误报警，而不需要任何电机驱动的机械部件。

（2）避免误报警

如果任何烟雾进入光束，则与红外光传输相比，烟雾中的微小颗粒将更为显著的降低紫外光的传输效果，而灰尘和外部物体对于两种光的影响效果则相同。软件可以检验这些信号的强度、信号的变化方式如何，并确定是否要发出报警或标出问题状态。正确使用紫外和红外光可以降低误报警的可能性，并提高对细微颗粒烟雾的灵敏度，因为细微颗粒烟雾的灵敏度在光学探测器中相对较低。

此外，不同染色的过滤材料在不同程度上吸收紫外和红外光，可以用作良好的“无烟”模拟测试用纸，用于现场的调试和维护测试。而传统的光束式探测器的过滤材料则将阻碍两种波长，并且仅仅报告为故障状态，而非火警。

（3）用于区域保护的多重发射器

对于室内保护，可沿墙布置最多七台发射器（见图3）。
在这种情况下，可以为成像器安装80°透镜（+/-40°水平视野）。采用80°视野透镜的情况下，系统探测的最大范围为34m（110英尺）。
其它透镜选项包括38°视野，可提供70m（220 英尺）的范围。

该设计的一个重要目标在于发射器的总能耗较低，从而可以通过内置电池运行多年（尽管将应客户要求可提供外部供电版本）。通过使用当今流行的锂电池，预期寿命可达五年。因为避免了对发射器接线的需要，这样可以降低安装布线成本。多重光束应用的安装只需要对成像器和消防控制盘进行接线。

增大功率的发射器，还可以进一步扩大探测范围。大功率发射器一般可以使80°和38°单元的探测范围翻番。

6 技术详细信息

（1）预先对准

为了实现正确操作，只需要用手将成像器和发射器粗略的预先对准，以便确保所有发射器都在视野内良好定位，并且成像器位于发射器的宽光束范围内。

这可以通过多种方式实现，但是当前产品的设计选择是为了将发射器和成像器的光学总成安装到“球窝”外壳中，从而允许水平方向上+/-60°的运动范围内以及竖直方向上+/-150的范围内。在需要的情况下可以互换，例如，向下查看楼梯时，可以以90°的旋转方向在墙上安装外壳。

球座可以自由运动，可以使用具有六角键末端的工具刚性锁定就位。该工具与球前端的钢丝开孔相配合，而钢球则与成像器或发射器的光学中心精确对准。工具配有预先对准的激光指示器，其设计类似于用于预设步枪瞄准镜的设备。安装过程简便，只需将激光点按需要定位（详细内容如下），并将工具旋转四分之一转，以同时将钢球锁定就位，并且在对于发射器的情况下将其开启。螺钉机构上通过磁铁激活的簧片开关可在安装并锁定的情况下打开发射器。这样可以避免电池在装运和储存过程中放电，并确保设备单元的对准和锁定就位。对准和固定工具称为“激光校准器”。
当系统在较广的范围内使用单个发射器时，透镜的视野总宽度可能为10°.例如+/-5°.一般建议发射器的图像范围现实在图片的近似中心处。事实上，实现0.5°的精度较为简单（大致在60英尺外半径大约一英尺的目标），事实上，实际操作中将激光点精确定位到二英寸窗口将不得不花费额外的时间。

在对室内分布的多个发射器可使用80°和/或38°视野的透镜时（可能高度不同），激光将指向估计的一个中心点的发射器。

（2）发射器的操作

OSID发射器包含一系列关键元件（如图4所示）。来自两个（或多个）LED的光通过菲涅耳透镜/散射器对焦到投射光束上，成为约+/-5度的发散光束。建议将LED芯片紧密的布置在一起，从而使紫外和红外光束之间的发散降至最小，并且避免昆虫等小型物体阻碍住其中一个波长，从而LED模具可并排安装在定制的产品包中。

低功率的微型控制器可为LED提供精确定义的脉冲序列，如下所述，这些序列对于每个发射器是唯一的。光学二极管和CPU的内部A/D转换器可以测量每个脉冲的强度。该测量用于为LED的温度和老化效应提供补偿。对驱动脉冲进行调节可以按需要补偿该强度。通过使用恒定电流驱动电路，可以避免电池电压以及LED的正向电压变化。

（3）成像器的操作

除了现场接线的端接卡外，OSID成像器的光学组件和电子元件都安装在一个球体内，可以进行移动以与设备进行预先对准（见图5）。扁平排线将电子元件连接到端接卡上。光学组件在防潮管内进行密封，并配有可选的加热器，在潮湿/寒冷的冷凝环境下来预防外表面的凝结。

成像器配有闭路电视类型的透镜，选择用于最小程度上散布的紫外和红外波长（如两个波长的透镜的焦距近乎相等），并且可实现良好的温度响应特性。

成像器还配有染色玻璃过滤器，设计几乎对于所有颜色都不透明，但是对于两个波长的光线则透明。这就可以使系统在多种照明条件下使用，包括全太阳光谱，以及强烈的人工照明条件，包含闪烁光源，例如水银蒸汽灯或电弧焊。但是，对于明亮照明的大多数灵敏度和公差都来自于“背景提取”技术。在实现所需的反射前后，该技术使用极快的成像芯片捕捉速度来测量发射器图像周围的光照水平，然后进行提取，从而将不正确的的背景影响可完全消除。

7 技术开发中的挑战

使用视频成像芯片，而不是简单的光学二极管，可以为光束式探测器实现众多优势，但是事实上，要应用这些技术是极富挑战的。在大多数火灾情况下，更小的颗粒都在早期生成，并且在所有火灾情况下，一旦这些颗粒转换为燃烧阶段并形成威胁，与较短波长的光线（~400nm的紫外线）的反应程度将高于与长波长光线的反应程度（~850nm的红外线）。这就是光散射米氏理论的结果。并且，这一散射理论对于减光设备仍然适用，因为，大多数光束实际上并未由烟雾吸收，并且从接收器处发散。尽管如此，黑烟的确可以吸收光线中更大的一部分，这也就是为什么看起来是黑色的原因，并且也揭示了为什么光散射探测器和减光探测器无法进行校准以为白烟和黑烟提供相同的读数。

在理念上，单色的视频成像芯片就是许多光感元素的栅格，其中每个的作用都类似于一个光学二极管，在图片上构成一个像素。它还包含电路和微代码来捕捉独立的图像帧，并将每个像素输出传输到内存以供处理。转换为数字值后，每个像素的信号表示微“灰阶”，从黑色直至全亮。理想情况下，每个像素的灰阶应从0开始，表示全黑，直至典型的最大值即大约1000，表示完全可测的强度。超过该灰阶后，即称为该像素饱和，该情况应避免，因为无法测量任何高于该亮度水平的像素。

单元第一次启动后，软件并不确切知道发射器可能在图片中的哪一帧出现；因此，将开始搜索。采用的CMOS视频成像芯片具有几十万个像素进行搜索，并且每个发射器都以少于千分之一秒的速度发生闪烁，因此，查找发射器是一个极具挑战性的工作（并且场景中可能最多有7个发射器）。这就使得该工作更为困难，因为事实上，图片中可能还有许多其它发亮以及变化的光源。

系统可以首先识别可能是发射器的候选光源，然后进行仔细的检验以确定是否具有正确的时间特性，从而确保是所需的光源。

尽管在理论上成像器可以一次发现所有发射器，实际上只能快速的捕捉帧的一部分，所以，任何时间上的冲突都必须作为简要事件，使得尽量跳过一次或两次闪烁，以便不会影响系统性能。为了实现该操作，每个发射器都具有一个唯一的代码标识符，用于通过附加到每个闪烁序列上的数据脉冲来与成像器通讯。数据脉冲用于通过唯一但又可以预测的方式使闪烁序列发生“跳动”，从而在锁定步骤中不会同时存在两个单元。

8 结论

在火灾探测领域，最重要的权衡过程在于实现可靠探测实际火灾的情况下使成本、中断以及可能最为重要的一点误报警所造成的失信情况降至最低。本行业一直在致力于改进方法以可靠、经济的识别误报警触发因素，例如灰尘、蒸汽和微小物体等，同时确保对真正的威胁作出安全的响应。单单双波长测量自身并不是一剂万灵药，但是在正确使用、以及与细致的信号分析方法和基于成像的自动对准机制一起使用的情况下，可以显著改进已经造成消极影响的，在本质上存在妥协的技术。