森林火灾地面红外探测技术的研究

Ｉ９林火监测　森林火灾地面红外探测技术的研究　郑　英　张万宝　陈惠明　（南京林业大学机械电子工程学院，南京２１００３７）　

【摘　要】简述了地面林火的探测方法。对林火的能量、红外线火灾探测的物理基础和探测林火的原理进行了介绍，　对火灾探测温度信号的提取作了理论上的计算。提出一种应用红外线高科技手段进行地面探测林火的方　法。　【关键词】森林火灾；红外探测；无线传榆　【中圉分类号】￥７６２．３　ｆ文献标识码】Ｃ　

Ｏ引言　在森林演变和人类文明的进程中。火是影响其发展规律变　化的十分重要的因子。火带给人类温暖，促进了人类文明；但火　灾也造成大片森林毁灭，影响人类的生产、生活。森林火灾是一　种失去人为控制的，在森林中自由蔓延和扩展的林火，森林火　灾是一种年年发生的自然灾害。它不仅给人们的生命财产造成　严重的威胁，而且由于其危害客体的特殊性般难恢复的森林　资源），它还会破坏全球的生态平衡，从而给人类生活带来严峻　的挑战。　为了减少森林火灾的损失，世界各国非常重视林火监测，　林火监测是林火管理的重要环节，提高林火监测技术是做好防　火工作的前提。林火的及时发现与报警是防止森林火灾发生的　重要任务之～，是控制和扑灭森林火灾的基础。林火监测是发　现林火和传递火情的措施和手段。林火探测的措施通常可划分　四个空间层次，即地面巡护、晾望台定点观测、空中飞机巡护和　空间卫星监测。林火检测系统的功能是及时发现火情，准确探　测起火点，确定火的大小、动向，监视林火发生发展的全过程。　随着科学技术的发展，红外技术、无线通信技术等高科技不断　应用到林火探测中，使森林防火工作日益走向高科技，智能化、　系统化、综合化。　１森林火灾探测的设想　自动红外检测林火的红外系统包括若干个自动监测站和　一个中心指示站。每个监测站可设置在晾望台或制高点上，向　四周进行３６０度搜索扫描。某个监测站发现火情目标后，自动　判明火点的方位和距离，并将这些信息通过无线发射机向周围　监测站发送，周围监测站再次向自己周围发送信息，直至将信　２８　息发送到中心指示站。中心指示站的接收机收到监测站发来的　信息后，自动进行信号／Ｊｎ－ｒ，由显示器以数字的形式显示林火　发生的方位和距离，根据这些数据确定火点的位置。监测系统　的结构框图如图１。　

圈１　森林火灾红外探测的框图　（１）现场探测部分：负责探测现场的信息，对火灾的数据进　行采集，完成信息数据的发送任务。　（２）中心指示站：对传来的探测信号进行分析、判断和确　认，并根据警情等级自动启动报警电路，对后期火灾扑救有用　的技术参数进行显示，为消防指挥部制定扑救方案提供确切的　资料。控制中心平时还要对各监测点是否工作正常进行循环检　测，监控整个报警装置的工作状态及电源供电情况，确保电子　报警装置处于工作状态。　（３）现场探测部分和中心指示站之间采用无线通信方法。　

２探测器的选择　森林是以乔木为主体的一种复杂木本植物群落体系。森林　森林防火２００６年第４期（总第９１期）　

维普资讯 http://www.cqvip.com 燃烧产生的热量，是植物以光合作用形式，长期贮存于植物体　内的太阳能。森林燃烧就是快速释放出能量的过程。下面就从　林火的能量特征来选择探测器。　２．１林火的能量分析　在林火蔓延的过程中，有相当一部分能量是以辐射形式传　递的。物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射。物体因热　的原因而发出能量的过程称为热辐射。辐射能可以在真空中传　播。它不仅产生能量转移，而且还伴随能量形式的转化，即从热　能转换到辐射能及从辐射能转换到热能。虽然各种辐射发生的　原因不同，但他们之间并无本质的差别，他们都以电磁波方式　传递能量。从理论上讲，物体热辐射的电磁波波长可以包括电　磁波的整个波长范围，即波长从零到无穷大。然而，在通常所遇　到的温度范围内，有实际意义的热辐射波长范围在Ｏ．３８～１００　ｐａｎ之间，而且大部分能量位于红外区段的０．７６～２０　ｐａｎ范围　内，可见光的波长只占全部波谱的很小区间，位于Ｏ．３８～０．７６　ｐａｎ。显然，当波长大于Ｏ．７６　ｐ，ｍ时，人们的眼睛将看不到它们。　红外线又有近红外和远红外之分，大体上以４岫为界，把波长　在４　Ｉ＊ｍ以下的红外线称为近红外线，４　Ｉ＊ｍ以上的红外线称为　远红外线。　２．２红外检测的物理基础　红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸　收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑　体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明　体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然　界中，不存在黑体、镜体与透明体。　（１）基尔霍夫定律　物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射　的红外辐射能，即　Ｅ　ｏ【Ｅｏ　式中　——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；　仪——物体的吸收系数；　—＿常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。　（２）斯忒藩一玻尔兹曼定律　物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其　单位面积辐射的总能量Ｅ为　Ｅ＝盯　式中卜物体的绝对温度（Ｋ）；　Ｄ一斯忒藩一玻耳兹曼常数，（ｒ－－５．６７ｘ１０咖（ｍ２・　；　ｒ比辐射率，黑体的ｅ＝ｌ。　２．３红外线探火的原理　地面上任何物质，自身温度高于绝对温度零点（一２７３￣Ｃ）都　会有红外辐射。这是由于物体内部分子热运动的结果。物体辐　射能量与自身温度的四次方成正比。物体辐射的峰值波长同自　身温度成反比，即温度越高辐射的峰值波长越短。林区植被温　度一般在一４Ｏ～６０￣Ｃ，辐射的波长在１．５～３０　ｐ，ｍ，辐射能量为　０，０１７３Ｗ／ｅｍ２。森林可燃物燃烧产生的火焰一般为６２７ｏＣ，辐射　的波长在Ｏ．８～８０　Ｉ＊ｍ之间。峰值波长为２—６　ｐ，ｍ，辐射能量为　森林防火２００６年第４期（总第９１期　林火监测Ｏ　１．４３Ｗ／ｃｍ２。红外线通过大气时，被空气中的水蒸汽吸收而减　弱。严重地影响了红外线的透射率。个别波段的辐射大气吸收　较少，透射率较高，这些波段称为“大气窗口”。红外线探测器可　通过波长３．４－４．２　Ｉ＊ｍ、４．５—５．３　Ｉ＊ｍ、８～１４　Ｉ＊ｍ的“大气窗口”，对　林区背景进行探测。波长８～１４　ｍ的红外线探测器需要高级制　冷装备，工作系统复杂，仅适用于空间和高空中使用。地面红外　线探测器适合采用“大气窗口”的波段范围是３．４～４．２　Ｉ＊ｍ、４．５－　５－３　Ｉ＊ｍ，以４．５—５．３　Ｉ＊ｍ最好。　２．４红外系统的组成　红外系统主要有光学系统和辅助光学系统，一个典型的传　感器系统各部分的工作原理如图２所示。　

目　标Ｉ＋——————　信号处理　图２红外传感器工作原理　（１）目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统　的设定。　（２）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由　于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得　红外源发出的红外辐射发生衰减。　（３）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红　外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。　（４）光学调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐　射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调　制盘和斩波器，它具有多种结构。　（５）探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物　质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多　数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测　器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。　（６）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，　所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响　应时间，提高探测灵敏度。　（７）信号处理。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信　号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最　后输送到控制设备或者显示器中。　（８）显示。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波　器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。　２．５红外探测器的工作原瑾　单纯的红外测温传感器适用于距离较近的范围探测，因为　辐射的传输衰减与距离的平方成反比。它的目镜半径和探测距　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 。林火监测　圈３致冷型红外焦平面热像仪原理框圈　离之比限制了它在森林探测方面的应用。在火灾探测的历史发　展中，红外传感器和烟雾探测器从来没有在室外的环境中被应　用过，但图像传感器（摄像机）现在已经被广泛地应用于室外场　合（例如电子警察）；于是，我们用红外和图像传感器的结合点，　即红外热像仪。下面来介绍一下红外热像仪。　目前的热成像系统可分为两种类型：光机扫描型和非光机　扫描型。　光机扫描型借助于光机扫描器使单元探测器依次扫过景　物的各个部分，形成景物的二维图像。这种类型的热成像系统　存在着结构复杂，成本高等缺点。　非光机扫描型热成像系统就是利用多元探测器面阵，使探　测器中的每个单元与景物的一个微面单元对应，因此可取消光　机扫描。凝视型热成像系统就属于这种类型。最近几年，利用硅　超大规模集成电路的工艺技术，可以获得高均匀响应度、高密　度的探测器面阵，大大推动了非扫描热成像技术的迅速发展和　步入实用化。致冷型红外焦平面热像仪原理框图如图３。　红外摄像头结构简单，其内装有带制冷的硅化铂红外电荷偶　合器件ＣＣＤ，红外驱动电路板。红外ＣＣＤ输出视频信号，经钳位　和放大等处理后，有ＭＤ转换变成数字图象信号，然后有固定图　形噪声消除电路和响应率非均匀性校正后，存入帧图象存储器中。　图象信号混合了标尺和字符数据后，经伪彩色编码和Ｄ／Ａ转换　后，在显示器上显示。显示模式具有黑自、伪彩色和等温区等多种　方式，并能定时的读出图象所对应的物体表面的温度。　２．６温度值的计算　红外热像仪的测温原理以普朗克定律为理论依据，红外图　像的伪彩色值与其温度有一一对应的关系，其中它要借助于热　值这个中间参量，伪彩色值与热值满足以下关系式：　Ｒ　ＪＵ　式中：卜一红外图像的热值；　￡——热像仪的热平；　Ｒ——热像仪的热范围。　然后再利用红外图像的热值与绝对温度的关系，就可计算　出红外图像各点的温度，其关系式如下：　ｌ产Ｌ　作　式中　一实际的热值；　射率；　—物体发射率。　３０　物体的测量温度为：　￡：—ｊｉ　一一２７３．１５　ｌｏｇ［（争＋１　】　ｌ０　其中，Ａ、Ｂ为热像仪标定曲线常数，对　于短波系统，ｃ为１。据此公式就可计算出　物体的温度值。　２．７温度显示　由于热图具有２５６级伪彩色显示，按　照上述公式就可找出伪彩色值与实际温度的对应关系，这样根　据确定各像素点的灰度值，从而可以实现温度的点温显示、等　温线显示等温度分析。通过温度值进行森林火灾的判断，并将　火灾信号发送出去。　红外热像仪的原理是根据物体辐射出来的红外线形成图　像，目标越热，相应的热像仪成像的亮度就越高，就是根据亮度　来判断是不是有可疑的火情。探测性能取决于镜头的视场　（Ｆ０ｖ）和瞬时视场（ＩＦ０Ｖ）。因为我们要求热像的空间定位及温　度分辨率都比较高，我们应注重选择热像仪的光学系统，只有　物镜是大通光孔径的才能满足要求，或者选择多元探测器的热　像仪和焦平面热仪。