氣溶膠激光雷達在森林防火中的應用

張玲玲 邱建文 王文江

（1.焦作大學機電工程學院，河南 焦作 454003；2.河南工程學院，河南 鄭州 451191 ；3.鄭州第六大街電子科技有限公司，河南 鄭州 450000）

氣溶膠激光雷達具有較短的波形、很強的方向性、良好的單色性、較高的抗干擾能力、較小的體積等多個優(yōu)勢，因此，在實際工程技術應用中，檢測空間圖像的靈敏度更強、檢測空間圖像的分辨率更高、檢測空間的抗干擾能力更強。從20世紀60年代初正式投入至今，激光雷達檢測設備的功能技術有了飛速的發(fā)展，其得到了更廣泛的應用，并且應用的范圍主要是工業(yè)城市規(guī)劃、水利工程、土地管理、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、資源環(huán)境勘查、交通信息通信、防震防洪防災等方面。激光雷達不僅能夠?qū)崟r地跟蹤監(jiān)測各種天氣環(huán)境中的氣溶膠、云層、大氣能見度及對流密度、大氣顆粒的組成、大氣的冷濕度及溫度變化、相對濕度的變化，還能對我國城市上空及其周圍環(huán)境中大氣污染物快速擴散的情況、沙塵暴的爆發(fā)等會產(chǎn)生的環(huán)境污染情況進行實時有效的跟蹤監(jiān)測[1]。激光雷達技術是一種使森林防火設備獲得空氣和水溶膠影像的便捷有效的手段，可以作為森林防火工程研究的科學基礎和依據(jù)，具有很實用的價值。

1.激光雷達的構成、分類

激光是原子在受到激發(fā)時輻射的一種光，原子中的電子迅速吸收能量后，從低能級躍遷到一個高能量量級，再從一個高能量量級返回到一個低能量量級的時候，所有釋放的能量以光子輻射的形式全部放出。

激光雷達探測系統(tǒng)是以大型激光束雷達為主要載體，用于探測一個物體并檢測一個目標所在的位置、速度等性能特點的一種雷達系統(tǒng)。它是通過向目標位置發(fā)射一個反射性的圖像探測信號(包括激光束)，然后將從被探測目標反射回來的圖像信號與發(fā)射的原始圖像信號進行比較，經(jīng)過適當?shù)膱D像處理后，就可以直接快速獲得探測目標的各種相關圖像信息，例如，這個目標的所在距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、物體形狀等各種圖像參數(shù)，從而實現(xiàn)圖像探測、追蹤和圖像辨認，發(fā)現(xiàn)目標。激光雷達探測系統(tǒng)由發(fā)射機、光脈沖接收器、轉(zhuǎn)臺及信息處理器等主要部件組成，激光器會把電脈沖轉(zhuǎn)換成光學的電脈沖并對目標進行發(fā)射，光脈沖接收器會將接收的光電脈沖處理成新的電脈沖，并將其傳送到顯示器。

按照主要工作原理模式的不同，可以將激光雷達細分為連續(xù)脈沖式激光雷達和連續(xù)短波式激光雷達；按照激光雷達探測技術的不同，可以將其分為直接檢測型的激光雷達、相干間接檢測型的激光雷達；按照其應用領域的不同，可以將其分為測量型激光雷達、火控激光雷達(用于自動控制武器的目標瞄準和導彈發(fā)射)、跟蹤識別型激光雷達(用于制導、偵察、預警目標的跟蹤檢測)，誘導型激光雷達(用于航空器和飛行器的飛行對接)、大氣監(jiān)測型激光雷達(用于探測大氣中的風場、氣溶膠、云層高度、臭氧和二氧化碳濃度等)。

2.激光雷達在森林防火中的應用

目前，激光雷達主要應用于高空飛行自動跟蹤、成像和自動制導、三維高空視覺監(jiān)控系統(tǒng)、測風、大氣環(huán)境探測監(jiān)控、主動導航遙感等方面，在氣象方面，如大氣氣溶膠與各種天氣變化之間的關系研究、高空探測大氣物理的研究和大氣環(huán)境污染監(jiān)測等也有應用。本文進行探究的主要內(nèi)容是激光雷達技術在森林防火工程中的應用。

2.1 氣溶膠的探測

氣溶膠泛指一種懸浮于大氣環(huán)境中的各種固態(tài)或者液態(tài)的微小顆粒,其大小一般在0.01~10m之間。氣溶膠來源廣泛，且形成原因比較復雜，例如：油菜花粉等各種植物中的氣體水溶膠粒徑分別為5~100m；木材和各種煙草等經(jīng)過高溫燃燒處理后所分解產(chǎn)生的各種氣體水溶膠,其粒徑為0.01~1000m[2],不僅影響大氣成分，而且破壞臭氧層，污染環(huán)境。PM2.5是一種細的顆粒物，它在大氣環(huán)境中的空氣動力學的當量直徑≤2.5m,與較粗的大氣環(huán)境顆粒物相比較, PM2.5的粒徑較小，面積較大，活性較強，較易攜帶有毒、有害物質(zhì)（例如各種重金屬、微生物等），在大氣環(huán)境中停留的時間較長，擴散的比較遠，對人們的身心健康、環(huán)境質(zhì)量影響較大。PM10是一種可吸入性的顆粒物，一般其粒徑在10m以下?？晌胄缘念w粒物在大氣環(huán)境中停留的時間更長，對人類健康、環(huán)境質(zhì)量的影響更大。當前，我國大氣中含有的PM10極少，然而，其中含有的氣溶膠對氣候的影響非常大。我國采用激光雷達對氣溶膠進行檢測時，主要運用的是偏振式的激光雷達檢測技術，應用這種檢測技術的激光雷達統(tǒng)稱偏振式微波探測發(fā)射激光雷達[3]。

2.2 氣溶膠激光雷達監(jiān)測森林火災的工作原理

正常天氣情況下，森林上空空氣中的顆粒物濃度(氣溶膠濃度)有一個正常的范圍(作為標定)，森林在燃燒情況下，冒出大量的濃煙霧，會導致森林上空的顆粒物濃度突然升高。氣溶膠激光雷達在森林上空進行持續(xù)性的監(jiān)測，結合GIS地圖數(shù)據(jù)，展示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個位置每個時刻的氣溶膠濃度變化，一旦森林某一位置發(fā)生火災，激光雷達可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域顆粒物濃度(氣溶膠濃度)突然增大的大致位置，從而反映出火災隱患發(fā)生的大致范圍。激光雷達的持續(xù)性監(jiān)控數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳至服務器，服務器會把預警數(shù)據(jù)的信息及時發(fā)送給有關工作人員，相關工作人員及時現(xiàn)場查證，將火災控制在初期階段，將損失降到最低。氣溶膠激光雷達監(jiān)測森林火災的工作原理如圖1所示。

圖1 氣溶膠激光雷達監(jiān)測森林火災的工作原理

2.3 氣溶膠激光雷達在森林防火中的應用意義

激光雷達垂直掃描可以監(jiān)測森林上空大氣氣溶膠的時空變化，為研究氣候與森林生態(tài)變化等提供有效的數(shù)據(jù)支撐；激光雷達水平掃描可以實現(xiàn)24小時不間斷自動掃描監(jiān)測，實時監(jiān)測森林上空氣溶膠的濃度變化情況，并能實時定位火災發(fā)生地點及大致范圍，提升森林防火監(jiān)測效率。激光雷達掃描范圍在6~15km(與大氣狀況有關)，大大提高了監(jiān)測面積，監(jiān)測結果可以通過電腦端和手機端實時可查，一旦森林上空氣溶膠濃度異常超標,意味著災 情可能發(fā)生，相關視頻圖片、氣溶膠濃度數(shù)據(jù)、距離及位置信息實時推送給相關人員，做到及時報警，將災情控制在前期可控階段。與傳統(tǒng)視頻攝像頭監(jiān)測相比，激光雷達和視頻監(jiān)控、人工現(xiàn)場核查一起組合，將極大地提高森林火災監(jiān)測效率。

3.存在的問題及發(fā)展趨勢

激光雷達檢測是較新的檢測方法，廣泛應用于我國大氣環(huán)境監(jiān)測領域，然而，其在理論研究、實踐應用中出現(xiàn)一些弊端。例如：當大氣層中光線的傳遞折射作用對激光雷達產(chǎn)生影響時，就會使激光光束產(chǎn)生劇烈的晃動和畸形變化，還會對檢測工作的精度產(chǎn)生影響，因此，會使實時檢測工作不能正常進行。在晴朗的天氣情況下，激光能量減弱得會非常少，其目標的傳播距離會更遠，然而，在暴曬、大暴雨、濃煙、濃霧等惡劣天氣里，其能量減弱得非?？欤繕说膫鞑シ秶矔艿教貏e大的影響。因為此種激光雷達光波極其纖細，檢測目標難度極大，只能在非常小的距離內(nèi)檢測，鎖定目標，所以惡劣天氣會對檢測的效率產(chǎn)生影響。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對大氣環(huán)境的質(zhì)量要求也在不斷提高，大氣環(huán)境的監(jiān)測和有效的預防、治理也備受關注，對激光雷達的要求是要及時、準確、高效地完成跟蹤監(jiān)控工作。

激光雷達檢測技術的未來發(fā)展趨勢可從以下三個方面進行歸納：(1)激光雷達在我國發(fā)展的科學技術創(chuàng)新主要是其檢測系統(tǒng)的軟件和硬件組成方面。激光的光源、發(fā)射及接受器、信號的采集及處理等這些技術，對大氣環(huán)境監(jiān)控精度的提高提供了最為直接有效的方法。(2)參數(shù)檢測功能由單一變?yōu)槎鄠€參數(shù)。至今，具有很多不同的單一檢測功能的激光雷達技術得以實施，這是降低檢測成本、增強探測質(zhì)量、提升檢測效果的一種有效方式。(3)單一型到多種平臺相結合的形式發(fā)展，優(yōu)勢相互促進，提高了容錯和糾誤的能力。例如：將我國傳統(tǒng)地基激光雷達和星載激光雷達的探測技術手段緊密結合，構建了相關的數(shù)據(jù)模型，從而拓寬了探測領域，并且也提高了探測的范圍和精度[1]。

4.結語

激光雷達檢測系統(tǒng)是一種新型的檢測大氣環(huán)境的手段，采用的技術是超聲波成像技術，它的時空圖像的分辨率非常高，檢測對象的靈敏度非常高，檢測性能好，具有非常強的抗干擾力，在大氣環(huán)境監(jiān)測中得到很廣泛的應用。本文闡述了激光雷達檢測系統(tǒng)的工作原理及在森林防火中的應用，并就我國激光雷達檢測技術在大氣環(huán)境污染監(jiān)測方面所遇到的部分問題、未來的發(fā)展趨勢進行了探索，為以后在這方面的科學研究奠定了基礎和科學依據(jù)。