红外林火探测是什么?
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发布时间：2022-04-29 01:43
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时间：2022-06-27 20:46
（infrared detection of forest fire）
（程邦瑜，廉明启）
利用红外探测器接收林火热辐射，实现对林火探测的一种光电技术。用红外技术探测林火具有不受浓烟薄云的阻挡，能够准确查明火场、火线的位置，能灵敏地发现余火和地下火所在，以及探测白天黑夜难以发现的小火等优点，是预防和扑灭森林火灾的一项有效措施。
发展历史
1962年美国国防部高级研究计划局和农业部林务局协作，首先把红外技术用于林火探测。同年在北方林火实验室开展了林火探测研究项目。1966年交付使用的红外系统已具备提供林火火场急需信息的能力。1970年研制出的高级林火监视系统，每小时能巡护2000平方英里，能以很高的探测率发现林区小火，同时也提高了对火场成象的水平。1982年美国林务局在国家防火中心已装备3架专用的林火红外探测飞机，供全国森林防火业务使用。加拿大在70年代开始了红外探火工作，1980年以后，对一种机载的红外热象仪（AGA750）进行了实用改进。苏联、日本也都对林区背景的红外幅射以及红外装置作过研究。澳大利亚1979年研制了地面太阳能红外探火报警装置。中国林火红外探测的研究开始于1973年。1979年，黑，龙江省森林保护研究所与华北光电技术研究所合作研制出GIRFT-30A地面红外森林探火仪（图1）。1980年，前者与中国科学院上海技术物理研究所合作完成了中国第一代HSIC航空双波段红外林火扫描照相机的研制。1982年，四川大学研制出HLT-81型地面林火自动监测系统。此外，1980年，林业部从美国引进埃索拉（Isolair）红外探火系统，由加格达奇航空护林站试用。
图1 GIRFT-30A地面红外森林探火仪
基本原理
自然界任何物体，温度只要是在绝对零度（-273℃）以上，都有红外线辐射，因此，红外辐射也称热辐射。红外线的波长范围是在0.7～1000微米，介于可见光与无线电波之间。物体温度越高，它的峰值波长越短，红外辐射能量越大。林火的温度一般在550～700℃，其对应的峰值波长在3～5微米（属于近红外区），辐射能量约为1.3瓦/平方厘米；林区背景（森林、草地、山坡、河流等），林火季节温度如在一40～60℃范围，它的峰值波长则约为8～14微米（属中红外区），辐射能量约为1.7×10-2瓦/平方厘米。林火目标从林区背景中被检测到是通过红外探测系统完成的。系统的基本原理如图2所示。
图2 红外林火探测系统基本原理示意图
红外林火探测系统基本上是由光学机械扫描装置、红外探测器、电子学信号处理系统及目标显示和报警装置构成。其工作原理是林区背景以及林火目标的红外辐射通过系统的扫描装置被光学系统有顺序地汇聚到红外探测器上。红外探测器是一个能量转换器件，由它将接收的红外辐射信号转换成电信号。对应林火目标（3～5微米）的林火热辐射，一般采用锑化铟探测器（77°K）或碲镉汞（77°K，室温）、硫化铅等探测器。对林区背景（8～14微米），则采用波长较长的探测器，如碲镉汞或锗掺汞（38°K）等探测器。由探测器提供的电信号，通过模拟信道或数字信道进行处理后再送报警装置或电光转换装置，变成模拟图象或数字图象进行显示，或加以存贮。
系统类型
红外林火探测系统根据显示方式不同可分为三类：
第一类：红外林火定位系统。以GIRFT-30A地面红外森林探火仪为例，工作原理如图3所示。该仪器能探测30公里远处10平方米的火场，方位扫描范围0°～360°，俯仰扫描范围一12°～+1°（连续可调），搜索周期为3分钟一场。显示方式：使用极坐标方式在萤光屏上直接显示火目标的方位和距离；采用幅度显示方式，显示火目标的强度。方位分辨率0.83°～1.9°。该仪器采用碲镉汞（3～5微米）*半导*冷探测器。
图3 GIRFT-30A地面红外森林探火仪工作原理
HLT-81型地面红外探火仪与上类同，该仪器采用太阳能电池供电，火警信号可通过无线电发射，遥送到20公里远处的显示器。
上述仪器安放在高山了望台上使用，工作不受时间*，缺点是视线会受地形阻挡。美国于1968年生产的林火测位器也属这一类，装在直升机上用来辅助确定火场位置，能在火目标上空610米高处，把0.1平方米、600℃的目标从地物背景中加以区别。
第二类：机载红外林火照相系统。如HSIC-航空双波段红外扫描相机以及美国的双光谱林火探测系统，其工作原理如图3。系统本身只有一维扫描，要记录目标及背景的空间分布，还必须借助飞机向前飞行完成二维扫描。通过电光变换后的信号，使胶片感光给出一次成象胶片。该系统1970年已能从4500米高空、0～50℃背景温度中探测到0.1平方米的600℃火目标。1974年，已采用新的技术将空中的红外图象远距离传送。仪器总视场角为120°，在3公里高处，对应地面摄影带宽为10.6公里。在显示较大火场时，对火场分布、火势发展，都能提供直观情况。这类仪器的缺点一是价格昂贵，二是飞机受飞行架次的*，不能对同一地区作连续观测。一般与遥测自动天气站和雷电探测站配合使用，对可能发生林火的高火险区，有针对性的进行探测巡护。
第三类：热成象系统。埃索拉（Isolair）系统就属这类。该系统的核心是一种“782”型热象仪装置的改装，该装置的热图为每帧280线（1∶4隔行扫描），每线有100象元，瞬时视场为3.4毫弧度。它与一个可见光摄象仪组合一起，把一个7°×7°的热象图叠加在一个扩展了的可见光电视画面上，这使得画面的中心部分兼有了红外与可见光摄影的双重优点，给图象判别带来了很大的便利。该仪器辅以手动扫描来扩展总视场。
评价与展望
一个红外林火探测系统的实用性应当取决于：发现小火能力；覆盖可能着火区的有效面积；发现火情及信息传递速度；准确绘出火场位置以及使用的方便性；系统成本等。现有红外林火探测系统，都有局限。用卫星监测覆盖面积是大了，但还远远不能达到足够的分辨率，而且常受云层的覆盖。红外探测技术发展至今已有20多年，只有美国比较常规地应用于业务。除扑火期间用于测绘火场图象外，平时是与火险预报、雷电定位系统以及自动火天气站相配合使用的。实践表明，用红外技术对小火探测、火场成象以及清理火场、探测余火等方面的作用是肯定的。随着科学技术的进步，可以预见，当方阵的多元敏感器及其相配合的电荷耦合技术成熟时，采用廉价的微处理机信号处理系统取代现今的光学机械扫描，以及子系统硬件商品化，将会使红外系统简便、可靠，成本极大降低，红外探测技术也就易于应用推广。对于林火探测，一个能连续观测、覆盖面积大、分辨率高、使用方便的实时遥测图示系统，将是理想的工具。
