本發(fā)明涉及火焰探測領(lǐng)域,尤其涉及一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù):
1、當環(huán)境中發(fā)生火災(zāi)時,火焰燃燒會產(chǎn)生明顯的紅外輻射,由于火焰燃燒過程中的湍流效應(yīng),這些紅外輻射強度會呈現(xiàn)出忽明忽暗、閃爍變化的特點,這種變化并不是無規(guī)律的,已有部分研究表明,火焰閃爍頻率分布在3-25hz之間,主要頻率在7-12hz范圍,如圖2所示。并且火焰閃爍頻率與火焰大小和局紅外接收器件的距離無關(guān)。此種信號雖具有頻率范圍分布確定的特點,卻是非平穩(wěn)信號。
2、傳統(tǒng)的判斷火焰算法一般基于傅里葉變換,對2.8um、4.3um、5.3um多波段的紅外信號提取三波段時間序列信號的頻域特征,結(jié)合三波段信號的不同特征,分析火焰信號的頻域特征,最終輸出判斷結(jié)果。其中,各波段信號分別對應(yīng)背景、火焰和干擾波段。傳統(tǒng)的火焰探測不僅需要采集多波段紅外信號,需要傳感器硬件多、計算量大;而且傅里葉變換僅能提取序列的頻域信息,對序列中的時頻特征提取欠佳。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、鑒于上述的分析,本發(fā)明實施例旨在提供一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法和系統(tǒng),用以解決現(xiàn)有技術(shù)中利用多波段信號探測處理硬件多、缺少時域特征的缺陷問題。
2、本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
3、一方面,本發(fā)明實施例提供了一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,包括如下步驟:
4、利用紅外傳感器采集火焰主探測波段的紅外信號,得到時間序列信號;
5、對所述時間序列信號進行預(yù)處理;
6、對預(yù)處理后的信號進行指定階次的分數(shù)階傅里葉變換,并基于變換結(jié)果提取時頻域信號的幅度特征;
7、基于所述幅度特征和訓練后的火焰判斷模型,得到火焰探測結(jié)果。
8、進一步的,通過下述步驟預(yù)先確定所述指定階次:
9、分別生成目標火焰信號、干擾信號和背景信號作為探測信號;
10、利用紅外傳感器分別采集各所述探測信號,并進行預(yù)處理;
11、對預(yù)處理后的各探測信號分別計算不同階次的分數(shù)階傅里葉變換;
12、基于變換結(jié)果,計算所述目標火焰信號分別與干擾信號和背景信號之間在不同階次下的相關(guān)系數(shù);
13、將相關(guān)系數(shù)最小對應(yīng)的階次作為所述指定階次。
14、進一步的,所述不同階次通過步長劃分所述分數(shù)階傅里葉變換的變換階次區(qū)間得到。
15、進一步的,所述幅度特征包括支撐區(qū)寬度特征和正值比例特征。
16、進一步的,所述支撐區(qū)寬度特征的表達式為:
17、
18、其中,find(a)表示統(tǒng)計n個采樣點中,滿足條件a大于0的序列點個數(shù);fp(u)表示預(yù)處理后的信號的p階分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果。
19、進一步的,所述正值比例特征是統(tǒng)計所述變換結(jié)果中大于門限值的點數(shù)。
20、進一步的,所述預(yù)處理包括對所述時間序列信號進行一階差分。
21、進一步的,所述分數(shù)階傅里葉變換的公式為:
22、
23、其中,u為分數(shù)階傅里葉變換域;p為分數(shù)階變換階次;n為正數(shù);σ()表示單位沖激函數(shù)。
24、進一步的,所述火焰判斷模型基于支持向量機算法訓練得到。
25、另一方面,本發(fā)明實施例提供了一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測系統(tǒng),包括:
26、紅外傳感器,用于采集火焰主探測波段的紅外信號,得到時間序列信號;
27、預(yù)處理模塊,用于對所述時間序列信號進行預(yù)處理;
28、分數(shù)階傅里葉處理模塊,用于對預(yù)處理后的信號進行指定階次的分數(shù)階傅里葉變換,并基于變換結(jié)果提取時頻域信號的幅度特征;
29、火焰判斷模塊,用于利用所述幅度特征和訓練后的火焰判斷模型,得到火焰的探測結(jié)果。
30、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明至少可實現(xiàn)如下有益效果之一:
31、1、本發(fā)明提出了僅基于主波段信號,通過分數(shù)階傅里葉變換處理提取時頻特征,并通過火焰探測模型,實現(xiàn)火焰探測的方法,無需借助多波段紅外信號的不同特征,減少計算量,使火焰探測更直接;
32、2、因為只需要采集單波段信號,減少了傳感器的數(shù)量,使探測系統(tǒng)更輕便,同時節(jié)約了硬件成本;
33、3、利用分數(shù)階傅里葉變換提取紅外序列的時頻域特征,適用于非平穩(wěn)信號處理,能更加有效提取序列中的特征。
34、本發(fā)明中,上述各技術(shù)方案之間還可以相互組合,以實現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述,并且,部分優(yōu)點可從說明書中變得顯而易見,或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實現(xiàn)和獲得。
1.一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,包括如下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,通過下述步驟預(yù)先確定所述指定階次:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述不同階次通過步長劃分所述分數(shù)階傅里葉變換的變換階次區(qū)間得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述幅度特征包括支撐區(qū)寬度特征和正值比例特征。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述支撐區(qū)寬度特征的表達式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述正值比例特征是統(tǒng)計所述變換結(jié)果中大于門限值的點數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述預(yù)處理包括對所述時間序列信號進行一階差分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述分數(shù)階傅里葉變換的公式為:
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測方法,其特征在于,所述火焰判斷模型基于支持向量機算法訓練得到。
10.一種基于分數(shù)階傅里葉變換的紅外火焰探測系統(tǒng),其特征在于,包括: