Модуль оптических датчиков для дистанционного обнаружения пожаров

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МОДУЛЬ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРОВ(71) Заявители Учреждение Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(72) Авторы Беляев Борис Илларионович Катковский Леонид Владимирович Воробьев Станислав Юрьевич Есипович Дмитрий Леонидович(73) Патентообладатели Учреждение Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(57) Модуль оптических датчиков для дистанционного обнаружения пожаров, включающий входной ИК-объектив, цветную цифровую телевизионную камеру, полупрозрачное светоделительное зеркало, приемник среднего ИК-диапазона, приемник теплового ИК-диапазона, отличающийся тем, что в качестве входного ИК-объектива для двух ИК-приемников используется линзовый объектив, приемники среднего и теплового ИК-диапазонов являются одноэлементными, входные объективы видеокамеры и ИКприемников расположены друг над другом, оптические оси которых параллельны, а поля зрения совпадают, частота кадров видеокамеры и частоты опроса ИК-приемников синхронизованы.(56) 1. Бариев Э.Р., Золотой С.А., Котов С.Г., Кудряшов А.Н., Семенов О.А. Совершенствование технических средств повышения оперативности обнаружения природных пожаров. Монография. - Минск РЦСиЭ МЧС РБ, 2009. - С. 174. 2. Шамаль В.А. и др. Автоматизированная круглосуточная инфракрасно-телевизионная дистанционная система обнаружения лесных пожаров // Труды БГТУ. Сер. 1. Лесное хозяйство. - Минск, 2000. Вып. 8. - С. 74-81. 3. Беспилотные летательные аппараты (электронный ресурс). Кто есть кто в робототехнике. Компоненты и решения для создания роботов и робототехнических систем Справочник, 2012. 4. Катковский Л.В., Воробьев С.Ю. Метрологические характеристики систем видеотеплового обнаружения пожаров // Журнал прикладной спектроскопии. - Т. 79. -1. 2012. - С. 167-175. Полезная модель относится к оптоэлектронному оборудованию, касается систем видеонаблюдения, совмещенных с ИК-датчиками, применяемыми для параллельной регистрации видеоизображения и факторов пожара (теплового инфракрасного (далее ИК) излучения и превышения температуры), и может быть использована в составе систем дистанционного обнаружения пожаров в промышленности, лесном и сельском хозяйстве,логистических объектах, топливно-энергетическом комплексе для раннего обнаружения пожара. Значительное снижение вероятности ложной тревоги может быть обеспечено при использовании многодиапазонных детекторов пламени и/или дыма, анализирующих электромагнитное излучение (включая изображения) в нескольких спектральных каналах. Многоканальность также увеличивает дальность обнаружения и достоверность распознавания очага пожара на фоне помех. Использование дополнительных каналов обеспечивает блокирование ложного сигнала как от прямого излучения различных источников света(ламп), Солнца, так и от бликов-отражений излучения от местных предметов. Для применения на открытых пространствах (в основном для обнаружения лесных пожаров), как правило, используются сканирующие ИК-системы с очень узким мгновенным полем зрения, которые могут дополняться видеокамерой для визуального наблюдения (так называемые наземные станции, устанавливаемые на вышках). Известна автоматизированная круглосуточная инфракрасно-телевизионная дистанционная система обнаружения лесных пожаров 1, 2, которая применялась в лесном хозяйстве для круглосуточного всепогодного дистанционного пожарного мониторинга крупных лесных массивов. В состав системы входит удаленный ИК-модуль дистанционного обнаружителя и центральный пост обработки информации. Центральный пост обработки информации может обслуживать до 128 отдельных ИК модулей. Управление и обмен информацией между ИК-модулями и центральным постом обработки информации осуществляется по радиоканалу. Модуль ИК-обнаружителя, устанавливаемой на вышке высотой 20-40 м, представляет собой полностью автоматическое устройство, включая механическую систему сканирования в азимутальной (0-360) и вертикальной (0-10) плоскостях. ИК канал модуля обеспечивает обнаружение очага 6 м на расстоянии до 10 км и более. Недостатками системы являются использование видеокамер в режиме визуального наблюдения оператором, малоинформативность телевизионного канала и невозможность достоверной идентификации пламени на больших расстояниях от камеры, существенное время обнаружения благодаря недостаточно быстрой периодичности обзора, большие га 2 90342013.02.28 бариты системы, высокое энергопотребление, невысокая надежность механической системы сканирования и ее подвижных токоподводящих контактов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является телевизионно-обнаружительный комплекс 3, состоящий из сверхчувствительной цифровой телевизионной панхроматической (черно-белой) камеры видимого и ближнего ИК-диапазона спектра (цифровая телевизионная камера) с матричным прибором с зарядовой связью (далее - ПЗС) в качестве фотоприемника полупрозрачного зеркала(светоделительное зеркало) матричного ПЗС, работающего в тепловом диапазоне (814 мкм) спектра (либо анализатора изображения типа равномерная решетка и одноэлементного приемника теплового диапазона) матричного приемника для регистрации излучения в диапазоне 3-5 мкм зеркальной оптической системы (телескоп, являющийся входным ИК-объективом) для двух спектральных каналов (3-5 мкм и 8-14 мкм). Недостатками прототипа являются громоздкость зеркальной оптики, низкая светосила при достаточно большом диаметре зеркала входного ИК-объектива, экранирование полей зрения ИК-каналов (контрзеркало телескопа), узкое поле зрения зеркального телескопа. Задачей предлагаемой полезной модели является снижение вероятности возникновения ложных тревог, увеличение надежности системы, уменьшение времени обнаружения пожара и стоимости системы. Эта задача решается конструкцией и составом модуля оптических датчиков, включающего входной ИК-объектив, цветную цифровую телевизионного камеру, полупрозрачное светоделительное зеркало, приемник среднего ИК-диапазона (3-5 мкм), приемник теплового ИК-диапазона (8-14 мкм), причем в качестве входного ИК-объектива для двух ИК-приемников используется линзовый объектив, приемники среднего и теплового ИК-диапазонов являются одноэлементными, входной объектив видеокамеры и вводной ИК-объектив расположены друг над другом, оптические оси которых параллельны, а поля зрения совпадают, частота кадров видеокамеры и частоты опроса ИК-приемников синхронизованы, что в совокупности увеличивает светосилу и поле зрения системы, приводя к уменьшению вероятности ложных срабатываний, уменьшению времени и увеличению дальности и надежности обнаружения пожаров. Полезная модель модуля оптических датчиков поясняется фигурой. Конструкция модуля оптических датчиков включает линзовый входной ИК-объектив 1 (фигура), над которым расположен входной объектив видеокамеры 2, оптические оси которых параллельны, а поля зрения сделаны совпадающими. После входного ИКобъектива расположено полупрозрачное светоделительное зеркало 4, за которым расположен одноэлементный приемник теплового ИК-диапазона 5, а над полупрозрачным светоделительным зеркалом, позади видеокамеры расположен одноэлементный приемник среднего ИК-диапазона 3. Частота кадров видеокамеры 2 и частоты опроса ИК-приемников 3, 5 синхронизованы. Работа модуля оптических датчиков. Поток излучения от наблюдаемой сцены в пределах совпадающих полей зрения ИК-датчиков и видеокамеры одновременно поступает на входные объективы ИК-приемников 1 и видеокамеры 2 (фигура). После входного ИК-объектива 1 поток излучения полупрозрачным светоделительным зеркалом 4 делится на два равных по величине потока, один из которых, прямопрошедший через полупрозрачное зеркало, фокусируется на одноэлементном приемнике теплового ИК-диапазона 5,а второй, отраженный полупрозрачным зеркалом под прямым углом к входному пучку,фокусируется на одноэлементном приемнике среднего ИК-диаиазона 3. Фокусировка излучения на обоих ИК-приемниках осуществляется входным ИК-объективом. Сигналы с ИК-приемников после обработки сравниваются с предыдущими записанными сигналами этих же приемников, что позволяет обнаружить их изменения без участия оператора. Одновременно происходит обработка и анализ видеопотока кадров с цветной цифровой видеокамеры 2, синхронизованного с частотой опроса ИК-приемников. Цветовые (,3, ) данные пожара и движение (временные изменения) используются для идентификации областей пожара и непожара в последовательности кадров видеосерий в реальном масштабе времени. Программное обеспечение (ПО) обработки данных анализирует заданную последовательность видеокадров на предмет появления дыма и/или пламени на изображениях. Таким образом, ПО производит анализ сигналов на предмет появления признаков пожара с двух ИК-приемников и синхронизованных с ними по времени кадров видеоизображений, что повышает вероятность обнаружения пожара. Приемник среднего ИК-диапазона (3-5 мкм) наиболее функционален для обнаружения пожаров, поскольку этот диапазон имеет минимальное атмосферное ослабление и максимальную чувствительность. Излучение пожара здесь максимально, при этом само пламя и дым почти прозрачны для излучения в этом диапазоне. В ряде реальных атмосферных ситуаций и условий пожара предпочтительным оказывается использование теплового ИК-канала (8-14 мкм). Использование в совокупности с цифровой видеокамерой двух ИК-каналов, лежащих в среднем и тепловом ИК-диапазонах (недорогие одноэлементные приемники), значительно повышает надежность (как из-за многоканальности, так и за счет простоты одноэлементных ИК-приемников) и вероятность правильного обнаружения пожара. Предельные дальности обнаружения малоразмерного пожара (площадью 1 м 2) одноэлементными приемниками в ИК-диапазоне составляют до 7-8 км для чистой атмосферы и до 2-3 км в условиях плохой видимости для широкого поля зрения (30-40), соответствующего полю зрения видеокамеры 4. Модуль оптических датчиков не содержит движущихся частей, что повышает его надежность, уменьшает габариты и энергопотребление. Модуль обеспечивает низкий процент ложных тревог, в реальном времени обрабатывает поступающие данные, ведет мониторинг пожара и прогнозирует его развитие, что снижает затраты на обнаружение и ликвидацию пожаров, уменьшает время обнаружения пожара, минимизирует наносимый пожаром ущерб. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4