使用激光雷达的森林火灾烟雾探测的可行性外文翻译资料

 2022-12-06 03:12

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使用激光雷达的森林火灾烟雾探测的可行性

Andrei B. UtkinA,B, Armando FernandesC, Fernando Simotilde;esC, Alexander LavrovA

and Rui VilarC,D

AINOV–Inesc Inovaccedil;atilde;o, Rua Alves Redol 9, 1000-029 Lisbon, Portugal.

CDepartamento de Engenharia de Materiais, Instituto Superior Teacute;cnico, Av. Rovisco Pais 1, 1049-001,

Lisbon, Portugal.

摘要：参考葡萄牙2001年项目范围内实验性森林火灾的烟羽532 nm激光雷达测量结果，讨论了采用单波长激光雷达的烟雾感测进行森林火灾探测的可行性和基本原理。 调查包括追踪烟雾演化，通过激光雷达光轴的方位角扫描来估计森林火灾报警及时，烟雾位置。 还证明了在非常不利的可见度条件下定位源于视线和检测的烟羽的可能性。 讨论了眼睛危害问题，并讨论了提供眼睛安全条件而不损失激光雷达灵敏度的三种可能性（即，使用低脉冲和高重复率激光，扩大的激光束或眼睛安全的辐射）。

其他关键字：遥感，Gestosa。

1介绍

将雷达原理扩展到光学范围，激光雷达（LIght Detection and Ranging）技术已经在许多今天的林业应用中得到应用，例如监测和测量树木和森林的化学活性和状态（Saito等人，2000）和叶面积估计（Roberts等，2003）。激光雷达也是森林火灾监测的有前途的工具，因为这种主动检测技术由于其灵敏度和空间分辨率非常高，可以在白天和黑夜的发展早期阶段高效地定位来自森林火灾的小烟雾在相当大的范围内（几十公里）。通过使用合适的扫描方法，烟源的非常准确的位置也是可能的。观察发电厂，工厂和森林火灾产生的烟雾是激光雷达的首要应用（Hamilton 1969; Hinkley 1976）。由于这些早期实验，激光雷达的兴趣稳步增加，激光雷达方法以及激光雷达信号处理的复杂算法（Zuev和Naats 1983; Bissonnette 1986; Weinman 1988; Wei et al。2001）现已广泛应用于大气研究和监测（衡量标准1984; Jelalian 1992;Bouml;senberg等，1997）。这些算法中的大多数都是基于Klett（1981）发表的反演方法。

使用激光雷达作为火灾探测工具尚未得到应有的重视。最近报道的少数调查主要关注空间和时间尺度上的大型现象，如大面积森林火灾造成的烟雾的地面和空中评估（Uthe等人，1982; Banta等人，1992; Targ等1996年; Pershin等人1999），武器射击演习（Uthe 1981），跟踪油烟 （Eberhard 1983），测量大气层和平流层的森林火灾烟雾密度（Fromm et al。2000; Muller et al。2000），并研究了烟雾与臭氧浓度之间的相关性（Longo等，1999）。本地观测主要集中在发电厂排放的羽流（Benech et al。，1988; Bennet et al。，1992）。因此，虽然激光雷达的烟雾检测是众所周知的技术，但是仍然需要相当大的努力来为地面森林火灾监测创造有效，可靠和简单的方法。 Andreucci和Arbolino（1993a，1993b）和Vilar和Lavrov（1999,2000）对成功使用激光雷达进行火灾探测所需的激光雷达参数进行了数值评估。作者进行的早期实验证明，可以从6.5公里的距离迅速检测到燃烧速率约为每秒0.03公斤的小火（Utkin et al。2002）。

本文通过实验研究使用简单的单波长直接检测激光雷达定位森林火灾的可能性，部分解决了常见激光雷达设备的高成本和复杂性所引起的问题。这种可能性与设备的检测灵敏度密切相关。作为一种积极的技术，由于燃烧区域足够小以使火灾易于熄灭，因此对林火的检测有可能在最早阶段发现森林火灾。激光雷达探测到的是烟柱，而不是观察火焰，而烟柱的体积要大得多。在下一节中，简要讨论了使用激光雷达的烟雾感测的基本原理，信噪比（SNR）与激光雷达设备，烟羽和大气条件的参数有关。当探测激光束以恒定的方式照射羽流的中心时，该关系允许理想的观察条件的SNR的理论预测形状。实验结果表明，即使在强风下陡峭的山坡上观察烟羽也可以在山区表明激光雷达对森林火灾进行火灾探测的可能性。这表明即使是廉价的中空分辨率激光雷达可以可靠地区分由于小的烟羽与由于地面反射引起的大信号而产生的信号。

激光雷达监控系统的另一个重要特征是火灾报警器的及时性。 实验已经证明了在起火后40秒内可以检测烟羽。 森林火灾位置是通过方位角扫描进行的，允许估计烟羽的位置和尺寸。 烟气来源的位置示例也是不可见的，在不利的可见度条件下进行检测。 结果总结在最后一节。

2烟雾感测基础

2.1雷达信号

激光雷达接收的功率Pr由激光雷达定义方程（方法1984，第243页）：

(1)

其中R为当前距离，为输出激光脉冲能量，c为光速，平均反向散射系数，有效接收机面积，和发射机和接收机效率（后者基本上由限制接收机带宽的滤波器定义），为消光系数。后向散射系数的计算考虑到与空气混合引起的烟雾稀释。在激光束照射的区域以及在范围内的视线范围内的平均值，其中是激光脉冲持续时间（对于10ns的脉冲，平均距离为1.5m）。在每一系列实验之前和之后，在无烟气氛中记录的激光雷达信号，通过斜率法（Klett 1981; Zuev和Naats 1983）估计消光系数。

初始阶段森林火灾的烟雾是致密的，而不是分散的目标。它们在原始激光雷达信号中出现为窄峰，在这种情况下，最有用的检测效率测量是峰值返回信号值与峰值附近的背景噪声之间的比率。

2.2噪音

返回激光雷达信号的波动由于与光学检测系统相关的大气效应和噪声而产生。来自光电倍增管的输出信号包括三个组分（Measures 1984，pp.266-233; Andreucci和Arbolino 1993b）：由于接收到的激光束能量，由背景辐射产生的电流，，和暗电流。在上述等式中，是信号峰附近的接收反向散射辐射的功率，是光电倍增增益，是光电阴极响应度，并且是所接收的背景太阳辐射的功率（Youmans等人，1999）。 后者由下式给出：

(2)

其中是由滤光器限制的接收器光学带宽，是视场的全视角，是激光雷达工作波长处的背景太阳辐射。

当数据在个激光雷达射击上累积时，信噪比由方程（Measures 1984，pp。226-229）定义：

(3)

其中是电子电荷，是接收器的有效带宽，是与增益相关联的噪声因子。

2.3实验结果

使用直径为波长的可见光辐射的直接检测激光雷达进行小型森林火焰烟雾检测的实验研究。背散射辐射由卡塞格朗型望远镜收集，并由光电倍增管测量。实验激光雷达曲线对应于个返回信号的累积。用于实验的激光雷达设备的相关参数如表1所示。表1给出的背景太阳辐射的值是通过对文献中可获得的数据进行插值得到的（Pratt 1969; Youmans等，1994）。

旨在展示激光雷达辅助烟雾感测的基本原理和可行性的这些实验使用强大的激光雷达设备进行，能够在现场提供简便的操作。该装置基于固态Nd：YAG激光器，具有倍频非线性晶体，以便提供易于追踪的绿色辐射以及基本的红外辐射。实验在保护区进行，所以在这种情况下，安全条件是不重要的。 在结论中讨论了提供眼睛安全性而不显着降低检测范围的方法。

激光雷达烟雾探测

表1.激光雷达设置的特点和背景太阳光辐射

参数

符号

单位

值

发射机

闪光灯泵浦，水冷，Q开关Nd：YAG激光器

脉搏持续时间

重复率

光束分歧

工作波长

脉冲能量的估计

用于闪光灯电压

总发射机效率

接收器

卡塞格伦望远镜

有效面积

全角视场

效率

过滤带宽

光电倍增器与珀尔帖冷却

暗电流

增益

~

光电阴极响应度估计

数据采集系统

IBM兼容PC与ADC ISA板

频率

相应的空间分辨率

大气参数

背景太阳辐射

使用激光雷达的森林火灾监视要求将设备放置在高架观察点，以避免被地面浮雕和前景物体（树木，建筑物等）监视的区域遮蔽。在葡萄牙，森林主要位于山区，人们可以利用自然的救济，将观测站放置在山顶或现有的监视塔上。由于森林大火经常发生在山谷或山坡，山区的火灾探测的特征是，通常只有烟雾的上部，较不致密的部分出现在仪器的直接视野中，并且在许多情况下必须从山坡而不是靠在晴朗的天空上检测出羽毛的背景（图1）。鉴于这些言论，本工作旨在表明，在上述条件下，简单的激光雷达仪器的灵敏度和空间分辨率足以及早发现森林火灾烟雾。2001年在葡萄牙中部，在Gestosa项目（Viegas 2000）的框架内进行了实验森林火灾检测实验。

图1 观察山区森林火灾

在激光雷达信号中捕获的10分钟烟羽演变的一个例子如图2所示。 在地面25m高处观察到烟羽明显倾斜，从激光雷达设备到火灾地点的距离约为2.4公里。根据大气中烟雾传播理论处理的预测（Davidson and Slawson 1982; Heikes et al。1990; Netterville 1990），火势位于烟雾检测点一侧的约100m处。在火灾开始后t = 180秒观察到的与烟羽相对应的峰值，由

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