基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于中红外激光器的森林火灾远程早期探测预警系统，包括：中红外激光雷达、信号处理及无线发射模块、监控系统以及监控调度中心。有益之处在于：本发明的系统采用中红外激光器作为激光雷达光源，实现了安全、低损耗、远距离且高精度的探测，有效探测距离达到半径6km，实现了对100平方公里内的森林覆盖进行有效早期火灾预防，保证了森林火灾探测的远程控制、智能化、灵活性等，最大限度地提高了火灾预警；能够同时产生3个波长的中红外激光器则进一步提升了火灾探测的准确度和精度，可靠性高。
【专利说明】基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及森林火灾预警系统，具体涉及基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统。
【背景技术】
[0002]森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害，所以，对于森林火灾的预防工作是十分重要的。目前，主要发达国外森林防火技术有以下几种:德国采用FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，系统监测半径10公里，但是，系统准确率低，需要地面花费大量的人力、物力、财力进行核实。美国采用护林飞机和红外遥感火灾预警飞机巡逻及“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转进行探测，但是此方案耗资巨大。加拿大采用卫星巡回监测系统及配置多架先进的直升飞机轮流监测，同样费用相当可观。国外的技术有的虽然可靠，但需要借助高空卫星，且施工太复杂；有的技术方案基础实施投资太大，难以满足我国森林资源监测的实际需要。
[0003]国内主要采用的监测方法有以下几种:1.地面巡护，主要通过宣传群众，控制人为火源；野外及生活用火检查；偏远地区采用视频监控方式。2.瞭望台监测，通过瞭望台来观测林火的发生，报告火情，覆盖面积较大，不过受地形地势的限制及烟雾天气限制，且存在瞭望员主观意见及人身安全等方面问题。3.航空巡护，利用巡护飞机进行林火的探测，视野宽、机动性大、速度快可做到全面观察，不过受天气、时间、航线等影响严重。4.卫星遥感，利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火，该方案探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料，不受地形条件的影响，影像真切，但利用卫星遥感会占据大量资料，且难以在早期发现火灾隐患。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低成本、高准确率的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，以实现对大范围内森林火灾早期探测预警的作用。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
本发明的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，包括:作为探测器件的中红外激光雷达，能够360度旋转且俯仰角度能够调节，所述中红外激光雷达包括一中红外激光器；信号处理及无线发射模块，接受中红外激光雷达探测到的信号，并经过运算处理以判断是否有火灾，采用无线微波传输方式，传输频率选自L波段、S波段或Ku波段；包括一摄像机的监控系统，接受信号处理及无线发射模块的信息及拍摄指令进行拍摄，并将拍摄数据传送到信号处理及无线发射模块；监控调度中心，根据信号处理及无线发射模块发回的信号，安排车辆和人员调度。
[0006]优选地，前述中红外激光雷达安装于一基站铁塔上，探测范围为以中红外激光雷达所在位置为圆心的半径6km的区域。
[0007]进一步地，前述基站铁塔的顶部安装一避雷针，接地电阻不大于4欧姆以保护系统内所有设备。
[0008]进一步地，本发明的系统还包括:一通过无线接收信号的中继器，将接收到的信号放大后转发，以保证信号传输质量和传输距离；采用太阳能供电系统进行供电且保证能够给每个监控点的前段所有设备提供至少24小时的电力。
[0009]更进一步地，前述中红外激光器的技术指标如下:平均功率>3 Wi30 kHz ;重复频率I kHz-100 kHz ;脉冲宽度<20 nsi30 kHz ;光束质量M2 < 1.5 ;激光器的功率不稳定度(3% ;连续工作时间≥10小时；累积寿命≥5000小时。
[0010]前述中红外激光器能够发出三个波长的中红外激光，这些波长的中红外激光能够分别被火灾预燃阶段释放出的无机类和有机类分子气体及其他微小颗粒物强烈吸收，以实现对火灾烟雾中多种气体和颗粒进行探测；所述无机类分子气体包括:C0，CO2, NOx, HCI,HBv, H2S, HN3, HCN, P2O5, HF，SO2，有机类分子气体包括:光气、醛类气体、氰化氢。
[0011]具体地，前述三个波长为:3.8μπι、3.3μπι、3.I μ m。
[0012]前述中红外激光器的晶体在轴向的晶体结构通过人工加工后被改变，会产生周期性的变化，从而使基频激光可以转化为不同波长的中红外激光，以实现同时同轴输出多个波长。
[0013]前述中红外激光器内部安装有激光光斑探测器和自控装置，所述激光光斑探测器探测光斑表面形状，并利用自控装置精确调节系统耦合光斑，达到修正热形变的目的。
[0014]前述中红外激光器内部采用了强热透镜谐振腔设计技术，将所有包括的光学器件的热透镜效应以及由强光引起的微小形变作为变量引入到系统之中，并在此基础上找出激光器最佳的配置参数；所述中红外激光器内部采用了高功率二极管激光列阵的波长自适应技术，主动探测泵浦光在晶体内部的吸收，从而通过调节激光二极管阵列的工作温度而使整个半导体工作系统工作在最佳状态。
[0015]本发明中，实现三波长激光输出的中红外激光器是多波长探测系统的物理基础。在火灾发生的早期阶段，热源会释放出大量不可见的痕量气体和微小颗粒，包含了森林可燃物因受热分解或燃烧而生成的多种小分子气体及其他微小颗粒物，包括无机类(CO，CO2,NOx, HCI, HBv, H2S, HN3, HCN, P2O5, HF，SO2)和有机类(光气、醛类气体、氰化氢等)。这些气体及微小颗粒一般在火灾预燃阶段就会大量产生，而此时烟气尚未形成，使用传统探测方法还无法进行探测。所幸的是，这些气体及微小颗粒可以强烈吸收中红外激光辐射，而不同的气体种类对应不同的输出波长。所以，本发明优选选用3.8微米、3.3微米、3.1微米三个输出波长对不同气体进行分别检测。然后通过对三种气体测量结果的分析比对，精确监控森林火险发生的地点及规模。采用中红外激光器作为激光雷达光源，实现了安全、低损耗、远距离且高精度的探测，有效探测距离达到半径6km，实现了对100平方公里内的森林覆盖进行有效早期火灾预防。
[0016]综上，本发明的有益之处在于:本发明的系统采用中红外激光器作为激光雷达光源，实现了安全、低损耗、远距离且高精度的探测，有效探测距离达到半径6km，实现了对100平方公里内的森林覆盖进行有效早期火灾预防，保证了森林火灾探测的远程控制、智能化、灵活性等，最大限度地提高了火灾预警；能够同时产生3个波长的中红外激光器则进一步提升了火灾探测的准确度和精度，可靠性高。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统的示意图。
[0018]图中附图标记的含义:1、基站铁塔，2、太阳能供电系统，3、摄像机，4、避雷针，5、中红外激光雷达，6、信号处理及无线发射模块，7、中继器，8、监控调度中心。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0020]参见图1，本发明的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，包括:中红外激光雷达5、信号处理及无线发射模块6、包括一个摄像机3的监控系统、监控调度中心8。其中，中红外激光雷达5包括一个中红外激光器，是整个系统的核心探测器件，最好安装于一个高度适宜的基站铁塔I上，且中红外激光雷达5能够360度旋转且俯仰角度能够调节，以保证探测范围是以中红外激光雷达5所在位置为圆心的半径6km的区域，且该范围内探测无死角。信号处理及无线发射模块6则负责接受中红外激光雷达5探测到的信号，并经过运算处理以判断是否有火灾，若发现火灾，则发出火灾位置及拍摄指令到监控系统，摄像机3进行拍摄，拍摄的数据再传送到信号处理及无线发射模块6，优选采用红外敏感型彩色转黑白摄像机，镜头选用日夜两用型镜头。信号处理及无线发射模块6负责处理信号，并通过无线方式将火灾相关信息发出，优选采用无线微波传输方式，传输频率选自L波段、S波段或Ku波段，输出功率的大小可根据传输距离的远近及其他自然条件进行选择，火灾相关信息被无线传送至监控调度中心8，监控调度中心8将合理安排车辆(如消防车)和人员(如消防员)调度。
[0021]进一步地，本发明的系统还包括一中继器7，中继器7能够保证信号传输距离更远并且确保信号传输质量，特别是，在信号传输可能遇到障碍物阻挡的情况下，优选采用中继器7。同时，本发明中优选采用太阳能供电系统2进行供电，太阳能转化的电能为整个系统提供电力供给，太阳能电池板的具体配置面积及电池存储电量根据系统需求电力进行配置，但至少保证能够给每个监控点的前段所有设备提供24小时的电力，确保阴雨天也能够为系统工作提供可持续能源。当然，在方便使用市电的条件下，电力供给也可采用市电。
[0022]为了有效防止雷雨天气系统相关设备受到雷击损坏，在基站铁塔I的顶部安装一避雷针4，接地电阻不大于4欧姆。同时，基站铁塔I还能为太阳能供电系统2、信号处理及无线发射模块6、监控系统的摄像机3提供合适的安装位置。
[0023]作为一种具体选择，本发明的中红外激光器的技术指标如下:平均功率:>3 TO30kHz ;重复频率:1 kHz-100 kHz ;脉冲宽度:≤20 nsi30 kHz ;光束质量:M2≤1.5 ;激光器的功率不稳定度3% ;连续工作时间S 10小时；累积寿命S 5000小时。此处中红外激光器也可采用重复频率不在I kHz-100 kHz内的、脉冲宽度也可比20ns更宽的、光束质量M2 > 1.5的类似的激光器，但是，为了确保探测精度，激光器的输出功率的不稳定度必须(3%。
[0024]本发明中，是利用森林火灾爆发前释放出的烟气包含了森林可燃物因受热分解或燃烧而生成的多种小分子气体及其他微小颗粒物，包括无机类(CO，CO2, NOx, HCI, HBv, H2S,HN3, HCN, P2O5, HF，SO2)和有机类(光气、醛类气体、氰化氢等)。这些气体及微小颗粒一般在火灾预燃阶段就会大量产生，而此时烟气尚未形成，使用传统探测方法还无法进行探测。但是，这些气体及微小颗粒可以强烈吸收中红外激光辐射，所以，我们可以通过使用中红外激光对林地进行扫描照射，并实时探测其吸收状况，从而实现森林火灾的极早期预警。系统正是基于以上原理，建立了一套以中红外激光雷达5为基础的森林火灾早期探测预警系统:利用激光光束对森林火灾早期烟雾的探测，实时、远程地发现起火点的位置及火灾规模，从而及时、有效地扑灭火情，控制火灾。系统将充分利用中红外激光器精度高，传输距离远，对人眼安全的特性，实现半径6km以内森林火灾的有效探测，从而可以对100平方公里内的森林覆盖进行有效早期火灾预防。
[0025]为了进一步提升火灾探测的准确度和精度，中红外激光器能够发出三个波长的中红外激光，优选的三个波长为:3.8μπι、3.3μπι、3.Ιμπι (实际应用中也不限于这三个波长)，这三种波长可以分别对火灾烟雾中多种气体和颗粒进行探测。基于该激光器的系统用于半径6km内的主动扫描探测，通过实时探测不同波长激光输出的吸收状况以及反射情况，再通过进一步的数据处理及分析，可以精确得出以激光器所在位置为圆心、半径6km范围内林地内各种微量气体以及烟尘的分布情况，从而有效发现潜在的火灾隐患，一旦发现起火点，系统将实时计算出起火点的中心位置、烟雾规模等火灾参数并将数据发送给监控系统，监控系统则利用摄像机3将火灾发生地点图像传回监控调度中心8并记录火灾发生及救火的全部过程，监控调度中心8通过监控画面指挥调度救火，最大限度地减小火灾造成的损失，起到火灾预警的作用。
[0026]在本发明中，为了使激光输出更加稳定可靠，从而提高预警精度，对激光器进行了以下几点重要改进:
(I )、中红外激光器部分针对大功率激光晶体的谐振腔设计技术，将所有包括的光学器件的热透镜效应以及由强光引起的微小形变作为变量引入到系统之中，设计激光腔，达到稳定的激光输出；
(2 )、在中红外激光器内部采用了主动热形变管理技术，通过在激光器内部安装激光光斑探测器，探测光斑表面形状，并利用自控装置精确调节系统耦合光斑，达到修正热形变的目的，最终使激光输出更为稳定；
(3)、通过主动探测泵浦光在晶体内部的吸收，调节激光二极管阵列的工作温度，采用了高功率二极管激光列阵的波长自适应技术，使整个半导体工作系统工作在最佳状态；
(4)、中红外激光器系统采用一系列机械结构的设计，有效避免外界灰尘对晶体的污染，保证激光器的结构牢固，性能稳定；
(5)、中红外激光器系统内部设有一人工晶体，实现同时同轴输出多个波长，均镀有高损伤阈值的晶体膜，可增加晶体寿命，提高非线性晶体可靠性；
(6)、中红外激光器采用全风冷结构设计，系统简单，安装方便。
[0027]综上，本发明的整个系统成本相对国外技术方案更加简单，成本更低，布设简单，实时性强，精度及准确度高，无需调动卫星、飞机等资源，也无需过多人力投入，更加符合中国国内环境。
[0028]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，包括: 作为探测器件的中红外激光雷达，能够360度旋转且俯仰角度能够调节，所述中红外激光雷达包括一中红外激光器； 信号处理及无线发射模块，接受中红外激光雷达探测到的信号，并经过运算处理以判断是否有火灾，采用无线微波传输方式，传输频率选自L波段、S波段或Ku波段； 包括一摄像机的监控系统，接受信号处理及无线发射模块的信息及拍摄指令进行拍摄，并将拍摄数据传送到信号处理及无线发射模块； 监控调度中心，根据信号处理及无线发射模块发回的信号，安排车辆和人员调度。
2.根据权利要求1所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光雷达安装于一基站铁塔上，探测范围为以中红外激光雷达所在位置为圆心的半径6km的区域。
3.根据权利要求2所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述基站铁塔的顶部安装一避雷针，接地电阻不大于4欧姆以保护系统内所有设备。
4.根据权利要求1所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，还包括:一通过无线接收信号的中继器，将接收到的信号放大后转发，以保证信号传输质量和传输距离；采用太阳能供电系统进行供电且保证能够给每个监控点的前段所有设备提供至少24小时的电力。
5.根据权利要求1所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光器的技术指标如下:平均功率≥3 Wi30 kHz;重复频率I kHz-100 kHz ;脉冲宽度≤20 nsi30 kHz ;光束质量M2 ≤ 1.5 ;激光器的功率不稳定度≤3% ;连续工作时间≥10小时；累积寿命≥5000小时。
6.根据权利要求1所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光器能够发出三个波长的中红外激光，这些波长的中红外激光能够分别被火灾预燃阶段释放出的无机类和有机类分子气体及其他微小颗粒物强烈吸收，以实现对火灾烟雾中多种气体和颗粒进行探测；所述无机类分子气体包括:CO，CO2, NOx, HCI，HBv, H2S,HN3, HCN, P2O5, HF，SO2，有机类分子气体包括:光气、醛类气体、氰化氢。
7.根据权利要求6所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述三个波长为:3.8 μ m、3.3 μ m、3.1 μ m。
8.根据权利要求6所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光器的晶体在轴向的晶体结构通过人工加工后被改变，会产生周期性的变化，从而使基频激光可以转化为不同波长的中红外激光，以实现同时同轴输出多个波长。
9.根据权利要求6所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光器内部安装有激光光斑探测器和自控装置，所述激光光斑探测器探测光斑表面形状，并利用自控装置精确调节系统耦合光斑，达到修正热形变的目的。
10.根据权利要求6所述的基于中红外激光器的森林火灾早期预警系统，其特征在于，所述中红外激光器内部采用了强热透镜谐振腔设计技术，将所有包括的光学器件的热透镜效应以及由强光引起的微小形变作为变量引入到系统之中，并在此基础上找出激光器最佳的配置参数；所述中红外激光器内部采用了高功率二极管激光列阵的波长自适应技术，主动探测泵浦光在晶体内部的吸收，从而通过调节激光二极管阵列的工作温度而使整个半导体工作系统工作在最佳状态。
【文档编号】G08B17/12GK103956022SQ201410140959
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】孔剑 申请人:苏州镭创光电技术有限公司