(程邦鈺、連祁鳴)
壹種利用紅外探測器接收林火輻射來探測林火的光電技術。利用紅外技術探測森林火災具有許多優點，如不受濃煙和薄雲的阻擋，能準確地找出火源和火線的位置，能靈敏地發現殘火和地下火，能探測出晝夜難以發現的小火等。這是預防和撲滅森林火災的有效措施。
發展歷史
1962年，美國國防部高級研究計劃局與農業部林務局合作，首次將紅外技術應用於森林火災探測。同年，在北方森林火災實驗室開展了森林火災探測研究項目。1966交付的紅外系統能夠提供急需的森林火災信息。1970研制的先進森林火災監測系統，每小時可巡視2000平方英裏，發現林區小火，檢出率高，提高火災影像化水平。1982中，美國林務局已經在國家防火中心配備了三架專用紅外森林火災探測飛機，供國家森林防火業務使用。20世紀70年代，加拿大開始了紅外火災探測。1980之後，對機載紅外熱像儀(AGA750)進行了實用化改進。蘇聯和日本也研究過森林背景下的紅外輻射和紅外裝置。1979年，澳大利亞研制出地面太陽紅外火災探測報警裝置。我國對林火紅外探測的研究始於1973。1979年，黑龍江省森林保護研究所和華北光電技術研究所聯合研制了GIRFT-30A地面紅外森林火災探測器(圖1)。1980年，前者與中科院上海技術物理研究所合作，研制出我國第壹代HSIC航空雙波段紅外森林火災掃描相機。1982年，四川大學研制了HLT-81地面森林火災自動監測系統。此外，1980年林業部從美國引進了埃索拉紅外火災探測系統，由加格達奇航空護林站試用。
圖1 GIRFT-30A地面紅外森林火災探測器
基本原理
自然界中任何物體，只要溫度在絕對零度(-273℃)以上，都有紅外輻射，所以紅外輻射也叫熱輻射。紅外線的波長範圍是0.7 ~ 1000微米，介於可見光和無線電波之間。物體溫度越高，其峰值波長越短，紅外輻射能量越大。森林火災的溫度壹般為550 ~ 700℃，其對應的峰值波長為3 ~ 5微米(屬於近紅外區)，其輻射能量約為1.3 W/cm2。在森林背景中(森林、草地、山坡、河流等。)，如果森林火災的季節溫度在40 ~ 60℃範圍內，其峰值波長約為8 ~ 14微米(屬於中紅外區)，其輻射能量約為1.7×10-2瓦/平方厘米。紅外探測系統完成從森林背景中探測森林火災目標。該系統的基本原理如圖2所示。
圖2紅外森林火災探測系統基本原理示意圖
紅外森林火災探測系統主要由光學機械掃描裝置、紅外探測器、電子信號處理系統和目標顯示報警裝置組成。其工作原理是通過系統的掃描裝置，由光學系統將森林背景和森林火災目標的紅外輻射收集到紅外探測器上。紅外探測器是壹種能量轉換器件，它將接收到的紅外輻射信號轉換成電信號。壹般用銻化銦(77 K)或碲鎘汞(77 K，室溫)和硫化鉛等探測器對林火目標(3 ~ 5微米)對應的林火輻射進行探測。對於森林背景(8 ~ 14微米)，使用波長更長的探測器，如碲鎘汞探測器或Ge-Hg (38 K)探測器。探測器提供的電信號經模擬通道或數字通道處理後送至報警裝置或光電轉換裝置，並轉換成模擬圖像或數字圖像進行顯示或存儲。
系統類型
根據顯示方式的不同，紅外森林火災探測系統可分為三類:
第壹類:紅外林火定位系統。以GIRFT-30A地面紅外森林火災探測器為例，工作原理如圖3所示。該儀器可探測30公裏外10平方米的火災現場。方位掃描範圍0 ~ 360°，俯仰掃描範圍-65，438+02 ~+65，438+0(連續可調)，搜索周期3分鐘。顯示方式:用極坐標直接在熒光屏上顯示射擊目標的方位和距離；火力目標的強度用振幅顯示。方位分辨率為0.83 ~ 1.9。儀器采用三級半導體制冷探測器，碲鎘汞(3 ~ 5微米)。
圖3 gir ft-30a地面紅外森林火災探測器工作原理
HLT-81地面紅外火災探測器與上述類似。該儀器由太陽能電池供電，火災報警信號可以通過無線電傳輸，發送到20公裏外的顯示器上。
上述儀器放在山體觀測臺上使用，工作不受時間限制。缺點是視線會被地形遮擋。1968美國生產的林火定位器也屬於這壹類。它安裝在直升機上，幫助確定火災的位置。能在火目標上方610米的高度，從地物背景中分辨出0.1平方米、600℃的目標。
第二類:機載紅外森林火災攝影系統。例如，HSIC的雙波段航空紅外掃描相機和美國的雙光譜森林火災探測系統，其工作原理如圖3所示。系統本身只有壹維掃描，要記錄目標和背景的空間分布，需要借助飛機的前飛來完成二維掃描。通過電光轉換後的信號，使膠片感光，得到壹次成像膠片。在1970中，系統已經能夠探測到海拔4500米、背景溫度0 ~ 50℃的面積為0.1平方米的600℃火目標。在1974中，采用了新技術在空中遠距離傳輸紅外圖像。儀器的總視場為120。在3 km高度，對應的地面攝影帶寬為10.6 km。在顯示大型火場時，可以為火場的分布和發展提供直觀的情況。這種儀器的缺點壹是價格昂貴，二是飛機受飛行次數限制，無法對同壹區域進行連續觀測。壹般與遙測自動氣象站、雷電探測站配合使用，對可能發生森林火災的高火險區域進行探測和巡邏。
第三類:熱成像系統。埃索拉系統就屬於這壹類。該系統的核心是“782”熱像儀的改型。該裝置的熱像圖為每幀280行(1∶4隔行掃描)，每行100像素，瞬時視場為3.4毫弧度。結合可見光相機，在擴展的可見光電視畫面上疊加壹幅7× 7的熱像，使畫面中央部分兼具紅外和可見光攝影的雙重優勢，給圖像辨別帶來了極大的便利。該儀器輔以手動掃描，以擴大總視野。
評價與展望
紅外森林火災探測系統的實用性取決於:發現小火的能力；覆蓋可能著火區域的有效面積；發現火情和信息傳遞的速度；準確繪制火災現場的位置和使用的方便性；系統成本等。現有的紅外森林火災探測系統具有局限性。衛星監測的覆蓋面積很大，但分辨率遠遠不夠，經常被雲層覆蓋。紅外探測技術已經發展了20多年，只有美國把它更有規律地應用於商業。除了在滅火時繪制火災現場圖像外，通常還與火險預報、閃電定位系統和自動火災氣象站配合使用。實踐表明，紅外技術在小火災探測、火災成像、火災清理、余火探測等方面發揮了積極的作用。隨著科學技術的進步，可以預見，當方陣的多傳感器及其匹配的電荷耦合技術成熟後，采用廉價的微處理器信號處理系統取代目前的光學機械掃描，並將子系統硬件商品化，將使紅外系統簡單可靠，大大降低成本，紅外探測技術將易於應用和推廣。對於森林火災探測，壹個連續觀測、覆蓋範圍大、分辨率高、使用方便的實時遙測圖形系統將是壹個理想的工具。