浅析机载无线图像传输系统在森林航空消防中的作用

2014-04-02孙丽峥

河南林业科技 2014年3期

孙丽峥

孙丽峥

（河南省森林航空消防站，郑州 450003）

分析了森林航空消防站所面临的森林航空消防形势和任务，提出了森林航空消防在综合通信体系建设方面的规划与实践。阐述了基于森林防火直升机的多用途机载无线图像传输系统的设计与实现，以及该系统与省应急卫星通信体系完成对接后，将会对森林航空消防信息体系的影响。

森林航空消防；机载；无线图传

河南省森林航空消防站开展航空护林6个航期以来，始终坚持“增加有效飞行、发挥航护效益”的原则，积极应对严峻的森林防火形势，充分发挥行业优势，共计飞行713 h，256架次。全面凸显“森林防扑火的尖兵优势”、“不可替代的空中优势”、“科技创新的技术优势”和“直接扑火的能力优势”等4大优势。特别是近几年来，在国务院和国家林业局的正确领导下，在有关省（区）政府的大力支持和配合下，航空护林事业不断向前发展，为保护森林资源和生态环境建设，保护国家和林区人民生命财产安全，维护林区社会稳定做出了重大贡献，得到了各级领导和社会各界的充分肯定。

在多年的森林火灾防御中，航空护林在森林防火中所起的作用越来越大，以其机动灵活性和“发现早、行动快、灭在小”的优势，已成为森林防火中不可替代的手段。在森林火情监测、突发森林火灾的处置、重大火灾的火场侦察和调度指挥以及偏远林区卫星热点的核实和火场调查中，都发挥了不可替代的作用。与此同时，作为森林航空消防中的通讯设备也越来越受到重视，被称为扑救火灾的“耳朵”，对于第一时间获取火场信息起着重要作用，常见的通讯方式包括有线电话、短波通讯、超短波通讯、微波接力通讯、卫星通讯、移动通讯[1-3]，但是对于广泛的林区，在需要进行现场勘查时，上述手段或多或少的存在信息量不足、传输距离有限等问题。

1 森林航空消防形势和任务

1.1 森林航空消防方兴未艾，前途广阔

森林航空消防事业是没有产品的生态公益事业。新中国成立以来，森林航空消防从基础设施建设、护林飞机的租用，到人才队伍建设、设备更新，完全是由中央和地方财政投资建设，森林航空消防事业有了历史性飞跃。

传统的灭火方式诸如：降低可燃物的温度（如洒水，化学药剂或湿土降低热量）、阻隔可燃物（如喷洒化学药剂，人工扑打，机翻生土带、开设防火带等）、窒息法（如采用机具扑打，用土覆盖等）都受到山高坡陡，人力无法接近等自然条件的限制和制约，而航空消防具有灵活、速度快、观察区域大、机动性强等特点，在交通不便、人烟稀少的偏远和原始林区等有着不可替代的作用。同时，还可使用飞机给火区运送扑打工具、生活用品，抢救伤员等，是一项高科技前沿性工作，是地面扑火力量的重要补充，具有广阔的发展前景和空间。

1.2 森林航空消防是防火工作的迫切需要

近年来，全球气候异常，高温、干旱、大风和暖冬等极端天气明显增多，全球森林火灾频发，专家预测未来10年全球气温仍将持续升高，必将引起更大范围旱灾和水资源短缺等问题，森林防火面临的形势更加严峻。我国各种工程造林面积年均在600万hm2以上，有林地面积迅速增加和生态公益林得到有效保护的同时，林内可燃物也越积越多，极大地增加了森林防火任务，再加上我国休假制度的改革，春节清明期间，祭祀、扫墓人员剧增，上坟烧纸、烧香、燃放烟花爆竹等现象屡禁不止，给森林防火带来巨大隐患。航空消防具有防护扑火、宣传等职能，对打早、打小、打了能发挥不可替代的作用。

1.3 森林航空必须适应新形势的变化，提高科技含量

当前，我国森林火灾的发生从季节性向全年性转变，森林防火也从单一的防范人为火灾向防范人为火灾和自然火灾并重转变，而现阶段我国森林火灾的科技综合防控能力不强，与日益严峻的森林火灾形势和承担的森林防火任务不相适应。航空消防是应新形势需求，发展起来的新兴产业，对科学灭火能起到主要作用。

1.4 地空配合，能提高综合灭火能力

河南省目前平均到每个县的专业森林消防队力量不足，缺乏系统的专业训练，森林防火基础设施依然薄弱，森林防火通信和信息指挥系统不健全，语音通信覆盖率低，防火道路和林火阻隔网密度低，预防扑救仍靠“死看死守”和“人海战术”，综合预防火灾和灭火措施应用不够。航空护林弥补了此项不足。

2 森林航空消防综合通信体系建设

近年来，河南省积极争取国家支持，加大重点火险区综合治理力度，改善森林防火基础设施薄弱的问题，通信网络、应急指挥平台等综合通信体系建设在森林航空消防中所起的作用越来越重要。

2.1 预警监测网

加强了森林防火监测站点建设和重点防范区域的林火远程监控系统建设，并充分利用卫星遥感、飞机巡护、高山瞭望、地面巡逻等手段，对林火进行全方位、全时段的监控，切实做到早发现、早处置。

2.2 无线通信网

超短波无线通信网具有成本低、覆盖面广、多方同步通话等特点，在森林防火特别是扑火指挥中有着不可替代的作用。

2.3 应急指挥平台

依托公共信息网，建设以地理信息系统为基础，集信息管理、远程办公、视频传输、指挥调度为一体的全省森林防火应急平台，切实提高工作效率。

2.4 便携式火场网络无线接入设备

研究利用公网有线通信网络（光纤网等），实时传输火场数据和图像的设备和方法。

2.5 机载综合通信系统

研究机载通信平台，开发能够对地面短波、超短波的语音、数据接收处理并中继转发到前指或县级防火指挥部的综合通信设备。

2.6 地面应急保障通信设备

引进、开发便携式宽带卫星通信设备及语音、数据和图像的接收发射接口配套设备，研制适合小型越野车、能与火场各通信子系统配合组成有效通信网络的集成化综合通信平台。

2.7 复杂地形下的通信保障技术

研究高山峡谷等复杂地形条件下的通信体制及其组网方案，研究适于这类地区的中继转接通信保障技术设备，以解决复杂地形下扑火通信的困难。

3 机载无线图像传输系统的设计与实现

3.1 系统组成

用于森林航空消防直升机的机载无线图像传输系统设计，下面主要阐述其组成、功能以及在森林航空消防中的应用，主要分为机载发射分系统与地面接收分系统两个部分，机载发射分系统可搭载于米-171。森林消防直升机，包括视频采集与控制子系统、供电子系统、无线通信子系统，地面接收分系统包括无线通信子系统、供电子系统、视频管理子系统。

3.2 系统原理

进行航空护林侦查巡护时，随机观察员开启机载发射分系统的云台和摄像机，通过云台控制器控制摄像机的方向、焦距，同时开启无线发射设备，向地面传送由摄像机实时拍摄的视频，并通过无线发射机搭载的双向语音通信系统完成与地面的双向语音通信；地面接收机在完成天线架设后，将天线射频接入接收机，接收机通过内置的显示器显示系统工作参数和接收到的视频，同时，可以通过开启硬盘录像机完成视频录制。接收机可以将接收到的视频通过标准AV接口输出至其他设备，还可以通过外接的耳麦完成与机上操作人员的实时语音通信，也可以将语音输入输出接入其他通信设备完成与远程指挥中心的实时语音通信。

3.3 分系统设计

3.3.1机载设备结构设计

机载设备主要分为两大部分：其一是固定于直升机机舱底面的集成控制箱，主要包括一个无线数字图像传输设备、两个天线、一个高速球型摄像机和可充电电池；其二是一台可供操作人员在机舱内手持操作的智能控制键盘。

3.3.2信号处理子系统设计

子系统包括机载发射设备和地面接收机，机载发射设备输出功率2~20 W可调，用于高速移动中实时非视距传输高质量图像，设备可实现视距传输距离40 km以上，移动速度280 km/h以下能可靠传输；地面接收终端采用工业便携箱式，通过无线的方式接收音视频信号；终端内置或外接滤波器，克服复杂环境中的电磁干扰，提供高质量的传输信号；采用快速数字解码方案，能够准确清晰的完成对远端音视频终端信号采集的解码，以最快的速度将前方的拍摄信号予以呈现。

3.3.3天线设计

天线子系统主要用于无线信号的发射与接收，其中天线的增益和方向性是天线选择中的重要指标。系统的天线设计包括机载天线和地面天线，其中机载天线用于机载视频信号发射和音频发射与接收，地面天线用于地面视频信号接收以及音频发射与接收。

由于机载天线允许的重量较轻、长度较短，机载天线选择基于鞭状天线的小型天线，系统中选用两根鞭状天线；地面天线允许使用较大的天线，但要考虑相对的便携性和部署难度，系统中地面天线使用立杆天线和八木天线相结合的方式，保证大范围接收的前提下，在指定的方向上得到最大的信号接收增益。

3.3.4供电与电源设计

机载发射分系统和地面接收机使用锂电池组进行供电，根据电池使用状态和发射机发射功率，可连续使用3~5 h，在电池耗尽后，可以关机更换电池组，也可利用市电进行冲电。

由于机载供电系统存在较大的局限性，主要体现在机载功率较小以及同其他重要机载设备共用，可能会对其他电器造成影响，因此在设计时，机载设备采用了独立电池组供电的方案。

对于地面接收设备，考虑到火情观测主要是野外作业，可能不存在稳定的市电供给，因此，也采用了独立电池组供电的方案。

3.3.5视频采集与监控设计

视频采集与监控设备主要由摄像头、摄像云台、控制键盘组成；附件设备包括耳麦，主要用于对地面的音频通信使用；可选设备包括手持式小型DV一台，主要用于机内视频采集。

视频采集与监控设备是机载设备的关键组成部分，要求能够灵活调节并具备多角度的观测能力，以及能够在机舱内对观测范围、远近按需调节。设计时将设备安装于机腹，便于对地面火场火情的观测，另外设备保留对外接口，可以在必要的情况下由其他视频采集设备输入图像或者音频成为有益补充。