消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其亮度增強(qiáng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其亮度增強(qiáng)方法，其應(yīng)用于消防領(lǐng)域。其中消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)方法通過(guò)讓射流特別是射流的落點(diǎn)相對(duì)于周?chē)h(huán)境更加明亮，可在基于機(jī)器視覺(jué)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(shí)別精度，從而使得射流落點(diǎn)的圖像處理大為方便。其對(duì)要求消防水炮射流落點(diǎn)亮度明顯大于周?chē)h(huán)境，便于計(jì)算機(jī)圖像處理或者肉眼識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)合有重要應(yīng)用價(jià)值，包括具有自動(dòng)控制功能或者手動(dòng)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(shuō)明】消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其亮度增強(qiáng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其亮度增強(qiáng)方法，其應(yīng) 用于消防領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】：
[0002] 2002年11月，火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科技大學(xué)）的范維澄院士等人 提出了 一種針對(duì)大空間遠(yuǎn)程控制的火災(zāi)自動(dòng)搜索和滅火系統(tǒng)，它使用了一塊CCD攝像 機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)圖片，然后借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析處理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(xué)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(dòng)定位方法，該方法通 過(guò)對(duì)射流圖像的實(shí)時(shí)處理來(lái)判斷射流落點(diǎn)與火源點(diǎn)的差距，并根據(jù)二者在圖像中的相對(duì)位 置來(lái)調(diào)整水炮的噴射角度，以達(dá)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(shí)別算法研究.電子科技，2010⑶）。2012年，國(guó)外研究學(xué)者ElhamMahdip Our、 ChitraDadkhah回顧了 2000-2010年來(lái)這10年之內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，總結(jié)出計(jì)算機(jī)視覺(jué)在 火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)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(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法可以實(shí)現(xiàn)消防水炮落水點(diǎn)的精確控制，特別是通過(guò)圖像處 理的方法，綜合考慮著火點(diǎn)位置和射流落點(diǎn)位置的時(shí)候，通過(guò)對(duì)落水點(diǎn)與目標(biāo)相對(duì)位置的 識(shí)別，進(jìn)一步調(diào)整消防水炮的控制角度與控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)消防水炮準(zhǔn)確滅火，同樣也可 以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的執(zhí)法防爆功能。在這一類系統(tǒng)當(dāng)中，消防水炮落水點(diǎn)位置的快速有效識(shí)別直 接影響到消防水炮的精準(zhǔn)控制。由于水本身是無(wú)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(chǎng)合下，很難快速有效識(shí)別。再加上其散射后形狀多變，因此，在采用 計(jì)算機(jī)視覺(jué)的消防控制系統(tǒng)中，對(duì)射流落點(diǎn)的識(shí)別成為了消防水炮精確控制的難點(diǎn)之一。 如果能夠通過(guò)技術(shù)手段增強(qiáng)射流在圖像中與背景的色差，將有利于射流和射流落點(diǎn)的識(shí) 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(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其亮度增強(qiáng)方法，其提 高了射流水道特別是射流落點(diǎn)的可識(shí)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(shù)方案：一種消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其包括 安裝套設(shè)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(jìn)一步地，在所述消防水炮的噴頭上開(kāi)設(shè)有錐形孔，所述錐形孔的一端開(kāi)口在噴 頭內(nèi)壁上，另一端開(kāi)口在噴頭外壁上，且所述錐形孔與LED燈不相接觸。
[0007] 進(jìn)一步地，在所述射流增亮環(huán)外沿處設(shè)有撥水針。
[0008] 進(jìn)一步地，所述消防水炮噴口附近開(kāi)設(shè)有斜孔，所述斜孔的一端開(kāi)口在噴頭內(nèi)壁 上，另一端開(kāi)口在噴頭外壁上，所述斜孔中埋入有光纖，所述LED燈正對(duì)于噴頭外壁上的斜 孔開(kāi)口。
[0009] 進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shù)方案：一種消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的亮度 增強(qiáng)方法，其包括如下步驟：
[0013] (1).消防水炮射流噴出時(shí)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(diǎn)亮LED燈，大部分光線沿著水簾進(jìn)入射流，由射流形成的波導(dǎo)到達(dá)射流的 落點(diǎn)，形成明亮的落點(diǎn)水跡，射流的小氣泡、彎曲狀態(tài)使得部分光在射流傳播時(shí)散射出來(lái)， 使得射流形成一道明亮的水柱；
[0015] (3).利用攝像機(jī)或者工業(yè)照相機(jī)作為傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)技 術(shù)，識(shí)別消防水炮的射流落點(diǎn)，分析射流落點(diǎn)和著火點(diǎn)之間的位置偏差，修正消防水炮的噴 射角度，實(shí)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(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)方法，使得消防水炮的射流變成一個(gè) 隨光源亮度和色彩控制的明亮的光斑，能方便計(jì)算機(jī)圖像處理或者肉眼識(shí)別一些復(fù)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(diǎn)；
[0018] (2).通過(guò)在消防水炮噴頭處安裝射流增亮環(huán)，還可以結(jié)合埋設(shè)光纖，通過(guò)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(duì)射流軌跡以及射流落地點(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)別；
[0019] (3).利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)射流和火點(diǎn)處的圖像進(jìn)行采集處理，由于射流 中帶有光路，射流軌跡亮度與周?chē)h(huán)境對(duì)比明顯，并且在射流末端會(huì)有一個(gè)明亮的光斑，通 過(guò)簡(jiǎn)單的圖像處理就可以確定射流落點(diǎn)位置；
[0020] (4).射流增亮環(huán)安裝方便，不會(huì)對(duì)射流的流體力學(xué)特性帶來(lái)任何影響；
[0021] (5).對(duì)于復(fù)雜的背景，還可以通過(guò)改變光源的顏色，使射流和背景區(qū)別開(kāi)來(lái)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(shí)施方式】：
[0032] 全反射：光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，要離開(kāi)法線折射，如圖1所示。當(dāng)入射角 α增加到某種情形（Θ)時(shí)，折射線沿表面進(jìn)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(wú)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(shè)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(jì)算如下：
[0034] sin Θ = n2/nl
[0035] θ = arc sin (n2/nl)
[0036] 特別的當(dāng)n2 = l，nl = 1. 3時(shí)，光從水射向空氣時(shí)的臨界角Θ = 55. 9°，本文中 臨界角未做特殊說(shuō)明均指該角度。
[0037] 光發(fā)生全反射時(shí)，必須要滿足以下2個(gè)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(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)通過(guò)在消防水炮噴口附近的金屬 環(huán)上安裝套設(shè)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(gè)回水槽3,射流增亮環(huán)1不會(huì)對(duì)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(shí)，接觸到射流，這是為了 保證射流增亮環(huán)不對(duì)射流的流體力學(xué)特性帶來(lái)任何影響。射流噴出時(shí)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(dǎo)的關(guān)鍵?？梢栽谙浪诘膰婎^上打錐形孔4,如圖 3,射流噴出時(shí)，在壓力的作用下，有水通過(guò)錐形孔涌入并充滿回水槽，確保光源通過(guò)回水槽 的水進(jìn)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(shí)，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(dāng)消防水炮有射流噴出時(shí)，射流增亮環(huán)中回水槽內(nèi)形成負(fù)壓，通過(guò)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(dāng)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，大部分光線就可以沿著這 個(gè)水簾進(jìn)入射流，由射流形成的波導(dǎo)到達(dá)射流的落點(diǎn)，形成明亮的落點(diǎn)水跡。
[0044] 如圖5所示，通過(guò)在噴頭出口附近開(kāi)斜孔，斜孔一端開(kāi)口在噴頭內(nèi)壁，另一端開(kāi)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(duì)噴頭外壁的光纖 入口，光可以通過(guò)光纖進(jìn)入射流。
[0045] 射流應(yīng)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(diǎn)增亮效 果越好。LED燈點(diǎn)亮方式可以全部點(diǎn)亮，可以部分點(diǎn)亮，可以連續(xù)點(diǎn)亮、可以脈沖點(diǎn)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(kāi)來(lái)。必要時(shí)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(duì)火點(diǎn)的識(shí)別。
[0046] 當(dāng)光線隨著射流傳播時(shí)，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?chē)h(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(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射角達(dá)到臨界角時(shí)，光線發(fā)生全反射，這樣一 來(lái)，光路會(huì)隨著水流一同射出，當(dāng)射流接近完整時(shí)，全反射將貫穿整個(gè)射流，因此周?chē)^少 受到光照的影響，入射光的大部分在射流落地點(diǎn)射出，從而在射流的落點(diǎn)附近形成一個(gè)和 周?chē)泻艽罅炼炔畹乃E，如圖6所示，很容易通過(guò)肉眼或者計(jì)算機(jī)圖像處理識(shí)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(shí)，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(yīng)，其中部分光線會(huì)直接折射出來(lái)，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^(guò)程中也會(huì)由于不滿足臨界角的條件而直接折射出 來(lái)。
[0049] (3).噴射出的水質(zhì)并不是非常的純凈，里面會(huì)夾雜其他物質(zhì)或者形成水泡，光線 在傳輸過(guò)程中遇到這些物質(zhì)或者水泡后會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，然后傳到周?chē)h(huán)境中。
[0050] (4).射流在傳輸過(guò)程中，并不是理想的柱狀形，在邊緣部分還是會(huì)有一些水流分 支，部分傳輸?shù)墓饩€會(huì)散射出來(lái)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(guān)系，一方面將大部分光 束縛在射流中，使周?chē)尘拜^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(shí)散射出來(lái)，使得射流形成一道明亮的水柱，方便了射流的識(shí)別；在射流的落地 點(diǎn)，全反射的光在這里射出，形成一個(gè)非常突出的亮斑，射流和周?chē)h(huán)境明顯的區(qū)別出來(lái)， 這對(duì)于自動(dòng)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(jī)或者工業(yè)照相機(jī)作為傳感器，通過(guò)計(jì) 算機(jī)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，方便地識(shí)別特征分明的消防水炮的射流落點(diǎn)，分析射流落 點(diǎn)和著火點(diǎn)之間的位置偏差，修正消防水炮的噴射角度，實(shí)現(xiàn)精確的滅火。
[0053] 本發(fā)明提出的射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)方法，不是簡(jiǎn)單的用燈光照亮射流，而是 讓射流特別是射流的落點(diǎn)相對(duì)于周?chē)h(huán)境更加明亮，可在基于機(jī)器視覺(jué)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(shí)別精度，這就使得射流落點(diǎn)的圖像處理 大為方便。該技術(shù)也可用于消防部門(mén)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(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括安裝套設(shè)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(quán)利要求1所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：在所述 消防水炮的噴頭上開(kāi)設(shè)有錐形孔（4)，所述錐形孔（4)的一端開(kāi)口在噴頭內(nèi)壁上，另一端開(kāi) 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(quán)利要求1或2所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：在 所述射流增亮環(huán)（1)外沿處設(shè)有撥水針（5)。
4. 如權(quán)利要求1所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述消 防水炮噴口附近開(kāi)設(shè)有斜孔，所述斜孔的一端開(kāi)口在噴頭內(nèi)壁上，另一端開(kāi)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(duì)于噴頭外壁上的斜孔開(kāi)口。
5. 如權(quán)利要求4所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)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(quán)利要求5所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)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(quán)利要求6所述的消防水炮射流光波導(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)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(dǎo)落點(diǎn)亮度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的亮度增強(qiáng)方法，其特征在于：包括如 下步驟 (1) .消防水炮射流噴出時(shí)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(diǎn)亮LED燈，大部分光線沿著水簾進(jìn)入射流，由射流形成的波導(dǎo)到達(dá)射流的落點(diǎn)， 形成明亮的落點(diǎn)水跡，射流的小氣泡、彎曲狀態(tài)使得部分光在射流傳播時(shí)散射出來(lái)，使得射 流形成一道明殼的水柱； (3) .利用攝像機(jī)或者工業(yè)照相機(jī)作為傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)， 識(shí)別消防水炮的射流落點(diǎn)，分析射流落點(diǎn)和著火點(diǎn)之間的位置偏差，修正消防水炮的噴射 角度，實(shí)現(xiàn)精確的滅火。
【文檔編號(hào)】A62C37/00GK104096334SQ201410343238
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)