基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术.pdf
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1、消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期消防理论研究基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术李紫婷1,2,3,储玉喜1,2,3,陈晔1,2,3(1.应急管理部天津消防研究所,天津 300381;2.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室,天津 300381;3.天津市消防安全技术重点实验室,天津 300381)摘要:针对大火浓烟环境下能见度极低而造成消防员搜救、施救困难的现状,提出了基于激光距离选通成像的火场透火透烟侦察技术,开展了木垛火、正庚烷火透火实体试验和密闭空间透烟试验,可实现纵深 1.5 m 火焰的穿透、浓烟环境下能见度提升 3 倍,解决了目前由于表/界面反射、背
2、向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题。基于试验结果,探讨了距离选通成像在消防可视化侦察及搜救中的应用前景,进一步明确了该研究领域未来的发展方向。基于激光距离选通成像技术研发的火场侦察搜救装备,可为消防救援人员开展建筑受限空间火灾的内攻救援及撤离提供“透视眼”,有望切实提高大火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及人员搜救能力。关键词:透火成像;透烟成像;消防侦察;激光中图分类号:X932;TP242 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2023)09-1201-04消防救援人员在进行建筑火灾扑救处置时,常需要开展内攻灭火和救援,但由于火灾热烟气在建筑物内的蔓延与积聚,建筑内烟气的浓度往往
3、较高、环境能见度较差,且着火空间内的高亮火焰会造成“视盲”效果1,使得消防救援人员在开展建筑内被困人员搜救、危险物品与环境探察等工作时存在较大困难。目前,消防救援队伍在开展建筑火灾内攻灭火和救援工作时使用的侦察装备主要是强光手电和便携式红外热像仪。然而,强光手电对烟雾的穿透能力有限,在高浓度烟雾环境下的应用效果欠佳。红外热像仪对低温烟雾有一定的穿透效果,在确定着火位置、判断火势蔓延方向、温度检测等火场侦察中起到了重要的辅助作用,但火焰和高温烟气可导致红外探测器“失明”,无法看清火焰周围及背后的物体,如图 1 所示。因此,消防救援队伍目前亟须可以高效穿透烟雾和火焰的火场侦察搜救装备,以提高其对建
4、筑火灾,特别是高层、地下空间火灾的初战控火、快速内攻和人员搜救能力。随着激光技术、电子技术以及光电探测技术的发展,激光成像技术不断发展2-5,近年来受到国内外的广泛关注。然而,与消防救援相关的透火穿烟成像技术却鲜有报道。从技术方面,距离选通成像技术、红外数字全息技基金项目:应急管理部天津消防研究所基本科研业务费资助项目(2022SJ26,2022SJ25)17 LI Z H,HE Y P,ZHANG H,et al.Combustion characteristics of nheptane and wood crib fires at different altitudesJ.Proceed
5、ings of the Combustion Institute,2009,32(2):2481-2488.18 梁参军.环境压强对固体可燃物火蔓延的影响研究D.合肥:中国科学技术大学,2014.19 DING C,YAN Z J,LI Y Y,et al.Effect of pressure and stacking method on combustion characteristics of paper stacksJ.Case Studies in Thermal Engineering,2022,38:102375.Study on the combustion characteri
6、stics of cable fire under different ambient pressure and inclination angleDing Chao,Li Yuyao,He Lingfeng,Jiao Yan(College of Environmental and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University,Anhui Hefei 230601,China)Abstract:In this paper,cable combustion experiments were conducted in a variable pressur
7、e experimental chamber.We measured the burning rate of the cable and the combustion characteristics parameters such as temperature and radiant heat above the cable during the fire spread by changing the ambient pressure and the cable placement angle in the chamber,and processed and analyzed the meas
8、ured data.The results show that the decrease in pressure affects the heat feedback of the flame.When the inclination is 90,the burning rates corresponding to different environmental pressures are 0.019 96,0.020 55,0.021 26 g/s and 0.023 60 g/s,and the two are positively correlated.When the ambient p
9、ressure is 101 kPa,the burning rates corresponding to different inclination angles are 0.009 41,0.017 28,0.020 29 g/s and 0.023 60 g/s,and the burning rate accelerates with increasing inclination angle.The relationship between the peak burning rate and the combustion enhancement factor reflects the
10、growth of fire spread.Key words:cable fire;pressure;inclination;combustion characteristics作者简介:丁 超(1988-),男,安徽亳州人,安徽建筑大学环境与能源工程学院副教授,博士,主要从事建筑火灾与防控技术等工作,安徽省合肥市蜀山区紫云路 292号,230601。收稿日期:2023-03-14(责任编辑:董 里)1201Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9术、立体红外视觉系统以及障碍物激光成像技术6-10都有望实现消防救援中的透火透
11、烟可视化侦察。其中,红外数字全息技术由于采用干涉测量的方法,使其只适合于在固定位置安装;立体红外视觉系统的准确性会随着探测距离的增加而降低,全分辨率的图像处理可能需要几秒钟,无法实现实时成像;障碍物激光成像技术需要对图像进行分析优化,特别是在消防应用中需自动处理视频序列,并对物体进行智能分类,因此计算量庞大,实用性相对较差。笔者主要介绍基于激光距离门成像的火场透火透烟侦察技术,开展了木垛火、正庚烷火透火实体试验和密闭空间透烟试验,解决了目前火场侦察装备由于表/界面反射、背向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题,提高救援人员大火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及人员搜救能力。1激光距离选通技术普
12、通建筑火场的发光光谱在可见光波段能量较强,甚至远远超过探测目标(如被困人员)的反光能量密度,极易造成可见光成像的曝光过度,无法分辨探测目标和背景火光,即使最灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率,很难穿透火场实现目标识别,激光距离选通成像技术作为一种激光主动成像技术,突破了被动成像受恶劣环境影响等缺点,能够实现夜间、浓雾等条件下的透火透烟成像,具有成像清晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。该技术是通过距离选通(等效为曝光时间选通)来降低背景火光的影响,从而提高成像对比度。典型激光距离选通透火成像系统如图 2所示,以脉冲光源和门控型光电探测器为核心,通过控制脉冲光源和门控型光电探测器的时序
13、同步,以及门控型光电探测器的开门时刻和选通宽度,使目标回波脉冲恰好在光电探测器开启的时刻到达光电探测器,从而排除绝大多数火焰背向散射和环境光干扰,实现时间/距离分辨的目标探测。为了优化激光距离选通技术在真实火场中的透火穿烟能力,应急管理部天津消防研究所针对木垛、正庚烷火焰开展了实体火透火成像试验。2激光距离选通透火透烟试验2.1试验条件距离选通成像试验装置如图 3所示,脉冲光源采用 18合一 860 nm 半导体激光光源,光源前放置准直器,用于调整不同目标距离处的光束直径,目标背向反射的激光信号 由 光 学 镜 头 收 集,经 中 心 波 长 为 863 nm、透 过 率 为90%、带通范围为
14、 10 nm 的滤波片滤光之后,进入像增强器,通过控制系统调节相机与目标距离、火焰纵深、曝光档位、相对延迟、激光器脉宽、重频、增益、burst等成像参数对成像效果进行优化。2.2透火成像试验木垛火透火试验采用 2 个 0.5 m0.5 m0.5 m 的立方体木垛竖直堆叠放置,点火形成较高火焰,火焰纵深0.7 m。激光脉冲光源输出波长为 860 nm,门控像增强相机采用高量子效率低噪声的 GaAs像增强器,光学门宽为500 ps,像增强器响应范围 500900 nm。如图 4(a)所示,激光脉冲光源和门控像增强相机距离火焰 12 m,火焰距离待观测目标预设在 3、19、38 m,此时延迟分别为
15、172、268、448 ns。调节准直系统在目标处形成直径约 1.5 m 光斑,burst设置为 100,增益设定为 2 000。通过调节门宽进行推扫,确认当目标强度处于最大值时,木垛所对应像素区域平均强度为 1。对于 38 m 和 19 m 处目标,当门控像增强相机使用门宽为 50 ns,激光脉冲光源脉宽 150 ns、重(a)可见光相机(b)红外热像仪图 1透火成像效果图Fig.1Penetrating fire imaging effect picture脉冲光源光电探测器选通门关闭选通门开启脉冲光源光电探测器相机距离火焰深度 目标距离激光火焰返回的激光脉冲观测目标观测目标激光反向散射图
16、 2激光距离选通透火成像系统Fig.2The system of laser range gate imaging through fire供电电源860 nm激光光源准直系统像增强器相机滤光片光学镜头控制系统显示屏幕图 3距离选通成像试验装置图Fig.3Diagram of laser range gate imaging experimental setup频 8 kHz时,得到最好穿透效果,如图 4(b)和图 4(c)所示,对于 3 m 处目标,当门控像增强相机门宽为 20 ns,激光脉冲光源脉宽 20 ns、重频 50 kHz时,得到最好穿透效果,如图 4(d)所示。通过试验可以得到,
17、像增强器配合 860 nm 光源透火效果更佳,在光源强度可以压制火焰辐射时,快门开关比高可以更好地抑制火焰的散射信号和直接辐射信号。通过对比图 4(b)中的穿透效果可以看出,光束能量越集中,火焰穿透效果越好,而且只要确保火焰所在空间不被相机选通,目标距离几乎不影响火焰抑制效果。庚烷火透火试验采用直径 1.5 m 的油盘盛入 15 L 正庚烷点火,火焰纵深约 1.5 m,火焰如图 5(a)所示,激光脉冲光源采用 860 nm 激光器光源,门控像增强相机采用高量子效率低噪声的 GaAs 像增强器,光学门宽为 500 ps,像增强器响应范围 500900 nm。相机距离火焰 12 m,火焰纵深约 1
18、.5 m,在目标处形成直径约 1 m 光斑,burst 设置为 10,增益设定为 2 000。将目标距离预设在 19 m 处进行推扫,确认当目标强度处于最大值时,庚烷所对应像素区域平均强度为 1,记录此时延迟为 268 ns。对于 19 m 处目标,门宽 20 ns,使用脉宽 20 ns、重复频率 50 kHz和脉宽150 ns、重复频率 8 kHz两组参数时,得到穿透效果分别如图 5(b)和图 5(c)所示。试验过程中,由于正庚烷火相较木垛火产烟量大,因此穿透效果相较木垛火较差。同理,油盘内庚烷量越多,同等条件下透火透烟成像效果越差,并且通过提升脉冲激光峰值功率,穿透效果提升有限,存在局部无
19、法穿透的现象,说明限制穿透效果来自烟,并非峰值功率低。2.3透烟试验透烟试验在室内密封环境中开展,烟饼放置位置避开光路,点燃烟饼等待烟气弥漫,烟从房间顶部逐渐弥漫分散到房间地面,直到烟弥漫近乎均匀,如图 6(a),此时人眼能见度约 0.9 m(以目标从隐约可见到刚好消失时的距离作为人眼能见度,参考视力为 5.0)。将观察目标放置于光源和门控像增强相机正前方,相机距离目标为 2.7 m,将 Gate 门宽设定为 20 ns,增益设定为 2 000。将准直器缩束到最小发散角度,激光脉冲重复频率设定为 8 kHz,burst 设置为 50。当激光脉宽设置为 150 ns,调整Gate延迟,Gate延
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