技术研究|应急部天津消防研究所《基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术》论文分享

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。

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。

（a）可见光相机       （b）红外热像仪

图1 透火成像效果图

Fig.1 Penetrating fire imaging effect picture

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。

图2 激光距离选通透火成像系统

Fig.2 The system of laser range gate imaging through fire

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 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 m×0.5 m×0.5 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 500～900 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 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 ，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 500～900 nm。相机距离火焰 12 m，火焰纵深约 1.5 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 延迟约 47 ns 时，可穿透烟雾距离最远，然而由于激光在烟中形成的丁达尔效应较为明显 ，且亮度较高，导致目标在视频中整体颜色偏黑，目标身上对比度较低，为了提升目标局部对比度，需要将亮度较高的部分移出镜头视野，得到测试效果如图 6（b）所示。

由于烟饼产生的烟雾和实际火灾产生的烟雾成分、 粒径等不尽相同 ，实际燃烧产生的烟雾多由于燃烧不完全 ，内含大量的碳颗粒 ，粒径不均匀 ，导致脉冲光源发出的激光被大量散射和吸收，从而限制了透烟的成像效果， 下一步需通过改用调 Q 激光光源等方法提高激光脉冲能量，同时提升快门开关比，进而有效增强距离选通成像的透烟效果。

3 结 语

针对在消防救援过程中由于大火浓烟环境下能见度极低而造成消防员搜救、施救困难甚至丧生的现状，梳理了激光主动成像技术现状 ，介绍了激光距离选通成像技术的优势，并开展了距离选通成像透火透烟实体试验，实现了火焰纵深 1.5 m 的穿透效果，在烟饼模拟的烟雾环境下能见度提升 3 倍。未来将进一步优化基于距离选通技术的透火透烟成像效果，解决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。

参考文献：

[1] 张学伟 .火灾中烟雾对人员的危害及其对策的探讨[J].消防科学与技术,1990,9(1):20-21.

[2] GOHLER B, LUTZMANN P.Review on short - wavelength infrared laser gated-viewing at fraunhofer IOSB[J].Optical Engineering,2017, 56(3):031203.1-031203.19.

[3] 王书宇,艾磊,陶声祥,等 . 便携式远距离激光选通成像系统研究[J]. 兵器装备工程学报,2018,39(9):166-170.

[4] 王寿增,孙峰,张鑫 .激光照明距离选通成像技术研究进展[J].红外与激光工程,2008,37(S3):95-99.

[5] 李媛淼,孙华燕,郭惠超 .切片式及超分辨率激光三维成像现状[J].激光与红外,2019,49(4):395-402.

[6] STARR J W,LATTIMER B Y.A comparison of IR stereo vision and LIDAR for use in fire environments[C]//2012 IEEE Sensors.IEEE, 2012:1979-1982.

[7] FERRARO P.Infrared digital holography as new 3D imaging tool for first responders and firefighters: recent achievements and perspectives

[C]//Lasers & Electro-optics.IEEE,2014.

[8] BIANCO V, MAZZEO P L, PATURZO M, et al.Deep learning assisted portable IR active imaging sensor spots and identifies live humans through fire[J].Optics and Lasers in Engineering,2020.

[9] BIANCO V, PATURZO M, FINIZIO A, et al.Revealing fire survivors hidden behind smoke and flames by IR active imaging systems

[C]//International Carnahan Conference on Security Technology. IEEE,2014.

[10] KIM J H,STARR J W,LATTIMER B Y.Firefighting robot stereo infrared vision and radar sensor fusion for imaging through smoke[J]. Fire Technology,2015,51(4):823-845.

Technology of fire reconnaissance through fire and smoke based on laser range gate imaging

Li Ziting^1,2,3 , Chu Yuxi^1,2,3 , Chen Ye^1,2,3

(1. Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM, Tianjin 300381, China; 2. Key Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and Public Building, Ministry of Emergency Management, Tianjin 300381, China; 3. Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology, Tianjin 300381, China)

Abstract: In view of the difficulty of firefighters′ search and rescue due to the extremely low visibility in the dense smoke environment of fires, we proposed a fire penetration and smoke detection technology based on laser range gate imaging, and carried out physical experiments on imaging through wood pallets, nheptane fires and smoke in confined spaces, which can image through 1.5 m longitudinal flame and improve the visibility in dense smoke environment by 3 times, solving the current problem that fires and smoke cannot be penetrated due to surface/interface reflection and serious backward scattering. Based on the experimental results, the application prospect of laser range gate imaging in firefighting visualization reconnaissance and rescue is discussed, and the future development direction of this research field is further clarified.

The future development of fire reconnaissance and rescue equipment based on laser range gate imaging technology provides "perspective eyes" for fire rescue personnel, which is expected to effectively improve the fire control, rapid internal attack and personnel rescue capabilities in the initial battle and night environment.

Key words: imaging through fire; imaging through smoke; fire reconnaissance; laser; laser range gate imaging