Способ обнаружения локальных очагов горения Российский патент 2025 года по МПК G08B17/10 G01S17/88 

Изобретение относится к области пожарной безопасности и может быть использовано для дистанционного обнаружения пожара на ранних стадиях горения горючих материалов.

Известен способ обнаружения очагов природных пожаров и устройство для его реализации, основанный на контактных измерениях текущих значений концентраций в воздухе конденсированных и газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов (Лобода Е.Л. и др. Комплексная система мониторинга природных пожаров, патент RU 2747667 C1, 2021). Изобретение относится к системам наземного мониторинга природных территорий с целью обнаружения очагов природных пожаров. Недостатком способа является отсутствие возможности дистанционного обнаружения источника возгорания.

Известна система мониторинга леса и раннего обнаружения лесных пожаров «Лесной дозор» (подробнее на сайте http://www.lesdozor.ru), которая состоит из распределенной системы видеокамер и их позиционирования, каналов связи, сервера, программного обеспечения, позволяющего производить обнаружение очага пожара с рабочего места оператора. Одним из недостатков этой системы является то, что анализ пожарной обстановки производится на основе данных в видимом диапазоне спектра, что эффективно только для мониторинга территорий, прилегающих к населенным пунктам, дорогам и промышленным предприятиям.

Известен способ оптимизации системы видеомониторинга леса при помощи оптической пассивной локации с целью раннего обнаружения лесных пожаров для их дальнейшей локализации и тушения (Шишалов И.С. и др. Способ определения оптимальной конфигурации системы мониторинга леса, патент RU 2561925 C2, 2015). Изобретение основано на видеонаблюдении. Недостатком способа является низкая оперативность в принятии решения и необходимость использования большого числа пунктов для наблюдения.

Известен способ дистанционного мониторинга чрезвычайных ситуаций (Резников В.М. и др. «Способ мониторинга пожарной обстановки», патент RU 2395319 C2, 2010). Изобретение основано на видео и тепловой аппаратуре, расположенной на гироплатформе, помещенной на привязной аэростат. Недостатком способа является необходимость использования аэростата и ограниченная продолжительность непрерывного полета.

Известен способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации, основанный на контактных измерениях текущих значений концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов (Рогалев В.А. и др. Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации, патент RU 2623988 C1, 2017). Устройство состоит из двух блоков, один из которых регистрирует концентрации газов и передает на второй блок, представляющий приемник, расположенный на диспетчерском пункте наблюдения. Недостатком способа является отсутствие возможности дистанционного обнаружения источника возгорания.

Известен способ обнаружения лесных пожаров из космоса по полученной информации о нагретых при температуре пожара атмосферных газах в ИК-диапазоне спектра (Зуев В.В. Способ дистанционного обнаружения лесных пожаров, патент RU 2423160 C1, 2011). Для обнаружения пожаров предлагается использовать ИК излучение в окнах прозрачности атмосферы. Недостатками способа является отсутствие возможности дистанционного обнаружения при наличии плотной облачности, низкое разрешение, низкая частота обновления данных, сложности достоверной идентификации. Как следствие, спутниковые данные требуют проверки путем воздушного патрулирования районов с вероятными очагами пожаров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обнаружения лесных пожаров, в частности, малых очагов возгорания, основанный на использовании двух тепловизионно-телевизионных модулей кругового сканирования местности, расположенных на мачтах сотовой связи (Евтушенко В.П. и др. Комплексная система раннего обнаружения лесных пожаров, построенная на принципе разносенсорного панорамного обзора местности с функцией высокоточного определения очага возгорания, патент RU 113046 U1, 2012). В способе применяется метод триангуляции для определения места расположения очага горения. Недостатком способа является необходимость использования мачт сотовой связи и минимум двух пунктов для наблюдения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является дистанционное оперативное обнаружение и определение местонахождения источника горения.

Технический результат способа достигается с помощью специализированного турбулентного лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния, и осуществляющего азимутальное сканирование. Зондирование атмосферы лидар выполняет следующим образом. Лидарная трасса горизонтальная. Поворотное устройство лидара осуществляет круговое либо секторное сканирование. Передатчик лидара непрерывно посылает в атмосферу лазерные импульсы. Двухканальная приемная система работает в режиме счета фотонов. Режим счета фотонов предполагает отправку в атмосферу серии лазерных импульсов и накопление приходящих эхосигналов. Фотоприемники регистрируют эхосигнал P_a(x,α) аэрозольного приемного канала и эхосигнал P_a,т(x,α) турбулентного приемного канала, состоящий из суммы аэрозольной P_a(x,α) и турбулентной Р_т(x,α) компонент, т.е. P_a,т(x,α)=P_a(x,α)+Р_т(x,α), где x - дистанция от лидара; α - азимутальный угол. Сигналы с фотоприемников передаются в блок регистрации, где осуществляется накопление эхосигналов P_a(x,α) и P_a,т(x,α). Накопленные эхосигналы из блока регистрации передаются в блок обработки информации. Результатом работы является информация о наличии и местоположении источника горения.

Особенность способа заключается в том, что впервые для дистанционного обнаружения источника горения используется лазерная система, работающая на эффекте усиления обратного рассеяния. Эффект усиления обратного рассеяния возникает при двойном (прямом и обратном) распространении оптического излучения в турбулентной атмосфере (Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Закономерность увеличения обратного рассеяния волн». Свидетельство на открытие № 359. Приоритет открытия: 25 августа 1972 г. в части теоретического обоснования и 12 августа 1976 г. в части экспериментального доказательства закономерности. Государственный реестр открытий СССР // Бюлл. изобретений. 1989. № 21). Аналоги работают на других принципах и эффект усиления обратного рассеяния не используют. В отличие от аналогов, преимущества способа заключаются в способности оперативно и с высоким пространственным разрешением регистрировать интенсивность атмосферной турбулентности и обнаруживать источники горения на начальной стадии.

В способе применяется турбулентный лидар [RU 165087 U1, 2014; RU 177661 U1, 2017], который осуществляет непрерывное азимутальное сканирование.

Контроль аэрозольной обстановки и интенсивности турбулентности в атмосфере осуществляется приемо-передатчиком лидара, блоком регистрации эхосигналов и блоком обработки информации. Трасса зондирования лидара горизонтальная. Лидар с пространственным разрешением 15 м производит азимутальное либо секторное зондирование атмосферы. Скорость сканирования 6°/мин. Принимаемые приемо-передатчиком лидара эхосигналы с фотодетекторов в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации, где они накапливаются вдоль всей трассы зондирования. Накопленная информация о пространственном распределении эхосигналов аэрозольного P_a(x,α) и турбулентного P_a,т(x,α) приемных каналов, из блока регистрации передается в блок обработки информации. Время накопления эхосигналов в каждом цикле измерений равно 10 сек (6 пар эхосигналов в минуту), соответственно, угловое разрешение лидара при скорости сканирования 6°/мин составит 1°. В блоке обработки вычисляется профиль турбулентной компоненты эхосигнала Р_т(x,α)=P_a,т(x,α)-P_a(x,α). Затем анализируются эхосигналы аэрозольной P_a(x,α) и турбулентной Р_т(x,α) компонент. Одновременное появление пика max[P_a(x,α)] в эхосигнале P_a(x,α) на дистанции x и пика max[Р_т(x+Δx,α)] в эхосигнале Р_т(x,α) на дистанции x+Δx, который имеет смещение Δx по дальности относительно пика max[P_a(x,α)], указывает на наличие источника горения на дистанции x в азимутальном направлении α. Величина смещения Δx составляет 100-200 м.

Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена схема зондирования лидаром 1 очага горения 3. Трасса зондирования 2 горизонтальная и проходит непосредственно над очагом горения 3, пересекая конвективный поток 4 - струю теплого воздуха (дымовой шлейф) от источника горения 3. На фиг. 1 качественно показан график лидарных эхосигналов P_a (аэрозольный канал) и P_a,т (турбулентный канал), которые по мере удаления от лидара понижаются обратно пропорционально квадрату расстояния x. Когда в атмосфере на некотором удалении от лидара увеличивается содержание аэрозольных частиц, тогда эхосигналы P_a и P_a,т на этой дистанции также увеличиваются пропорционально концентрации аэрозольных частиц. На фиг. 1 показано, что внутри конвективного потока (дымового шлейфа) от очага горения возникают два одинаковых пика 5 на эхосигналах P_a и P_a,т, т.к. в конвективном потоке присутствуют продукты горения в виде газообразных, жидких или твердых веществ. За конвективным потоком эхосигнал аэрозольного приемного канала P_a резко понижается. Эхосигнал турбулентного приемного канала P_a,т также резко понижается, но вскоре за шлейфом возникает пик 6, т.к. эхосигнал P_a,т начинает расти и на некотором удалении достигает максимума и после понижается до уровня эхосигнала P_a.

Причиной появления второго пика 6 в эхосигнале P_a,т является турбулентный эффект усиления обратного рассеяния. Случайное распределение температуры внутри потока (дымового шлейфа) вызывает случайные флуктуации показателя преломления воздуха, которые в свою очередь влияют на когерентную структуру зондирующего лазерного пучка. Фактически, конвективный поток над очагом горения выполняет функцию фазового экрана (Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 2. М.: Мир, 1981. 318 с.) В результате за конвективным потоком лазерный пучок искажается и в пучке возникают каустики и формируется спекл - случайная интерференционная картина. При обратном рассеянии вследствие эффекта усиления обратного рассеяния происходит перераспределение рассеянной мощности в пространстве. В результате усредненный эхосигнал на оси лазерного пучка возрастает и возникает второй пик 6 на эхосигнале P_a,т. Появление первого пика 5 в эхосигналах P_a и P_a,т внутри конвективного потока (дымового шлейфа) вызвано продуктами горения. Появление второго пика 6 в эхосигнале P_a,т за конвективным потоком (дымовым шлейфом) вызвано влиянием турбулентности вследствие флуктуаций температуры внутри конвективного потока.

На фиг. 2 приведена турбулентная компонента эхосигнала Р_т, регистрируемая в турбулентном приемном канале. Компонента эхосигнала Р_т представляет собой разницу между эхосигналом турбулентного приемного канала P_a,т и эхосигналом аэрозольного приемного канала P_a и вычисляется согласно алгоритму: Р_т= P_a,т0 - P_a. Турбулентная компонента эхосигнала Р_т содержит единственный пик 6, возникающий в результате эффекта усиления обратного рассеяния.

На фиг. 3-7 приведен пример зондирования модельного очага горения турбулентным лидаром УОР-5 (Разенков И.А. и др. Ультрафиолетовый турбулентный лидар УОР-5. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 04. С. 289-297). Эксперимент проводился 14 сентября 2023 г., источник располагался на удалении 1600 м от лидара и представлял очаг горения площадью 9 м². В качестве горючего материала использовано сено, запас топлива - 1,4 кг/м².

На фиг. 3а-4а представлены пространственные профили эхосигналов P_a,т и P_a (слева) и на фиг. 3б-4б турбулентная компонента эхосигнала Р_т (справа) для двух моментов времени. Эхосигналы на фиг. 3 были получены перед началом горения в 21:13:20 местного времени. Монотонное понижение эхосигналов на фиг. 3, а свидетельствует об однородности атмосферы. Небольшое плавное повышение эхосигнала турбулентного приемного канала P_a,т относительно эхосигнала аэрозольного приемного канала P_a указывает на низкий уровень интенсивности турбулентности в атмосфере. Турбулентная компонента эхосигнала Р_т на фиг. 3, б составляла 10^-3 фотон/выстрел.

Эхосигналы на фиг. 4 получены в 21:13:40 через 20 сек после начала горения. На фиг. 4, а показано, что на дистанции 1,6 км в обоих приемных каналах (эхосигналы P_a,т и P_a) было зарегистрировано резкое повышение концентрации аэрозоля внутри дымового шлейфа, на что указывает первый узкий пик на уровне 10^-1 фотон/выстрел. Через 100 м на дистанции 1,7 км на эхосигнале P_a,т наблюдается появление второго пика на уровне 10^-2 фотон/выстрел. Турбулентная компонента эхосигнала Р_т на фиг. 4, б содержит только этот единственный пик.

На фиг. 5 показано пространственно-временное распределение эхосигнала аэрозольного приемного канала P_a(x,α,t), где x - дистанция от лидара; азимутальный угол α в этом эксперименте был фиксирован; t - время. В тепловой струе от источника горения на дистанции, начиная с 1,6 км, эхосигнал P_a(x,α,t) пропорционален концентрации аэрозольных частиц. Из рисунка на фиг. 5 следует, что очаг горения появился после 21:13. С течением времени дымовой шлейф расширялся и смещался в направлении от лидара. Процесс горения продолжался в течение 12 мин.

На фиг. 6 представлено пространственно-временное распределение эхосигнала турбулентного приемного канала P_a,т(x,α,t). Здесь наблюдается дымовой шлейф, подобный дымовому шлейфу эхосигнала P_a(x,α,t) на фиг. 5. Кроме этого на фиг. 6 непосредственно за очагом горения в течение первой минуты после начала горения наблюдается второй максимум в форме темного пятна.

На фиг. 7 представлено пространственно-временное распределение эхосигнала турбулентной компоненты Р_т(x,α,t), полученной вычитанием эхосигнала P_a(x,α,t) аэрозольного приемного канала, представленного на фиг. 5, из эхосигнала P_a,т(x,α,t) турбулентного приемного канала, представленного на фиг. 6. В данном эксперименте турбулентная компонента Р_т(x,α,t) наблюдалась только в течение 1 мин, поскольку по мере горения плотность дыма становилась большой и все эхосигналы в дымовом шлейфе быстро затухали.

Результаты натурного эксперимента, представленные на фиг. 3-7, наглядно демонстрируют способность турбулентного лидара дистанционно регистрировать местоположение очага горения по возрастанию интенсивности турбулентности в конвективном потоке. С учетом специфики эффекта усиления обратного рассеяния рост эхосигнала P_a,т происходит сразу за конвективным потоком от очага горения. Наличие одного пика в эхосигнале P_a и двух пиков в эхосигнале P_a,т однозначно свидетельствует о присутствии в атмосфере продуктов горения (первый пик 5 на фиг. 1) и повышении температуры внутри дымового шлейфа (второй пик 6 на фиг. 1).

Предлагаемое изобретение позволит оперативно с помощью турбулентного лидара определять присутствие и местоположение очагов горения на начальной стадии.

Изобретение относится к области пожарной безопасности и может быть использовано для дистанционного обнаружения пожара на ранних стадиях дымного и бездымного горения горючих материалов. Технический результат заключается в оперативном дистанционном обнаружении и определении местонахождения очага дымного и бездымного горения. Способ обнаружения локальных источников горения включает зондирование атмосферы турбулентным лидаром методом секторного или кругового азимутального сканирования под небольшим углом наклона трассы. При этом производится регистрация профилей эхосигналов основного приемного канала, содержащего эхосигнал от молекул и аэрозольных частиц и добавку, которая возникает за счет атмосферной турбулентности, и эхосигнал дополнительного приемного канала, содержащий эхосигнал от молекул и аэрозольных частиц. Из полученных эхосигналов определяется профиль турбулентной добавки эхосигнала основного приемного канала, профиль фактора влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике и профиль структурной характеристики коэффициента преломления воздуха, на основании которых судят о наличии на соответствующем расстоянии и в соответствующем азимутальном направлении источника горения. 7 ил.

Способ обнаружения локальных источников горения, включающий круговое или секторное азимутальное сканирование турбулентным лидаром, работающим на эффекте усиления обратного рассеяния, при котором приемопередатчиком посылают в атмосферу короткие световые импульсы и принимают эхосигналы, фотоприемниками регистрируют эхосигнал P_а(x,α) аэрозольного приемного канала и эхосигнал P_а,т(x,α) турбулентного приемного канала, состоящий из суммы аэрозольной P_а(x,α) и турбулентной P_т(x,α) компонент, т.е. P_а,т(x,α)=P_а(x,α)+P_т(x,α), где x - дистанция от лидара, α - азимутальный угол, затем анализируют эхосигналы аэрозольной P_а(x,α) и турбулентной P_т(x,α) компонент, в случае одновременного появления пика max[P_а(x,α)] в эхосигнале P_а(x,α) на дистанции x и пика max[P_т(x+Δx,α)] в эхосигнале P_т(x,α) на дистанции x+Δx, который имеет смещение Δx по дальности относительно пика max[P_а(x,α)], указывают на наличие источника горения на дистанции x в азимутальном направлении α.