CN113281773A - 一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，包括发射系统、接收系统、光谱分析系统和数据采集处理器；发射系统包括激光器；接收系统包括望远镜，光谱分析系统包括依次在望远镜发出光束的光路设置的准直镜、分色镜；分色镜的透射光路上依次设置有第一窄带滤波器、第一汇聚镜；第一汇聚镜将光汇聚到第一探测器上；分色镜的反射光路上依次设置有第二窄带滤波器、第二汇聚镜；第二汇聚镜将光汇聚到第二探测器上；第一光电探测器、第二光电探测器均与数据采集处理器信号连接。本发明还公开了一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法。具有探测灵敏度高和探测范围较大的特点。

Description

一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统及方法

技术领域

本发明属于遥感监测及火灾探测技术领域，涉及一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，还涉及一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法。

背景技术

近几十年来，森林或草原火灾发生的频率日益激增。大多数的森林火灾是在人为因素与自然因素的协同作用下失去控制的燃烧，森林中的各类物种在这些森林火灾中遭到无情的吞嗤，地球生态系统的平衡和稳定遭遇到巨大的挑战，燃烧过程中产生大量的烟尘，对大气环境造成危害，影响当地的气候甚至对人类的生存环境构成巨大的威胁，给国家和人民的生命财产造成重大的损失，所以，采取必要的措施和手段来预测和发现森林火灾，并进一步抑制森林火灾的发生或者将其消灭在萌芽阶段是我们开展森林防火工作所面临的一项艰巨而又十分重要的任务。林火监测是森林防火工作中的重要内容，进行森林及草原火灾监测是保护森林资源的核心。火灾探测是火灾防治工作中的非常重要的环节。

在我国过去很长一段时间以来林火监测主要是瞭望台的方式，随着科技水平的提高，我国的林业资源安防技术逐渐从传统的人工朝着智能化方向发展，但是当前也存在着一些局限性问题亟待解决。激光雷达是一种主动遥感仪器，具有探测范围广和高时空分辨率的优点，已经被广泛应用在星载、机载及地基平台上并用于大气环境、森林植被覆盖及地形地貌的探测中，其在探测范围、空间分辨率和实时监测等方面具有重要优势。近些年随着激光雷达技术的快速发展，激光雷达已经走出实验室，应用于大气环境的野外观测研究中。目前激光雷达在环境领域的监测应用较多，可以实现大覆盖范围的雾霾垂直分布及水平分布的探测。除了雾霾，激光雷达还可以实现火灾烟雾识别与探测。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，具有探测灵敏度高和探测范围较大的特点。

本发明的第二目的是提供一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，包括发射系统、接收系统、光谱分析系统和数据采集处理器；

发射系统包括激光器；

接收系统包括望远镜，望远镜用于接收激光器发射出激光经大气散射后的散射光，并将其汇聚后发出，望远镜的光轴与激光器发射出的激光光轴平行，望远镜包括机械遮光套筒,机械遮光套筒的一端配设有主镜，机械遮光套筒的另一端配设有次镜，次镜的外面有施密特矫正镜；

光谱分析系统包括依次在望远镜发出光束的光路设置的准直镜、分色镜；分色镜的透射光路上依次设置有第一窄带滤波器、第一汇聚镜；第一汇聚镜将光汇聚到第一探测器上；分色镜的反射光路上依次设置有第二窄带滤波器、第二汇聚镜；第二汇聚镜将光汇聚到第二探测器上；

第一光电探测器、第二光电探测器均与数据采集处理器信号连接。

本发明的特点还在于：

准直镜为口径25.4mm，焦距为50mm的球面镜。

望远镜为对称型反射式望远镜。

一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光雷达放置于空旷且周围无阻挡的高地上，使激光雷达发射出激光对周围大气进行扫描探测；

步骤2、获取激光雷达米散射通道的回波散射信号；根据回波散射信号初步识别大气中是否存在烟雾气溶胶，如果回波信号中出现有较大的回波信号峰值，则可初步判断有激光雷达探测范围区间出现烟雾；

步骤3、根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比；如果雷达比小于20，则判断所探测对象为雾；如果雷达比介于20到50之间，则判断所探测对象为气溶胶或其它污染排放物；如果雷达比大于50，则判断所探测对象为烟；

步骤4、当识别出烟时，说明在烟出现的附近有火情；根据激光雷达位置、GPS及回波信号出现的距离可以确定出火情的具体位置；控制激光雷达在烟雾出现的区域进行较长时间扫描观测，获取烟燃烧的大小及轨迹；根据连续探测结果判别火势大小和蔓延的方位。

步骤2中获取激光雷达米散射通道的回波散射信号具体按照以下实施：

获取激光雷达在距离z处的米散射通道和拉曼散射通道的回波散射信号P₁(z)和P₂(z)：

其中，P₁(r)、P₂(r)分别为激光雷达米散射回波功率信号和氮气拉曼回波功率信号；r为探测距离；C₁、C₂为雷达系统的系统常数，β_A(r,λ₀)是高度为r处的气溶胶对应激光发射波长λ₀的后向散射系数，β_M(r,λ₀)为大气分子对应λ₀的后向散射系数；N_R(r)是氮气在高度r处的分子数密度，dσ_R(π)/dΩ为氮气拉曼散射截面，不同的振动拉曼波长对应不同的散射截面；

为气溶胶对应λ₀的消光系数，

为大气分子对应λ₀的消光系数；

为气溶胶对氮气产生拉曼散射后的波长λ_R的消光散射系数，

为大气分子对应λ_R的消光散射系数。

步骤3中根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比具体按照以下实施：

根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号，计算出探测区域大气气溶胶的后向散射系数β和消光系数ɑ，进而计算出雷达比S；计算公式如下：

本发明的有益效果是：本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，具有探测灵敏度高和探测范围较大的特点。本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，采用主动探测方法，根据回波信号探测和雷达比探测可以实现烟雾的高精度识别，进而可以实现野外火情的早期及高效预警和探测。激光雷达相比传统地面监测设备具有探测范围较大，监测范围可以达到方圆300km²，不需要布很多点就可以实现火灾险情的立体化监测功能；同时具有探测灵敏度高的特点，可以实现初期火灾的高精度识别与探测。

附图说明

图1是本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统的结构示意图；

图2是本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法的路线示意图；

图3是本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法的流程示意图。

其中，2-1.激光器，2-2.望远镜，2-3.分色镜，2-4.第一窄带滤光片，2-5.第一汇聚镜，2-6.第一光电探测器，2-7.第二窄带滤波器，2-8.第二汇聚镜，2-9.第二光电探测器，2-10.数据采集处理器，2-11.准直镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，如图1所示，包括发射系统、接收系统、光谱分析系统和数据采集处理器2-10；

发射系统包括激光器2-1；采用微脉冲激光器，选择波长为532nm，微脉冲、高重频(10KHz)，单脉冲能量<20μJ,对人眼安全系数高，不会对大范围野外探测造成风险。

接收系统包括望远镜2-2，望远镜2-2为大口径望远镜，望远镜2-2为对称型反射式望远镜，望远镜2-2接收激光与大气作用后的后向散射回波信号，如美国meade公司生产的400mm施密特-卡塞格林望远镜，望远镜2-2用于接收激光器2-1发射出激光经大气散射后的散射光，并将其汇聚后发出，望远镜2-2的光轴与激光器2-1发射出的激光光轴平行，望远镜2-2包括机械遮光套筒,机械遮光套筒的一端配设有主镜，机械遮光套筒的另一端配设有次镜，次镜的外面有施密特矫正镜；

光谱分析系统包括依次在望远镜2-2发出光束的光路设置的准直镜2-11、分离回波中的米散射信号532nm和振动拉曼散射信号607nm的分色镜2-3；分色镜2-3由包含两个通道，即米散射通道和振动拉曼散射通道；信号处理系统将两个通道的信号进行处理，得到后向回波信号和雷达比，准直镜2-11为口径25.4mm，焦距为50mm的球面镜。分色镜2-3的透射光路上依次设置有第一窄带滤波器2-4、第一汇聚镜2-5；第一汇聚镜2-5将光汇聚到第一探测器2-6上；分色镜2-3的反射光路上依次设置有第二窄带滤波器2-7、第二汇聚镜2-8；第二汇聚镜2-8将光汇聚到第二探测器2-9上；

第一光电探测器2-6、第二光电探测器2-9均与数据采集处理器2-10信号连接。第一探测器2-6和第二光电探测器2-9选用滨松公司的PMT探测，型号为R6358-10。数据采集处理器21为NI公司的数据采集卡。

发射系统、接收系统及光谱分析系统集成在一个可以360°旋转的转台上，以实现对周围环境空间的扫描探测。根据扫描探测得到的回波信号信息及雷达比信息可以实现大气中烟雾的精确识别进而判别野外火情的位置和火势大小。

本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光雷达放置于空旷且周围无阻挡的高地上，三维转台可以带动激光雷达对周围环境进行扫描探测，可以实现对周围360°空间的扫描；使激光雷达发射出激光对周围大气进行扫描探测；

步骤2、获取激光雷达米散射通道的回波散射信号；根据回波散射信号初步识别大气中是否存在烟雾气溶胶，如果回波信号中出现有较大的回波信号峰值，则可初步判断有激光雷达探测范围区间出现烟雾；

步骤2中获取激光雷达米散射通道的回波散射信号具体按照以下实施：

获取激光雷达米散射通道和拉曼散射通道的回波散射信号P₁和P₂：

其中，P₁(r)、P₂(r)分别为激光雷达米散射回波功率信号和氮气拉曼回波功率信号；r为探测距离；C₁、C₂为雷达系统的系统常数，β_A(r,λ₀)是高度为r处的气溶胶对应激光发射波长λ₀的后向散射系数，β_M(r,λ₀)为大气分子对应λ₀的后向散射系数；N_R(r)是氮气在高度r处的分子数密度，dσ_R(π)/dΩ为氮气拉曼散射截面，不同的振动拉曼波长对应不同的散射截面；

为气溶胶对应λ₀的消光系数，

为大气分子对应λ₀的消光系数；

为气溶胶对氮气产生拉曼散射后的波长λ_R的消光散射系数，

为大气分子对应λ_R的消光散射系数。

步骤3、根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比；如果雷达比小于20，则判断所探测对象为雾；如果雷达比介于20到50之间，则判断所探测对象为气溶胶或其它污染排放物；如果雷达比大于50，则判断所探测对象为烟；

步骤3中根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比具体按照以下实施：

根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出探测区域大气气溶胶的后向散射系数β和消光系数ɑ，进而计算出雷达比S；计算公式如下：

步骤4、当识别出烟时，说明在烟出现的附近有火情；根据激光雷达位置、GPS及回波信号出现的距离可以确定出火情的具体位置；控制激光雷达在烟雾出现的区域进行较长时间扫描观测，获取烟燃烧的大小及轨迹；根据连续探测结果判别火势大小和蔓延的方位。

本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，具有探测灵敏度高和探测范围较大的特点。本发明一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，采用主动探测方法，根据回波信号探测和雷达比探测可以实现烟雾的高精度识别，进而可以实现野外火情的早期及高效预警和探测。激光雷达相比传统地面监测设备具有探测范围较大，监测范围可以达到方圆300km²，不需要布很多点就可以实现火灾险情的立体化监测功能；同时具有探测灵敏度高的特点，可以实现初期火灾的高精度识别与探测。

Claims (6)

1.一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，其特征在于，包括发射系统、接收系统、光谱分析系统和数据采集处理器(2-10)；

所述发射系统包括激光器(2-1)；

所述接收系统包括望远镜(2-2)，所述望远镜(2-2)用于接收激光器(2-1)发射出激光经大气散射后的散射光，并将其汇聚后发出，所述望远镜(2-2)的光轴与激光器(2-1)发射出的激光光轴平行，所述望远镜(2-2)包括机械遮光套筒,所述机械遮光套筒的一端配设有主镜，所述机械遮光套筒的另一端配设有次镜，所述次镜的外面有施密特矫正镜；

所述光谱分析系统包括依次在望远镜(2-2)发出光束的光路设置的准直镜(2-11)、分色镜(2-3)；所述分色镜(2-3)的透射光路上依次设置有第一窄带滤波器(2-4)、第一汇聚镜(2-5)；所述第一汇聚镜(2-5)将光汇聚到第一探测器(2-6)上；所述分色镜(2-3)的反射光路上依次设置有第二窄带滤波器(2-7)、第二汇聚镜(2-8)；所述第二汇聚镜(2-8)将光汇聚到第二探测器(2-9)上；

所述第一光电探测器(2-6)、第二光电探测器(2-9)均与数据采集处理器(2-10)信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，其特征在于，所述准直镜(2-11)为口径25.4mm，焦距为50mm的球面镜。

3.根据权利要求1所述的一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测系统，其特征在于，所述望远镜(2-2)为对称型反射式望远镜。

4.一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将激光雷达放置于空旷且周围无阻挡的高地上，使激光雷达发射出激光对周围大气进行扫描探测；

步骤2、获取激光雷达米散射通道的回波散射信号；根据回波散射信号初步识别大气中是否存在烟雾气溶胶，如果回波信号中出现有较大的回波信号峰值，则可初步判断有激光雷达探测范围区间出现烟雾；

步骤3、根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比；如果雷达比小于20，则判断所探测对象为雾；如果雷达比介于20到50之间，则判断所探测对象为气溶胶或其它污染排放物；如果雷达比大于50，则判断所探测对象为烟；

步骤4、当识别出烟时，说明在烟出现的附近有火情；根据激光雷达位置、GPS及回波信号出现的距离可以确定出火情的具体位置；控制激光雷达在烟雾出现的区域进行较长时间扫描观测，获取烟燃烧的大小及轨迹；根据连续探测结果判别火势大小和蔓延的方位。

5.根据权利要求4所述的一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，其特征在于，所述步骤2中获取激光雷达米散射通道的回波散射信号具体按照以下实施：

获取激光雷达米散射通道和拉曼散射通道的回波散射信号P₁和P₂：

其中，P₁(r)、P₂(r)分别为激光雷达米散射回波功率信号和氮气拉曼回波功率信号；r为探测距离；C₁、C₂为雷达系统的系统常数，β_A(r,λ₀)是高度为r处的气溶胶对应激光发射波长λ₀的后向散射系数，β_M(r,λ₀)为大气分子对应λ₀的后向散射系数；N_R(r)是氮气在高度r处的分子数密度，dσ_R(π)/dΩ为氮气拉曼散射截面，不同的振动拉曼波长对应不同的散射截面；

为气溶胶对应λ₀的消光系数，

为大气分子对应λ₀的消光系数；

为气溶胶对氮气产生拉曼散射后的波长λ_R的消光散射系数，

为大气分子对应λ_R的消光散射系数。

6.根据权利要求4所述的一种探测野外森林及草原火灾的遥感探测方法，其特征在于，所述步骤3中根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出烟雾区域的雷达比具体按照以下实施：

根据激光雷达的米散射信号及拉曼散射信号计算出探测区域大气气溶胶的后向散射系数β和消光系数ɑ，进而计算出雷达比S；计算公式如下：

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