专利名称：粒子检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进型传感器装置和改进的感测方法，尤其涉及一种改进粒子检测器与检测粒子的方法。
背景技术：
检测某一区域诸如房间、建筑物、腔室或空间内的烟雾有多种方法。有些方法涉及到对该区域的空气采样，并让采样的空气通过一检测室，从而检出粒子，估算有关区域内的烟雾量。这种装置在吸入型烟雾检测器诸如申请人出售的Laser PLUS 里作了说明。其它检测器置于有关区域内，用传感器检测在其附近的粒子。这种检测器的一示例就是点检测器，其中空气在发射体与传感器之间通过，可直接检测有关区域内的烟雾。在这两种场合中，若烟雾不进入(吸入型检测器的)采样点或者不在点检测器的传感器与发射体之间通过，就检不出烟雾了。由于许多建筑物用诸如空调器的空气处理装置抽出某一区域的空气，因而不一定能检出烟雾，而烟雾却能通过空调管道流出该区域。在室外区域或极大的室内剧场，可能没有合适的地方安置点检测器或采样点并连接管线，故极难应用上述的烟雾检测方法。其它烟雾检测器包括美国专利3，924，252 (Duston)揭示的检测器，它用激光器与光电二极管检测粒子散射的光。这种设备用转角反射器在发射体处将光反射回。Duston要求反馈电路检测光束发射还是受阻。另一种检测器称为“束检测器’，可测量投射光源的信号强度由悬浮在投射光里的烟雾粒子造成的衰减。这类检测器的灵敏度较低，只能测量辐射区内的总衰减。本说明书所论及的任何文档、设备、动作或知识，都用来说明本发明的内容。在澳大利亚或其它地方，在本文揭示内容与权项的优先权日期之前，不能认为任何内容构成了原有技术基础或相关领域常规知识的一部分。
发明内容
在一个形式中，本发明提出的粒子检测法把辐射束射入被监视区域，检测该区域表明存在粒子的图像变化。根据以上方法，实施该法的其它步骤和优选实施例的特征，包括以代表被监视区域对应区段的图像标识有关表面。区段内的散射辐射可用相应图像的一块或多块表示，从而标识粒子在该区域内的位置。根据发射辐射源发射辐射方向与其中图像检测点之间的位置的几何关系，可以测定粒子的位置，该几何关系根据图像决定。检测的变化可以是散射辐射强度的增强，散射辐射强度增强可参照阈值评估，而该阈值通过均化积分的图像强度值计算。该方法包括对区域内不同的空间位置指定不同的阈值。该方法包括沿一条通路引导辐射并标识图像里的目标，该目标代表辐射在区域内某一客体表面上入射的位置。监视目标在图像内的位置，并按目标位置变化中止辐射出射。该方法包括标识发射体在图像中的位置。另外，该方法还包括根据发射体标识的位置的辐射强度确定该发射体的操作状态。 可将图像处理为帧，这些帧被分成代表监视区域内空间位置的分段。而且，该方法还包括监视有关图像分段里的强度等级，对区域内对应于诸有关分段的不同空间位置指定不同的阈值。在另一个方面中，本发明提供了监视某一区域的设备，包括将含有至少一个预定特征的辐射束导入该区域的发射体；获得至少一幅区域图像的图像捕获器；和为检测图像间至少一个特征的变化而分析至少一幅图像并指示区域内存在粒子的处理器。处理器能按照其中发射体、引导辐射束和图像捕获器的位置之间的几何关系确定粒子位置，几何关系由分析的图像决定。该设备包括多个排列成沿不同的各别束通路引导辐射的发射体，还包括一个或多个滤波器，使图像捕获器比其它源辐射更优先地捕获发射体的辐射。滤波器可以是下列滤波器中的一种或多种或组合；时间滤波器，空间滤波器，带通滤波器，偏振滤波器。图像捕获器较佳地包括一衰减器，该衰减器包括一可变孔径器。可以使用多个图像捕获器。较佳地，图像捕获器有一摄像机。而且较佳地，发射体含一激光器。在又一个方面，本发明提供一种检测粒子的方法，包括步骤；确定辐射束通路，包括设置第一图像捕获器观察辐射源和至少一部分辐射束通路；把源位置传到处理器；设置第二图像捕获器以观察辐射束撞击点；把相关的撞击点位置信息传到处理器；根据源位置与撞击点位置信息之间的几何关系确定束通路。在再一个方面，本发明提供一种检测粒子的方法，包括步骤；确定含辐射束通路的有关区域，包括用图像捕获器确定第一点，即束的源位置；确定第二点，即辐射不与图像捕获器视场的交点，按照第一和第二点确定束通路；计算含确定束通路的有关区域。确定第二点的步骤用至少一根基本上透明的探测器执行，探测器较佳地在定位后移离束通路。在另一个方面，本发明提供一种在有关区域内的一个或多个子区域测定烟雾等级的方法，包括；在区域内引导辐射束，用图像捕获器选择至少一部分束通路的视图，测定辐射源相对图像捕获器的位置，测定束相对图像捕获器的方向，把辐射束分成若干块，确定诸块与图像捕获器之间的几何关系，调节每块图像捕获器接收的光度的顾及几何关系。块包括至少一个像素，诸块较佳地组合成烟雾检测子区域。在还有一个方面，本发明提供了检测粒子的设备，所述设备包括按预定指令集操作的处理器装置，所述设备与所述指令集一起执行本文揭示的方法。本发明在诸实施例中设置了一种计算机程序产品，包括；计算机可用媒体，具有在所述媒体上实施的计算机可读程序代码与计算机可读系统代码，用于在数据处理系统内检测粒子，所述计算机程序产品包括在所述计算机可用媒体内的计算机可读代码，用于执行本文描述的方法步骤与方法。构成本发明一部分说明的其它诸方面、优点与特征，都在本说明书中予以揭示和/ 或在所述权项中加以限定。根据以下给出的详述，本发明的适用范围就更清楚了。但应理解，详细描述与特定实例虽然表示了本发明的诸优选实施例，但是只作为示例而已，因为根据这一详述，本领域的技术人员显然将明白落在本发明的精神与范围内的各种变化与修正。
相关领域的技术人员通过参照以下结合附图所描述的诸优选实施例，能更好地理解本发明的进一步内容、改进、优点、特征与方面，这些附图只作示例，故并不限制本发明的范围，其中；图I不意表不检测器系统实施例的侧视图；图2示出图I中检测器系统的图像捕获器与发射体位置实施例的俯视平面图；图3示出图2的图像捕获器所摄图像的示意透视表示；图4对图I的检测器系统示出信号处理的系统概要工作流程；图5示出图I实施例中被图像捕获器捕获的数据块的图示表示；图6示出图I实施例中被图像捕获器捕获的数据积分的图示表示；图7a_c示出说明图I的检测系统执行的背景消除的图像；图8示出在与图I检测器系统操作一起使用的软件实施例中，用于计算像素半径的方法的图示表示；图9是本发明检测器系统第二实施例的俯视平面示意图；图10是本发明检测器系统第三实施例的俯视平面示意图；图lla-c是本发明检测器系统第四、第五与第六实施例的俯视平面示意图；图12不出图I 一部分检测器系统的不意表不；图13示出从图I检测器系统的图像捕获器捕获的图像数据的示意表示。
具体实施例方式图I示出粒子检测器10的实施例。检测器10位于被监视区域12内。该区域可能是房间、体育场、门厅或其它区域，该区域不必封闭或在室内。图像捕获器14观察至少一部子区域12，包括含来自发射体16的电磁辐射的一部分。图像捕获器14可以是摄像机或者一台或多台构成方向敏感电磁接收机的设备，诸如光电二极管或CCD。在该实施例中，图像捕获器14是摄像机。在本例中，摄像机14应用捕获图像的全帧捕获法将模拟视频信息沿通信链路18发送到处理器20。不必使用全帧捕获法， 但是为了在获取图像、操作效能与减少安装限制方面实现工程简化，应用全帧捕获法较佳。 本领域的技术人员应理解，可以应用其它图像捕获器14，诸如行转移摄像机，还可应用补偿全帧捕获效率的方法。另一条通信链路22把发射体16接至处理器20。处理器20控制发射体16的输出和/或通过通信链路22接收关于发射体16输出的信息。另外，发射体16的状态可用摄像机14检测，或按下面揭示的方法被自动测定。在较佳实施例中，发射体16是一激光器，产生可见、红外或其它合适的辐射。激光器16可以配有透镜21和空间滤波器， 诸如视场限制器23。光束在通过同质媒体行进时不散射，只在出现不规则时才散射。因此在出现粒子诸如雾粒时，激光束将散射。另根据较佳实施例，激光器16可被调制，例如激光器按指定的序列“开”、“关”。无烟雾时，包括激光束的捕获图像中的像素强度一样，与激光器的状态无关。有烟雾时，激光器16接通(由于散射)与关闭时，捕获图像的强度有一差值。图I示出的选用滤波器，其形式为偏振滤波器24和带通滤波器26。偏振滤波器 24允许发射体16发出的电磁辐射通过。而防止某些背景光进入摄像机14。若发射体16 是发射偏振光的激光器，这样是有利的，于是偏振滤波器24就能对准激光束的偏振角，允许激光最大传输，同时除去了通常来自随机的或非偏振光源的某些背景光。第二滤波器26 是带通滤波器，只允许在预定频率范围(即发射体16的电磁辐射频率)内的光通过，例如可将干涉器滤波器或着色凝胶用作带通滤波器26。使用带通滤波器(例如，若使用该频率的红色激光器，基本上只让640nm的光通过)，将除去大量背景光，提高区域12内从悬浮在空气中的粒子散射的相对光强度。其它滤波法像下述那样包括调制激光器和应用系统元件的定位信息。图像捕获器可用衰减器控制接收的辐射。可以使用可控的中性密度滤波器结构， 或者衰减器采取以可变孔径控制强度的形式。可用选择的可调光圈24a控制曝光等级，安装时可以人工设置，或者系统按入射的光级自动设定曝光，理由是为了尽量减小或避免摄像机饱和，至少在后续处理中所用的视场部分。光圈24a可以是机械光圈或LCD光圈或者任何其它减少进入摄像机的光量的装置。有些电子摄像机配用了电子快门，此时可用快门时间代替光圈24a控制曝光。图中还示出了空间滤波器24b，例如可以包括一条对摄像机 14有效地遮蔽入射光的缝隙。例如，缝隙可以遮蔽在摄像机14的入射接收的光，通常符合激光束的形状，似乎被投射于摄像机14透镜的平面内。物件26、24a、24b和24可在物理上按各种顺序或组合方式定位。使用中，诸如来自发射体16的红色激光的电磁辐射，通过区域12而撞击壁或吸收体28。摄像机14的视场至少包括部分激光通路或者激光器在壁上的撞击点，此时撞击在吸收体28上。该区域内与激光器相关的空气中的粒子，此时由粒子团30代表，将使激光散射，有些从粒子散射的光将落在摄像机14的传感器上而被检出。在图I实施例中，摄像机14向处理器20的视频捕获卡32输出模拟信息，视频捕获卡32把模拟信息转换成数字信息，再被计算机34处理。处理由在计算机34上运行的软件36执行，这在后面再描述。较佳实施例中，处理是为了解释捕获的图像，使图像平面对应于或映射到激光束上的相应位置。一旦获得了系统诸元件预定的定位或位置信息，就可用较为简明的几何学与三角学实现。在其它实施例中，可以使用能捕获数据并将其以数字方式发送给处理器20的摄像机14，不需要视频捕获卡32。再者，可将摄像机14、滤波器24与26、处理器20和光源16 集成为单个或多个单元。而且，可用嵌入系统提供至少是处理器20的功能。只要能向处理器20提供数据形式的图像信息，就能在本申请中应用多种摄像机 14配置。图I实例中，用激光调制器38改变发射体16的功率。为适应照明条件，满足护目要求并提供开/关调制，可改变功率电平。本例中，摄像机14每秒捕获30帧，发射体16 — 帧开、一帧关地循环。对每帧都检测区域内的光量，在激光器关闭时的区域内的光总量从激光器打开时收到的光总量中减去。这些总量针对若干帧。在激光器开与关时收到的光总量之差，作为该区域内散射量的量度。作为报警，设置一阈值差，若超过该差值，就激活报警， 这样可将检测器10当作一种粒子检测器。由于测量粒子散射的光成为一种判断区域内是否存在烟雾的方法，所以可将检测器10用作烟雾检测器。下面提供更详尽的抵消、滤波与软件的内容。可将检测器10设置成在指示报警或预警条件前一直等待到在预定时段内被测的散射超过了指定的阈值。对检测器10测量报警或预警条件的方式可类似于在腔室内应用激光器的吸入型烟雾检测器诸如Vision Fire and Security Pty公司出售的VESDA Laser PLUS 烟雾检测器所用的方法。图2示出图I实施例的俯视图。摄像机14的视场为0，此时覆盖了几乎所有的区域12，而区域12可以是楼内一房间。一般把来自发射体16的光导向摄像机14，但不直接指向镜头。因而有一个被摄像机14与发射体16之间的虚线和激光束方向所对的角度。该角度可能处于水平面，如图2中用角z表示，和/或处于垂直面,如图I中用角X表示。激光束不直接撞击摄像机镜头。然而，激光束通路将处于摄像机14的视场内，如图3所示。物理系统变化有时希望在系统中应用多个发射体，这样能遵守规定，提供支援，或帮助覆盖比单个发射体能覆盖的更大的地区。若要求覆盖较大面积，可应用多个发射体，从而在区域内若干不同的位置检测烟雾。图9示出的一种结构在诸如房间52的一区域内设置了摄像机50。若要求穿过大面积检测，可在房间四周分布多个激光器54和55来覆盖。图9示出两组发射体，来自组54的发射体瞄准点56，发射体55瞄准点57。摄像机50观察点56与57，或不观察点56与57。摄像机50利用把点56与57的图像投入其视场的光学装置，例如置于摄像机50前方的后视镜(未示出)，就能观察点56与57。同样地，棱镜或其它光学系统也能得到这一结果。另外，发射体54与55可以同步或者轮转，若摄像机50能检测辐射着陆点，就可用摄像机检出的辐射验证该发射体正在工作而未受阻。其各个发射体连续地或以任何非线性相依的方式序列被接通与关闭，就能对它们进行检测，故能应用时序信息在任一时刻检测哪一个发射体被接通。还有，知道了哪个发射体在发射，可让检测器在被保护区内对诸子区域定位，并确定任何被检粒子相对子区域定位的地方。实际上，可以测定已被粒子散射的辐射束。发射体54和55无须都在目标56和57上交叉，可以沿若干目标或相互交叉地分布到其它目标上。图10示出另一种方式，激光器58和59对准得离开摄像机60，摄像机60能检测来自在点61与62击中墙的激光的光。若这些点的任一点消失了，则检测器系统就知道激光器之一有故障，或者有东西阻塞了激光的通路。若激光器受阻，则阻塞激光的物体一般也反射光，因而激光光斑将偏离已知的目标区，即原来的点61或62。摄像机能检测光斑偏移并发出报警声切断激光器。这很重要，若激光器未顾及眼睛安全更显重要。另一种故障检测法在虚假物件诸如星形致与辐射束相交而造成散射时使用。发射束的偶然移动，例如由于发射体横向平移，可避免这种散射辐射的误检测。
图10示出的第二摄像机63可以连接系统以提供附加的观测。较之单一摄像机， 使用两台摄像机可以更准确地检测烟雾区，而且附加的观测可对同一颗粒物提供不同散射角度的散射信息。这种数据可以鉴别不同粒度分布或散射特性的材料，这样又可减小系统对可能引起误报警的噪扰粒子诸如灰尘的敏感性。使用一个或多个发射体，改变散射角、发射辐射波长、偏振旋转、被观测散射的偏振平面和更改发射与检测的时序，都可鉴别不同的粒子。图Ila中，摄像机64观察穿过房间的两个激光器65和66。图Ilb使用的激光器则朝摄像机67回反射，使房间覆盖更佳，可捕获正向和反向散射光。本例中，处理器10包括运行奔腾4芯片、视窗2000操作系统的个人计算机。现有诸实施例的一个重要方面是信号处理，下面参照图4详细讨论。图4是一数据流图，其布设可为本领域的技术人员理解。为便于参照，本例的信号处理用称为LVSD软件的检测器10的软件执行。参照图4时要注意，数据流线路指示在处理不同阶段的图像数据流、阵列数据流和单纯的数字或结构数据流，因而描述的某些处理功能可以处理更密集的图像数据或者不密集的数字数据。正如本领域的技术人员理解的那样，在各个阶段选用执行这些处理功能的元件与软件实体，可以达到工程效率。激光器状态测定图4的步骤401测定激光器状态。为测定某特定帧的激光器状态，本例的LVSD软件依赖于具有摄像机视场内的激光源。指定的有关小区域包括激光源辐射，该区域的中心置于激光源光斑的初始位置。 算出区域内平均像素值。然后与阈值比较，判断图像记录了激光器接通还是断开。该阈值是检峰器与检谷器输出的平均值，两输出通过平均馈送。在未出现新的峰或谷时，各检测器都执行返回当前平均值的指数衰变。时间常数以帧设定，其值较佳为10。该技术被证明为相当实用。另一种方法是在矩形内用一固定阈值寻找一个或多个超出平均值的像素。在激光器开/关切换更紧密的耦合帧采集的实施方案中，可以不需要该功能。但是仍能实行双重检验，即激光源未被遮蔽且强度正确。激光器位置在图4的步骤401，重心算法估算激光源在被监视区的像素坐标。该定位信息在每一“激光器开”图像时有选择的修正，以便补偿激光源或摄像机位置因固定件和/或建筑随时间而出的偏移。影响稳定性的因素包括楼墙移动、安装点刚度等。更准确地说，前一步骤(激光器状态测定)建立的阈值从图像中减去，负数被截为零。用于状态测定的同一矩形的重心就得出激光光斑的(X，y)坐标。计算中把像素值处理为权重。另一种技术把前述的区作为图像并计算大量已知“发射体关状态”图( 50幅) 的平均值，然后从已知被发射体开捕获的最新图像中减去该平均值。再对图像数据应用前述的重心算法，估算光斑位置。计算有关区域和背景抵消在图4的步骤403，计算有关区域。在图4的步骤404，执行背景抵消。在背景抵消期间结合使用了内插法与帧扣除法，以减少来自图像的干扰时间变量与不变量信息。该图像被分割成三个有关区域，如图5所示。背景被分成背景区域101和103，还有一个积分区域102，这些区域定期修正，以便反映任何检出的激光源位置变化。选择有关区域的形状， 反映出散射辐射图像中精密位置的不确定性。图5中，摄像机不能观察发射辐射的击墙点， 故不知道准确的发射辐射通路，由此形成了随着离开发射体的距离增大而扩展的有关区域 102。一种人工测定发射辐射通路的方法是测试该发射辐射的位置，具体做法是先临时阻断辐射并检验其位置，然后将数据人工输入处理器。或者，可将一个或多个基本上透明的板件形式的探测器插入辐射束，在入口和出口将出现来自该板件的某种散射，在图像中形成一个或多个参考点，据此算出要求的积分区与背景区。在例如在洁净室或危险环境中可用该检测器检测粒子的应用场合中，可将这些室内的窗口当作基本上透明的板件，因而这些板件可以建立束通路而不必闯入这些环境去安装检测器系统元件。窄的积分区旨在减少来自像素的噪声作用，这类噪声无贡献散射信号，还能让背景区域更接近积子区域，这样能更好地估算用于校正激光器关图像的照明等级的校正系数。积分区域102含有发射辐射通路，在背景抵消期间则使用每一边的区，即背景区域101和103。这些区域一般为三角形，即离激光源越远就越宽。这一点是必需的，因为虽然知道了准确的辐射光斑位置，但是通路的准确角度并不明确，因而在摄像机不能看到辐射终止地点时，通路的另一端要求较大的容差。在集中区域较厚的部分，因像素多而噪声大，但好在各像素代表一段较短的通路，故单位长度的大量样本可以更好地求平均。若摄像机能看到辐射终点，则其位置的不确定性很小，有关区域不必像图5那样发射得很宽。对亮度补偿系数的内插选用了两个背景区域101、103，以便在激光器关图像中校正辐射通路任一侧的背景照明的时间变化。例如在辐射通路任一侧因两个不同的独立时间变化光源引起的照明变化。通过将三个区101、102、103沿辐射通路长度细分成若干块并对每次细分进行计算，还可将该原理扩展成沿该通路补偿变化，不只是通路的任一侧。背景抵消算法将n个“开帧”与m个“关帧”相加——这些帧的序列随选。从“发射体开”帧里减去“发射体关”帧之前，“发射体关”帧用系数f标定，以便补偿图像照射等级的变化，这样有利于强度迅速变化的人工照明。得出的图像包含n个“发射体开”图像与 m个“发射体关”图像之间的任何差异，图6图示了这一点。运用内插法，用激光器开帧与关帧之间的背景变化比确定标定系数f
权利要求
1.一种检测粒子的方法,包括将辐射束发射入被监视区域，使得被发射的束在束被发射的“开”状态和束不被发射入被监视区域的“关”状态之间被调制；捕获被监视区域的多个图像，所述方法的特征在于捕获被监视区域的多个图像的步骤包括在其中辐射束为开状态的第一多个时间段捕获被监视区域的至少一个图像，以生成被监视区域的一个或多个第一图像；以及在其中所述束为关状态的第二多个时间段捕获被监视区域的至少一个图像以生成被监视区域的一个或多个第二图像，其中所述第一和第二时间段至少部分在时间上相互交错；以及其中所述方法还包括处理至少一个第一图像和至少一个第二图像以检测从辐射束散射的辐射的增强；以及将来自被发射的束的散射辐射水平与指定的阈值进行比较。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一和第二图像中定义至少两个图像块，所述块的每一个包括被监视区域内的被发射的辐射束的相应块的图像；在每个所定义的块中处理至少一个第一图像和至少一个第二图像，以检测从被发射的束的每个所定义的块中的辐射束散射的辐射的增强；以及将被发射的束的每个块的散射辐射水平与所述束的块的指定阈值进行比较。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括根据所定义的图像块来标识要被标识的区域中粒子的位置。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，通过平均来自多个图像的积分强度值来计算所述阈值。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括沿一通路引导辐射束并标识图像中的目标，所述目标代表辐射入射于区域内一对象表面(108)的位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，监视图像中的目标的位置，并且响应于目标的位置的变化中止辐射的发射。
7.如前述任一权项所述的方法，其特征在于，包括标识发射体在图像中的位置。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，把块组成子区域以作烟雾检测。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括根据所检测的从所述束散射的辐射的增强，来确定由进入所述束的粒子引起的所述被发射的束的相应块的模糊度。
10.一种用于监视区域的设备，包括发射体，用于将经调制的辐射束引导入所述区域，使得被发射的束在束被发射的“开” 状态和束不被发射入被监视区域的“关”状态之间被调制；图像捕获器，用于获取所述区域的多个图像；所述设备的特征在于，所述图像捕获器被安排为在其中辐射束为开状态的第一多个时间段捕获被监视区域的至少一个图像，以生成被监视区域的一个或多个第一图像；并且在其中所述束为关状态的第二多个时间段捕获被监视区域的至少一个图像以生成被监视区域的一个或多个第二图像，其中所述第一和第二时间段至少部分在时间上相互交错；以及处理器，用于通过处理每个所定义的块中的至少一个第一图像和至少一个第二图像来分析多个图像，以按照权利要求1-9中任一个来检测从辐射束散射的辐射的增强。
全文摘要
本发明涉及粒子检测器。揭示了一种烟雾检测器，它使用诸如激光的辐射束来监控诸如房间的区域。摄像机用于捕获房间的一部分的图像，包括激光束的路径。激光束中的粒子散射光，且这由摄像机捕获用于分析。处理器提取关于散射光的数据以确定束中的粒子密度，从而确定该区域中的烟雾水平。激光可具有调制输出，从而可以将不用激光捕获的图像用作参考点并与用激光获取的图像进行比较，从而帮助确定与环境光相比的散射光的水平。滤波器可用于减少从背景光生成的信号。
文档编号G08B17/103GK102608593SQ201210020498
公开日2012年7月25日 申请日期2004年5月14日 优先权日2003年5月14日
发明者B·亚力山大, K·波特格, P·梅克勒, R·诺克司 申请人:Vfs技术有限公司