消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)及其亮度增強方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)及其亮度增強方法，其應用于消防領域。其中消防水炮射流光波導落點亮度增強方法通過讓射流特別是射流的落點相對于周圍環(huán)境更加明亮，可在基于機器視覺的消防控制系統(tǒng)中，增加水道圖像與背景圖像的灰度，提高水道的識別精度，從而使得射流落點的圖像處理大為方便。其對要求消防水炮射流落點亮度明顯大于周圍環(huán)境，便于計算機圖像處理或者肉眼識別的應用場合有重要應用價值，包括具有自動控制功能或者手動控制功能的室內(nèi)大空間消防水炮、夜間野外大空間消防水炮、需要在夜間或光線不好的情況下工作的海監(jiān)船執(zhí)法水炮以及各種警用防暴水炮等。
【專利說明】消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)及其亮度增強方法

【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)及其亮度增強方法，其應 用于消防領域。

【背景技術】：
[0002] 2002年11月，火災科學國家重點實驗室（中國科技大學）的范維澄院士等人 提出了 一種針對大空間遠程控制的火災自動搜索和滅火系統(tǒng)，它使用了一塊CCD攝像 機采集現(xiàn)場圖片，然后借助計算機視覺分析處理實現(xiàn)監(jiān)測和滅火（Tao Chen，Hongyong Yuan*, Guofeng Su, ffeicheng Fan. An automatic fire searching and suppressionsystem for large spaces[J]· Fire Safety Journal39(2004)297 _ 307)。2010 年 1 月，南京航空 航天大學的碩士研究生陳靜提出了一種基于圖像處理的消防水炮自動定位方法，該方法通 過對射流圖像的實時處理來判斷射流落點與火源點的差距，并根據(jù)二者在圖像中的相對位 置來調(diào)整水炮的噴射角度，以達到最佳的滅火效果（陳靜，趙敏.消防水炮射流軌跡圖像 的分割與識別算法研究.電子科技，2010⑶）。2012年，國外研究學者ElhamMahdip Our、 ChitraDadkhah回顧了 2000-2010年來這10年之內(nèi)的火災探測技術，總結(jié)出計算機視覺在 火災自動探測中具有舉足輕重的作用（ElhamMahdipour, ChitraDadkhah. Automatic fire detection based on soft computingtechniques:review from2000to2010. Springer Science+Business Media B.V. 2012)〇
[0003] 利用計算機視覺的方法可以實現(xiàn)消防水炮落水點的精確控制，特別是通過圖像處 理的方法，綜合考慮著火點位置和射流落點位置的時候，通過對落水點與目標相對位置的 識別，進一步調(diào)整消防水炮的控制角度與控制參數(shù)，可以實現(xiàn)消防水炮準確滅火，同樣也可 以實現(xiàn)準確的執(zhí)法防爆功能。在這一類系統(tǒng)當中，消防水炮落水點位置的快速有效識別直 接影響到消防水炮的精準控制。由于水本身是無色透明液體，與背景的色差往往不太明顯， 特別是在光線不好的場合下，很難快速有效識別。再加上其散射后形狀多變，因此，在采用 計算機視覺的消防控制系統(tǒng)中，對射流落點的識別成為了消防水炮精確控制的難點之一。 如果能夠通過技術手段增強射流在圖像中與背景的色差，將有利于射流和射流落點的識 別。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明提供一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)及其亮度增強方法，其提 高了射流水道特別是射流落點的可識別性，為消防系統(tǒng)閉環(huán)控制提供了保障。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術方案：一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其包括 安裝套設于消防水炮噴頭上的且位于噴口附近的射流增亮環(huán)，所述射流增亮環(huán)中裝有若干 LED燈，所述射流增亮環(huán)的外沿凸出于消防水炮的噴口并與噴口之間形成一回水槽。
[0006] 進一步地，在所述消防水炮的噴頭上開設有錐形孔，所述錐形孔的一端開口在噴 頭內(nèi)壁上，另一端開口在噴頭外壁上，且所述錐形孔與LED燈不相接觸。
[0007] 進一步地，在所述射流增亮環(huán)外沿處設有撥水針。
[0008] 進一步地，所述消防水炮噴口附近開設有斜孔，所述斜孔的一端開口在噴頭內(nèi)壁 上，另一端開口在噴頭外壁上，所述斜孔中埋入有光纖，所述LED燈正對于噴頭外壁上的斜 孔開口。
[0009] 進一步地，所述若干LED燈布置在射流增亮環(huán)內(nèi)圈，且其為高亮發(fā)光二極管或者 彩色發(fā)光二極管。
[0010] 進一步地，所述射流增亮環(huán)采用螺紋方式緊固在消防水炮的噴頭上，或者采用錐 形方式卡在消防水炮的噴頭上再用緊固螺釘緊固。
[0011] 進一步地所述射流增亮環(huán)的材料為不銹鋼、銅或者鋁合金。
[0012] 本發(fā)明還采用如下技術方案：一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)的亮度 增強方法，其包括如下步驟：
[0013] (1).消防水炮射流噴出時噴口與射流增亮環(huán)之間的腔體空氣被帶出，射流散出的 水沫填充到腔體中，在射流增亮環(huán)外延和射流之間形成水簾；
[0014] (2).點亮LED燈，大部分光線沿著水簾進入射流，由射流形成的波導到達射流的 落點，形成明亮的落點水跡，射流的小氣泡、彎曲狀態(tài)使得部分光在射流傳播時散射出來， 使得射流形成一道明亮的水柱；
[0015] (3).利用攝像機或者工業(yè)照相機作為傳感器，通過計算機圖像處理和機器視覺技 術，識別消防水炮的射流落點，分析射流落點和著火點之間的位置偏差，修正消防水炮的噴 射角度，實現(xiàn)精確的滅火。
[0016] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0017] (1).本發(fā)明提出的射流光波導落點亮度增強方法，使得消防水炮的射流變成一個 隨光源亮度和色彩控制的明亮的光斑，能方便計算機圖像處理或者肉眼識別一些復雜環(huán)境 或者光線比較弱（如夜晚）的情況下消防水炮射流落點；
[0018] (2).通過在消防水炮噴頭處安裝射流增亮環(huán)，還可以結(jié)合埋設光纖，通過合適的 光線角度，使得光纖盡可能在射流中發(fā)生全反射現(xiàn)象，射流光路的一些非理想因素照成的 散射還可以使射流的特征更加明顯，有利于對射流軌跡以及射流落地點的準確識別；
[0019] (3).利用計算機圖像處理技術，對射流和火點處的圖像進行采集處理，由于射流 中帶有光路，射流軌跡亮度與周圍環(huán)境對比明顯，并且在射流末端會有一個明亮的光斑，通 過簡單的圖像處理就可以確定射流落點位置；
[0020] (4).射流增亮環(huán)安裝方便，不會對射流的流體力學特性帶來任何影響；
[0021] (5).對于復雜的背景，還可以通過改變光源的顏色，使射流和背景區(qū)別開來。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0022] 圖1光全反射示意圖。
[0023] 圖2為安裝了 LED燈的射流增亮環(huán)示意圖，其中圖2(a)為右視圖，圖2(b)為A-A 向的剖面圖。
[0024] 圖3為噴頭帶錐形孔的射流增亮環(huán)示意圖，其中圖3(a)為主視圖，圖3(b)為A-A 向的剖面圖，圖3(c)為右視圖，圖3(d)為B-B向的剖面圖。
[0025] 圖4為帶撥水針的射流增亮環(huán)示意圖，其中圖4(a)為主視圖，圖4(b)為A-A向的 剖面圖，圖4(c)為右視圖，圖4(d)為B-B向的剖面圖。
[0026] 圖5為帶光纖的射流噴頭示意圖，其中圖5(a)為主視圖，圖5(b)為右視圖，圖 5(c)為A-A向的剖面圖。
[0027] 圖6為光線在射流中發(fā)生全反射在末端形成光斑示意圖。
[0028] 圖7為光線經(jīng)由射流折射到空氣中。
[0029] 圖8為消防水炮出現(xiàn)水流分支圖。
[0030] 其中：
[0031] 1-射流增亮環(huán)；2-LED燈；3-回水槽；4-錐形孔；5-撥水針；6-光纖。

【具體實施方式】：
[0032] 全反射：光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，要離開法線折射，如圖1所示。當入射角 α增加到某種情形（Θ)時，折射線沿表面進行，即折射角為90°，該入射角Θ稱為臨界 角。若入射角大于臨界角，則無折射，全部光線均返回光密媒質(zhì)，此現(xiàn)象稱為全反射。
[0033] 假設光密介質(zhì)折射率為nl，光疏介質(zhì)折射率為η2,則臨界角計算如下：
[0034] sin Θ = n2/nl
[0035] θ = arc sin (n2/nl)
[0036] 特別的當n2 = l，nl = 1. 3時，光從水射向空氣時的臨界角Θ = 55. 9°，本文中 臨界角未做特殊說明均指該角度。
[0037] 光發(fā)生全反射時，必須要滿足以下2個條件：
[0038] 1.光從光密介質(zhì)入射到它與光疏介質(zhì)的界面上；
[0039] 2.入射角大于或等于臨界角。
[0040] 本發(fā)明消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)通過在消防水炮噴口附近的金屬 環(huán)上安裝套設一射流增亮環(huán)1，該射流增亮環(huán)1中裝有若干LED燈2,射流增亮環(huán)1的外沿 稍稍凸出消防水炮的噴口，并與噴口之間形成一個回水槽3,射流增亮環(huán)1不會對消防水炮 射流有任何影響，如圖2、3、4所示，其中LED燈2射出的光線方向與噴頭水流垂直方向Φ大 于臨界角。
[0041] 其中若干LED燈2布置在射流增亮環(huán)內(nèi)圈，其為高亮發(fā)光二極管或者彩色發(fā)光二 極管。射流增亮環(huán)可以采用螺紋方式緊固在消防水炮的噴口上，也可以采用錐形方式卡在 消防水炮的噴口上，再用緊固螺釘緊固。射流增亮環(huán)的材料可以是不銹鋼、銅或者鋁合金 等。
[0042] 射流增亮環(huán)的外沿要稍稍凸出噴口，但不能在射流噴出時，接觸到射流，這是為了 保證射流增亮環(huán)不對射流的流體力學特性帶來任何影響。射流噴出時噴口與射流增亮環(huán)之 間的腔體空氣被帶出，這使得射流散出的水沫填充到腔體中，在射流增亮環(huán)外延和射流之 間形成水簾，這是保證射流成為光波導的關鍵。可以在消防水炮的噴頭上打錐形孔4,如圖 3,射流噴出時，在壓力的作用下，有水通過錐形孔涌入并充滿回水槽，確保光源通過回水槽 的水進入射流。還可以在射流增亮環(huán)上加工撥水針5,如圖4,射流噴出時，撥水針剛剛與射 流外沿接觸，刮出的水在射流增亮環(huán)出口形成水簾。
[0043] 當消防水炮有射流噴出時，射流增亮環(huán)中回水槽內(nèi)形成負壓，通過采用錐形孔或 撥水針，使得回水槽出口與射流之間形成水簾。當LED燈點亮時，大部分光線就可以沿著這 個水簾進入射流，由射流形成的波導到達射流的落點，形成明亮的落點水跡。
[0044] 如圖5所示，通過在噴頭出口附近開斜孔，斜孔一端開口在噴頭內(nèi)壁，另一端開口 在噴頭外壁，將光纖埋在斜孔中，兩端磨平，射流增亮環(huán)安裝后LED燈正對噴頭外壁的光纖 入口，光可以通過光纖進入射流。
[0045] 射流應該盡量保持柱狀結(jié)構(gòu)不打散，射流柱狀結(jié)構(gòu)保持的越好，射流落點增亮效 果越好。LED燈點亮方式可以全部點亮，可以部分點亮，可以連續(xù)點亮、可以脈沖點亮；可以 利用彩色的LED燈改變射流的顏色，使射流和背景區(qū)別開來。必要時可以采用脈沖的工作 方式使射流在瞬間有更高的亮度，還不影響對火點的識別。
[0046] 當光線隨著射流傳播時，由于水和空氣的折射率不同，射流水柱存在氣泡等原因， 可以形成一條與周圍環(huán)境有明顯亮度差的射流軌跡：
[0047] (1).由于水的折射率（大約1. 3)大于空氣的折射率（大約為1)，LED燈發(fā)射的 光在水與空氣的交界處會發(fā)生折射現(xiàn)象，當入射角達到臨界角時，光線發(fā)生全反射，這樣一 來，光路會隨著水流一同射出，當射流接近完整時，全反射將貫穿整個射流，因此周圍較少 受到光照的影響，入射光的大部分在射流落地點射出，從而在射流的落點附近形成一個和 周圍有很大亮度差的水跡，如圖6所示，很容易通過肉眼或者計算機圖像處理識別出該位 置，這為控制消防水炮提供了方便。
[0048] (2).射流噴出時，安裝在噴頭處的LED燈發(fā)出的光并不能保證所有的光線都能 發(fā)生全反射效應，其中部分光線會直接折射出來，如圖7所示。此外，由于射流軌跡具有一 定的弧度，發(fā)生全反射的光線在傳輸?shù)倪^程中也會由于不滿足臨界角的條件而直接折射出 來。
[0049] (3).噴射出的水質(zhì)并不是非常的純凈，里面會夾雜其他物質(zhì)或者形成水泡，光線 在傳輸過程中遇到這些物質(zhì)或者水泡后會發(fā)生散射現(xiàn)象，然后傳到周圍環(huán)境中。
[0050] (4).射流在傳輸過程中，并不是理想的柱狀形，在邊緣部分還是會有一些水流分 支，部分傳輸?shù)墓饩€會散射出來如圖8所示。
[0051] 綜上所述，由于射流增亮環(huán)和消防水炮噴口、射流之間的關系，一方面將大部分光 束縛在射流中，使周圍背景較少受到光照影響，射流的小氣泡、彎曲等狀態(tài)又使得部分光在 射流傳播時散射出來，使得射流形成一道明亮的水柱，方便了射流的識別；在射流的落地 點，全反射的光在這里射出，形成一個非常突出的亮斑，射流和周圍環(huán)境明顯的區(qū)別出來， 這對于自動控制或者人工控制消防水炮都非常有利。
[0052] 在消防水炮的控制系統(tǒng)中，可以利用攝像機或者工業(yè)照相機作為傳感器，通過計 算機圖像處理和機器視覺技術，方便地識別特征分明的消防水炮的射流落點，分析射流落 點和著火點之間的位置偏差，修正消防水炮的噴射角度，實現(xiàn)精確的滅火。
[0053] 本發(fā)明提出的射流光波導落點亮度增強方法，不是簡單的用燈光照亮射流，而是 讓射流特別是射流的落點相對于周圍環(huán)境更加明亮，可在基于機器視覺的消防控制系統(tǒng) 中，增加水道圖像與背景圖像的灰度，提高水道的識別精度，這就使得射流落點的圖像處理 大為方便。該技術也可用于消防部門在野外、海上的消防和執(zhí)法工作中。
[0054] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的 保護范圍。
【權利要求】
1. 一種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括安裝套設于消防 水炮噴頭上的且位于噴口附近的射流增亮環(huán)（1)，所述射流增亮環(huán)（1)中裝有若干LED燈 (2)，所述射流增亮環(huán)（1)的外沿凸出于消防水炮的噴口并與噴口之間形成一回水槽（3)。
2. 如權利要求1所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：在所述 消防水炮的噴頭上開設有錐形孔（4)，所述錐形孔（4)的一端開口在噴頭內(nèi)壁上，另一端開 口在噴頭外壁上，且所述錐形孔（4)與LED燈（2)不相接觸。
3. 如權利要求1或2所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：在 所述射流增亮環(huán)（1)外沿處設有撥水針（5)。
4. 如權利要求1所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述消 防水炮噴口附近開設有斜孔，所述斜孔的一端開口在噴頭內(nèi)壁上，另一端開口在噴頭外壁 上，所述斜孔中埋入有光纖（6)，所述LED燈（2)正對于噴頭外壁上的斜孔開口。
5. 如權利要求4所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述若 干LED燈（2)布置在射流增亮環(huán)（1)內(nèi)圈，且其為高亮發(fā)光二極管或者彩色發(fā)光二極管。
6. 如權利要求5所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述射 流增亮環(huán)（1)采用螺紋方式緊固在消防水炮的噴頭上，或者采用錐形方式卡在消防水炮的 噴頭上再用緊固螺釘緊固。
7. 如權利要求6所述的消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述射 流增亮環(huán)（1)的材料為不銹鋼、銅或者鋁合金。
8. -種消防水炮射流光波導落點亮度增強結(jié)構(gòu)的亮度增強方法，其特征在于：包括如 下步驟 (1) .消防水炮射流噴出時噴口與射流增亮環(huán)之間的腔體空氣被帶出，射流散出的水沫 填充到腔體中，在射流增亮環(huán)外延和射流之間形成水簾； (2) .點亮LED燈，大部分光線沿著水簾進入射流，由射流形成的波導到達射流的落點， 形成明亮的落點水跡，射流的小氣泡、彎曲狀態(tài)使得部分光在射流傳播時散射出來，使得射 流形成一道明殼的水柱； (3) .利用攝像機或者工業(yè)照相機作為傳感器，通過計算機圖像處理和機器視覺技術， 識別消防水炮的射流落點，分析射流落點和著火點之間的位置偏差，修正消防水炮的噴射 角度，實現(xiàn)精確的滅火。
【文檔編號】A62C37/00GK104096334SQ201410343238
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】林亮, 鄔琳琳, 趙敏, 姚敏, 郭航宇, 房廣江 申請人:南京航空航天大學