气溶胶激光雷达在森林防火中的应用

张玲玲 邱建文 王文江

（1.焦作大学机电工程学院，河南 焦作 454003；2.河南工程学院，河南 郑州 451191 ；3.郑州第六大街电子科技有限公司，河南 郑州 450000）

气溶胶激光雷达具有较短的波形、很强的方向性、良好的单色性、较高的抗干扰能力、较小的体积等多个优势，因此，在实际工程技术应用中，检测空间图像的灵敏度更强、检测空间图像的分辨率更高、检测空间的抗干扰能力更强。从20世纪60年代初正式投入至今，激光雷达检测设备的功能技术有了飞速的发展，其得到了更广泛的应用，并且应用的范围主要是工业城市规划、水利工程、土地管理、环境质量监控、资源环境勘查、交通信息通信、防震防洪防灾等方面。激光雷达不仅能够实时地跟踪监测各种天气环境中的气溶胶、云层、大气能见度及对流密度、大气颗粒的组成、大气的冷湿度及温度变化、相对湿度的变化，还能对我国城市上空及其周围环境中大气污染物快速扩散的情况、沙尘暴的爆发等会产生的环境污染情况进行实时有效的跟踪监测[1]。激光雷达技术是一种使森林防火设备获得空气和水溶胶影像的便捷有效的手段，可以作为森林防火工程研究的科学基础和依据，具有很实用的价值。

1.激光雷达的构成、分类

激光是原子在受到激发时辐射的一种光，原子中的电子迅速吸收能量后，从低能级跃迁到一个高能量量级，再从一个高能量量级返回到一个低能量量级的时候，所有释放的能量以光子辐射的形式全部放出。

激光雷达探测系统是以大型激光束雷达为主要载体，用于探测一个物体并检测一个目标所在的位置、速度等性能特点的一种雷达系统。它是通过向目标位置发射一个反射性的图像探测信号(包括激光束)，然后将从被探测目标反射回来的图像信号与发射的原始图像信号进行比较，经过适当的图像处理后，就可以直接快速获得探测目标的各种相关图像信息，例如，这个目标的所在距离、方位、高度、速度、姿态、物体形状等各种图像参数，从而实现图像探测、追踪和图像辨认，发现目标。激光雷达探测系统由发射机、光脉冲接收器、转台及信息处理器等主要部件组成，激光器会把电脉冲转换成光学的电脉冲并对目标进行发射，光脉冲接收器会将接收的光电脉冲处理成新的电脉冲，并将其传送到显示器。

按照主要工作原理模式的不同，可以将激光雷达细分为连续脉冲式激光雷达和连续短波式激光雷达；按照激光雷达探测技术的不同，可以将其分为直接检测型的激光雷达、相干间接检测型的激光雷达；按照其应用领域的不同，可以将其分为测量型激光雷达、火控激光雷达(用于自动控制武器的目标瞄准和导弹发射)、跟踪识别型激光雷达(用于制导、侦察、预警目标的跟踪检测)，诱导型激光雷达(用于航空器和飞行器的飞行对接)、大气监测型激光雷达(用于探测大气中的风场、气溶胶、云层高度、臭氧和二氧化碳浓度等)。

2.激光雷达在森林防火中的应用

目前，激光雷达主要应用于高空飞行自动跟踪、成像和自动制导、三维高空视觉监控系统、测风、大气环境探测监控、主动导航遥感等方面，在气象方面，如大气气溶胶与各种天气变化之间的关系研究、高空探测大气物理的研究和大气环境污染监测等也有应用。本文进行探究的主要内容是激光雷达技术在森林防火工程中的应用。

2.1 气溶胶的探测

气溶胶泛指一种悬浮于大气环境中的各种固态或者液态的微小颗粒,其大小一般在0.01~10m之间。气溶胶来源广泛，且形成原因比较复杂，例如：油菜花粉等各种植物中的气体水溶胶粒径分别为5~100m；木材和各种烟草等经过高温燃烧处理后所分解产生的各种气体水溶胶,其粒径为0.01~1000m[2],不仅影响大气成分，而且破坏臭氧层，污染环境。PM2.5是一种细的颗粒物，它在大气环境中的空气动力学的当量直径≤2.5m,与较粗的大气环境颗粒物相比较, PM2.5的粒径较小，面积较大，活性较强，较易携带有毒、有害物质（例如各种重金属、微生物等），在大气环境中停留的时间较长，扩散的比较远，对人们的身心健康、环境质量影响较大。PM10是一种可吸入性的颗粒物，一般其粒径在10m以下。可吸入性的颗粒物在大气环境中停留的时间更长，对人类健康、环境质量的影响更大。当前，我国大气中含有的PM10极少，然而，其中含有的气溶胶对气候的影响非常大。我国采用激光雷达对气溶胶进行检测时，主要运用的是偏振式的激光雷达检测技术，应用这种检测技术的激光雷达统称偏振式微波探测发射激光雷达[3]。

2.2 气溶胶激光雷达监测森林火灾的工作原理

正常天气情况下，森林上空空气中的颗粒物浓度(气溶胶浓度)有一个正常的范围(作为标定)，森林在燃烧情况下，冒出大量的浓烟雾，会导致森林上空的颗粒物浓度突然升高。气溶胶激光雷达在森林上空进行持续性的监测，结合GIS地图数据，展示监测区域内每个位置每个时刻的气溶胶浓度变化，一旦森林某一位置发生火灾，激光雷达可以发现该区域颗粒物浓度(气溶胶浓度)突然增大的大致位置，从而反映出火灾隐患发生的大致范围。激光雷达的持续性监控数据通过网络上传至服务器，服务器会把预警数据的信息及时发送给有关工作人员，相关工作人员及时现场查证，将火灾控制在初期阶段，将损失降到最低。气溶胶激光雷达监测森林火灾的工作原理如图1所示。

图1 气溶胶激光雷达监测森林火灾的工作原理

2.3 气溶胶激光雷达在森林防火中的应用意义

激光雷达垂直扫描可以监测森林上空大气气溶胶的时空变化，为研究气候与森林生态变化等提供有效的数据支撑；激光雷达水平扫描可以实现24小时不间断自动扫描监测，实时监测森林上空气溶胶的浓度变化情况，并能实时定位火灾发生地点及大致范围，提升森林防火监测效率。激光雷达扫描范围在6~15km(与大气状况有关)，大大提高了监测面积，监测结果可以通过电脑端和手机端实时可查，一旦森林上空气溶胶浓度异常超标,意味着灾 情可能发生，相关视频图片、气溶胶浓度数据、距离及位置信息实时推送给相关人员，做到及时报警，将灾情控制在前期可控阶段。与传统视频摄像头监测相比，激光雷达和视频监控、人工现场核查一起组合，将极大地提高森林火灾监测效率。

3.存在的问题及发展趋势

激光雷达检测是较新的检测方法，广泛应用于我国大气环境监测领域，然而，其在理论研究、实践应用中出现一些弊端。例如：当大气层中光线的传递折射作用对激光雷达产生影响时，就会使激光光束产生剧烈的晃动和畸形变化，还会对检测工作的精度产生影响，因此，会使实时检测工作不能正常进行。在晴朗的天气情况下，激光能量减弱得会非常少，其目标的传播距离会更远，然而，在暴晒、大暴雨、浓烟、浓雾等恶劣天气里，其能量减弱得非常快，目标的传播范围也会受到特别大的影响。因为此种激光雷达光波极其纤细，检测目标难度极大，只能在非常小的距离内检测，锁定目标，所以恶劣天气会对检测的效率产生影响。随着我国经济快速发展，人们对大气环境的质量要求也在不断提高，大气环境的监测和有效的预防、治理也备受关注，对激光雷达的要求是要及时、准确、高效地完成跟踪监控工作。

激光雷达检测技术的未来发展趋势可从以下三个方面进行归纳：(1)激光雷达在我国发展的科学技术创新主要是其检测系统的软件和硬件组成方面。激光的光源、发射及接受器、信号的采集及处理等这些技术，对大气环境监控精度的提高提供了最为直接有效的方法。(2)参数检测功能由单一变为多个参数。至今，具有很多不同的单一检测功能的激光雷达技术得以实施，这是降低检测成本、增强探测质量、提升检测效果的一种有效方式。(3)单一型到多种平台相结合的形式发展，优势相互促进，提高了容错和纠误的能力。例如：将我国传统地基激光雷达和星载激光雷达的探测技术手段紧密结合，构建了相关的数据模型，从而拓宽了探测领域，并且也提高了探测的范围和精度[1]。

4.结语

激光雷达检测系统是一种新型的检测大气环境的手段，采用的技术是超声波成像技术，它的时空图像的分辨率非常高，检测对象的灵敏度非常高，检测性能好，具有非常强的抗干扰力，在大气环境监测中得到很广泛的应用。本文阐述了激光雷达检测系统的工作原理及在森林防火中的应用，并就我国激光雷达检测技术在大气环境污染监测方面所遇到的部分问题、未来的发展趋势进行了探索，为以后在这方面的科学研究奠定了基础和科学依据。