專利名稱：用于分析危險報警器信號的方法及實施該方法的危險報警器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種借助頻率分析和模糊邏輯分析用于分析危險報警信號的方法，以及一種實施該方法的危險報警器。該危險報警器例如可以是一種火焰報警器，噪聲報警器，火災報警器，無源紅外報警器或者類似的報警器。
各種危險報警器的輸出信號經常是以對它典型的頻譜為特征。通過分析這些頻譜可以確定各信號的來源，并且首先可以將各真正的報警信號從干擾信號中區分開來，并且由此避免錯誤警報。尤其是在火焰報警器情況下，為了能將真正的火焰輻射從例如象反射的陽光那樣的一種干擾源的，或者一種閃爍光源的輻射區分開來，而分析火焰的典型低頻閃爍。
例如借助傅里葉分析，快速傅里葉分析，零交叉法或者轉折點法來分析危險報警器的各輸出信號。后者在GB-A 2277989中在火焰報警器上的應用中得到了說明。在此，測量輻射最大值間的時間間隔和對它的規律性和不規則性進行校驗，并且將不規則出現的各輻射極大值解釋為火焰和將規則出現的解釋為干擾。
模糊邏輯一般是已知的。關于本發明應強調的是，各信號值按照隸屬函數被分為所謂的模糊集或者模糊量，在此，隸屬函數值或者對一種模糊量的隸屬程度，是在零和一之間。在此重要的是，該隸屬函數是可規一化的，就是說該隸屬函數的全部值之和等于一，由此該模糊邏輯分析允許單義地解釋信號。
在一種于EP-A 0718814中描述的火焰報警器上，分析已檢測出輻射的頻率，并且在此在一定的頻率范圍內在規則的和不規則的信號之間進行區分。在給定的頻率范圍內的不同信號的分析，根據多個模糊邏輯規則進行。通過此種方法能夠在真正火焰信號和其他干擾信號之間進行準確的區分和由此使防錯誤報警可靠性成為可能。該頻譜的產生，在此例如是由快速傅里葉變換進行的，這從該變換需要的時間、所需的處理器和處理器費用看是昂貴的。為判定一種檢測出的信號，有一部分是要求高達三秒鐘。然而對于一定的用途是希望一種較短的分析時間和直至發出警報的反應時間，在此象零交叉法或者轉折點法或者子波分析那樣的各種方法雖然加速了該判定過程但是精確性卻較低。
本發明的任務在于，建立一種用于對危險報警器信號作頻率分析的方法，該方法是與一種模糊邏輯分析相結合的，并且與當今技術水平的分析方法相比是以較小數目的計算步驟實現的，這使得在較短的時間內得到具有相同的或較高的精確性的結果。此外，該方法應是可用一種較簡單的處理器和由此是費用比較有利地來實現的。
按照本發明該任務由此而解決，即進行一種快速子波變換作為頻率分析，并且在此將該原始信號引導通過一種多級的，高／低通濾波器對的濾波器級聯，并且在子波變換的每個濾波級上，由高通濾波器的結果各產生一種隸屬函數，將該函數用來按照模糊邏輯規則繼續分析頻率信號。
該子波變換是一種自時域到頻域的一種信號的變換或者映像(對此請參閱例如“快速子波變換”Mac A．Cody在Dr．Dobb’s Journal，4月，1992年)，它亦即基本上與傅里葉變換和快速傅里葉變換相似。但是它與這些的不同點在于變換的基本函數，按照這個基本函數展開該信號。在傅里葉變換時采用正弦和余弦函數，它們是精確地定位在頻域內的，而在時域內是不確定的。在子波變換時采用一種所謂的子波或者波包。在這當中有不同的類型，例如一種高斯子波，樣條子波或者發狀子波(Haar Wavelet)，它們各自可以通過兩個參數任意地在時域中移動和在頻域內擴展或者壓縮。
因此，通過一種子波變換既可在時域內也可在頻域內轉換各定位的信號。一種快速的子波變換由按照馬拉特(Mallat)的金字塔形算法實現，該算法是建立在重復應用一個低通濾波器和高通濾波器的基礎上的，通過這種應用將低頻的信號組分與高頻的分開。在此每次將低通濾波器的輸出信號重又送入低／高通濾波器對。這導致原始信號的一系列近似值，這些近似值中的每一個比先前的擁有一個較粗糙的分辨率。變換所需要的運算數目是每次與該原始信號的長度成正比，而在傅里葉變換時此數目與信號長度是超線性比例的。快速子波變換也可反轉進行，其方法是由用于重建的各近似值和系數重新形成該原始信號。用于該信號分解和重建的算法和一個分解與重建的系數表已在Charles K．Chui的“子波引論(An Introduction to Wavelet)”(Academic Press，SanDiego 1992)中的一個樣條子波實例上給出。
模糊分析的結果在一種危險報警器中應用時，能夠做出是否存在一種警報信號或者一種干擾信號的判定。為子波分析所必需的計算步驟數目與傅里葉分析相比較明顯降低。因此縮短了用于信號識別所需的計算時間，并且處理器的費用也減少了。
按照本發明將該原始的、數字化的信號首先經一種快速子波變換進行分析。為此引導該信號按照馬拉特算法通過高通和低通濾波器對的一種級聯的多個級。然后從高通濾波器的結果中在每個濾波級上產生一種隸屬函數，它包含從高通濾波器所得計算值之和，并且除以各原始信號值的平方和。在此，在每個濾波級產生的該隸屬函數之和等于1或者接近等于1。于是將這些規一化了的隸屬函數以這種形式應用于繼續進行的用模糊邏輯的頻率分析。
一種這樣方式的頻率分析具有下列優點子波變換的各高通濾波器首先產生關于高頻信號的信息。這尤其在火焰報警中是有利的，因為以有關較高頻率的信息可加快信號種類的識別，和可提高它的準確性。例如如果發現一個超過15Hz的高頻信號，則將這個信號解釋為干擾信號。緊隨其后的報警，干擾信號或者報警信號，較早地發生，并且以較大的可靠性是正確的。各子波在它們的形式上經常是很簡單的，例如象一種發狀子波那樣，和能夠用少的計算步驟來分析，這額外地縮短了計算時間和判定時間。然而該判定時間的縮短不是與信號識別的準確性方面的損失相聯系的。當需要較少的代碼行時，也可以使用一種廉價的處理器。
按照本發明方法的一種第一優先的實施形式，其特征在于，用于快速子波變換的子波是一種規格化正交的或者半規格化正交的子波，或者也是一種子波包基(Wavelet-Paket-Basis)，并且這些產生的隸屬函數各自包含通過子波系數加權的高通濾波器的平方值之和，以及原始信號的平方值之和，并且以規一化的形式用于按照模糊邏輯規則的頻率信號的繼續分析。
在一個第二優先的實施形式中，為快速子波變換采用的子波是一種規格化正交的或者半規格化正交的或者是一種子波包基，并且這些產生的隸屬函數各自包含高通濾波器的平方輸出值之和以及危險報警器的原始信號的平方值之和，并且該隸屬函數以規一化的形式應用于按照模糊邏輯規則的頻率信號的分析。
用于實施所述方法的該按照本發明的危險報警器包含一種用于危險特征量的傳感器，一種帶有用于處理傳感器輸出信號手段的電子分析裝置，和一種帶有模糊控制器的微處理器。這種危險報警器，其特征在于，該微處理器具有一種軟件程序，按此程序，模糊控制器是一種模糊子波控制器的一部分，并且由分析電子裝置處理的和向模糊控制器輸送的信號是經子波變換的。
以下借助一種在附圖中展示的實施例詳細地說明本發明；這些附圖是
圖1一種方法的方框圖，該方法具有一種通過多個濾波器級的快速子波分析和通過模糊邏輯的繼續分析，圖2展示在一種用快速發狀子波變換的頻率分析的實例上的各隸屬函數，圖3用于實施圖1方法的一種危險報警器的方框圖，和圖4用于在一種危險報警器中實現圖1的方法的方框圖。
按照圖1，借助于一種任意的，由當今技術水平已知方式的子波，以輸出信號x0，k首先進行一種快速子波變換1。有利地是采用一種規格化正交的或者半規格化正交的子波或者一種子波包基。在圖中該信號值用xi，k和yi，k表示，在此x表示這些信號值和來自低通濾波器(LP)的各值，以及y表示來自高通濾波器(HP)的各值。下標i以上升的數字表示濾波器級聯的級，在此，原始信號位于零級。下標k表示一種信號的一個獨特值。自零級上的一種原始信號x0，k出發，經過多次濾波變換該信號。第一高通濾波器的輸出信號產生各值y1，k和第一低通濾波器的輸出信號產生各值x1，k，該輸出信號同時形成用于第二濾波級的輸入信號。第二高通濾波器的輸出信號產生各值y2，k，將第二低通濾波器的輸出信號x2，k送向一種第三濾波器對等等。在此應說明的是，由各濾波級產生的值的數目，在各級上是各自不同的。準確地說，在每級上各值的數目減小倍數2。例如在i+1級上，一種高通濾波器的輸出值是用yi+1，k表達的和一種低通濾波器的輸出值是用Xi+l,k=Σ1bl-2kylk]]>表達的。
用于變換的系數a和b一般是已知的和可借助所述的Chui的書來計算。例如對于一發狀子波a0=a1=1／2，b0=1／2和b1=-1／2。下標1各自取整數值，對于這些值系數不等于零。該原始信號的重建以分級方式進行，其方法是每個濾波器級的各值從前級的各值形成，即x1,x-=Σ-1(px-z1x1+1.1+qx-z1y1-1.1)]]>為子波重建的系數p和q可在所述的書中找到。
隨后從各自濾波級的高通濾波器的各輸出值和從為子波重建的所屬系數q產生隸屬函數μi。在此
(方程式1)μN-1=Σ1(px-z1xN1)2Σr(x0,r)2furi=N+1,]]>在此N是濾波級數目。該最后的函數μN+1也就是通過最后的低通濾波器的各輸出值形成的。這些隸屬函數是規一化的，其方法是通過下列方程式產生這些隸屬函數的一種常常是良好的近似
在這種近似上函數是接近規一化的，其方法是Σ1μ1≈1]]>在該方法的一種特別實施例中，這些數字化的原值(Rohwerte)x0，k受到一種快速發狀分析。自每個濾波級i的各值yi，k形成各隸屬函數μi，即μ1=Σ1(y1,1)2Σr(x0,r)2furi=1,2,......,N,undμN+1=Σ1(xN1)2Σr(xo,r)2fur=N+1]]>這些隸屬函數在此情況下是規格化的，其方法是Σ1μ1=1]]>在圖2中由一種快速發狀子波變換的結果產生的隸屬函數μ是作為頻率函數表示的。在不同的曲線中μN+1說明很低頻率的屬性，μN說明低頻的屬性，以及μ1和μ2說明高的或者中等頻率的屬性。這里可清楚地看出，在每個選擇的頻率上各曲線值的和為1。
在本方法的所有實施例中，將這些隸屬函數輸送給一個用于按照模糊邏輯規則分析的模糊邏輯控制器2(圖1)，按此做出決定，是否釋放一種警報信號或將該信號評定作為干擾。
在火焰報警器中應用此方法時，適合于用來在例如象超過15Hz的周期性信號那樣的干擾信號，和例如象低頻率的窄頻帶信號，或者在低頻范圍中的寬頻帶信號那樣的真正火焰信號之間作出區分。通過快速地識別高頻信號，從信號中排除這種頻率的和其各諧波頻率的各干擾信號，這加速了該信號的頻率分析。通過子波變換對該頻率分析的加速，可以將用于判定信號種類的和發出的警報的必要時間，例如從至今的3秒鐘減少至1秒鐘。此所述方法，此外也適用于噪聲報警器，無源的紅外報警器，在圖象處理中各單個象素信號的頻譜分析，以及象氣體傳感器和振動傳感器那樣的各種各樣傳感器。
圖3示出一種用來實施所述方法的危險報警器3的示意圖。根據圖示該危險報警器3具有一個用于檢測一種危險特性參數的傳感器4，一種電子分析裝置5，一種微處理器6和模糊控制器2。該危險特性參數例如可以是一種由火焰發出的輻射強度，一種噪聲的聲音信號，由一種熱物體發出的紅外線或者一種CCD-攝象機的輸出信號。
將傳感器4的輸出信號送向電子分析裝置5，并且從該電子分析裝置5到達微處理器6中，該電子分析裝置5具有例如象放大器那樣的適當手段來處理信號。該模糊控制器2(圖1)在這里是作為軟件一體化在微處理器6中。特別是該模糊控制器是模糊子波控制器的部分，它將模糊邏輯理論與子波理論聯系起來。該微處理器6例如包含一種在圖4中示出類型的軟件程序，該程序對輸入信號加以子波變換。然后將產生的、變換過的信號輸送給模糊控制器2。如果自該模糊控制器2產生的信號被評定為警報的話，則將這個信號輸送給一個警報發出裝置7或者輸送給一個警報中心。
圖4示出在一個危險報警器的微處理器中，實施按照本發明的方法的一種方框圖，在此這個微處理器具有一種模糊子波控制器8。該傳感器4的輸出信號在經過電子分析裝置5(圖3)的分析之后，送到模糊子波控制器8，在其中首先引導該信號通過由各濾波器9的級聯。由每個濾波器9的結果10按照方程式1形成各隸屬函數μi。然后將這些函數送給模糊控制器2用于模糊分析，該模糊控制器2必要時向警報發出裝置7發送一個信號。
權利要求
1．用于借助頻率分析和模糊邏輯分析來分析一種危險報警器(3)信號的方法，其特征在于，將一種快速子波變換(1)作為頻率分析來實施，和將原始信號(x0，k)在此引導通過一種各高／低通濾波器對(HP，LP)的多級濾波器級聯，并且在子波變換的每個濾波級上，自高通濾波器(HP)的各種結果中各自產生一種隸屬函數(μi)，將它用于按照模糊邏輯規則繼續分析頻率信號。
2．按照權利要求1的方法，其特征在于，為快速子波變換(1)采用的子波，是一種規格化正交的或者半規格化正交的子波或者是一種子波包基，并且這些所產生的隸屬函數(μi)各自包含由該子波系數加權的，高通濾波器(HP)的平方值之和，以及該危險報警器(3)的原始信號(x0，k)平方值之和，并且以規一化的形式用于按照模糊邏輯規則的頻率信號的繼續分析。
3．按照權利要求1的方法，其特征在于，為快速子波變換(1)采用的子波，是一種規格化正交的或者半規格化正交的子波或者是一種子波包基，并且這些所產生的隸屬函數(μi)各自包含該高通濾波器(HP)的平方輸出值之和，以及該危險報警器(3)的原始信號(x0，k)的平方值之和，并且以規一化的形式用于按照模糊邏輯規則的頻率信號的分析。
4．按照權利要求1至3之一的方法，其特征在于，各輸出信號是一種火焰報警器的輸出信號，并且該火焰報警器的各輸出信號的頻率分析和評價持續100ms至10s。
5．用于實施按照權利要求1至3之一的方法的危險報警器(3)，具有用于一種危險特征參數的傳感器(4)，一種帶有處理傳感器(4)的輸出信號手段的電子分析裝置(5)，和帶有一個模糊邏輯控制器(2)的微處理器(6)，其特征在于，該微處理器(6)具有一種軟件程序，按照該程序該模糊控制器(2)是一種模糊子波控制器(8)的一部件，并且通過電子分析裝置(5)處理的和輸送給模糊控制器(2)的信號是子波變換過的。
全文摘要
在用于頻率分析一種危險報警器信號的方法中,將一種子波變換(1)與一種模糊邏輯分析結合。在借助于規格化正交的或者半規格化正交的子波變換中,將原始信號(x
文檔編號G06F17/10GK1205094SQ97191373
公開日1999年1月13日 申請日期1997年9月19日 優先權日1996年10月4日
發明者M·P·圖拉德 申請人:塞比盧斯有限公司