Система радиомониторинга лесных пожаров и возгораний Текст научной статьи по специальности «Физика»

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 5 (1), с. 82-85

УДК 621.384.32

СИСТЕМА РАДИОМОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ВОЗГОРАНИЙ © 2011 г. Е.А. Архипов, О.Р. Никитин

Владимирский госуниверситет о1пікіїт@таі1. т

Поступила в редакцию 02.04.2010

Рассмотрены характеристики систем мониторинга лесных и торфяных пожаров на базе радиометрической системы, расположенной на борту беспилотного летательного аппарата. Определены зависимости характеристик обнаружения границ очагов возгораний от скорости движения летательного аппарата, ширины диаграммы направленности антенной системы, размеров обнаруживаемого очага.

Ключевые слова: радиометрия, миллиметровые волны, характеристики обнаружения, антенна, разрешение по поверхности.

Существующая в стране система борьбы с огнем обеспечивает соответствующий современным требованиям уровень противопожарной защиты лесов лишь на ограниченных территориях европейской части России, Сибири и Дальнего Востока. Это определяет важнейшую научную и практическую задачу разработки научно-методического аппарата построения и эксплуатации беспилотных комплексов радиомониторинга лесных и торфяных пожаров на основе геоинформационных технологий. Наиболее предпочтительным решением является дополнение существующей аэрокосмической системы региональными системами мониторинга, включающими воздушные патрули, наблюдательные пункты, использующие средства беспилотной малой авиации, оснащенные радиометрическим оборудованием помимо систем оптического диапазона. Использование указанного оборудования повышает возможности систем природного радиомониторинга.

Структурная схема обнаружителя возгораний на базе радиометрических измерений приведена на рис. 1.

Функцию временного селектора в системе выполняет бортовой контроллер радиометра,

производящий привязку процедуры измерения к географическим координатам беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Сигнал на выходе радиометра представляет собой случайный процесс с законом распределения, близким к нормальному. Дисперсия распределения определяется точностными характеристиками радиометра, а математическое ожидание - яркостной температурой фоновой подсветки Тф в случае отсутствия очага возгорания в зоне анализа или величиной Тф+Тп, зависящей от характера объекта, в противном случае.

Сигнал обнаружения формируется схемой в случае превышения принятой реализацией случайного процесса порога С. Вероятность ложного обнаружения равна вероятности превышения порогового уровня С при условии отсутствия сигнала

да

F = fwф (Т. УГ.,

С

вероятность правильного обнаружения

да

^ = fwфn (Т. )УТя.

С

да

РАДИОМЕТР ► ВРЕМЕННОЙ СЕЛЕКТОР —► ПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО нет

Селекторный Порог

импульс обнаружения

Рис. 1. Структурная схема обнаружителя очагов возгорания

Тф

і Т= №

/

' V

/ ' X

ЛІ "=3 К ч

1_

01 2345678 9 10 11 12 к с

Рис. 3

7

Рис. 4

Характер поведения плотностей вероятности Wф Г) и Wфn Г), а также площади, иллюстрирующие соответствующие вероятности, показаны на рис. 2.

Учитывая нормальный характер законов распределения, можно вычислить соответствующие характеристики обнаружения:

F = 0.5

1 -Ф

ф

D = 0.5

1-Ф

АТ

Г Тф + Тп + с \

АТ

где

О

ф(у) = —1= Гехр(—2 ^ -

л/п

0

интеграл вероятно-

сти.

На рис. 3 приведены зависимости вероятности ложного обнаружения от величины порога С для различных значений среднеквадратической погрешности радиометра ДТ=2 К (сплошная кривая) и 3 К (пунктирная) для Тф=250 К.

На рис. 4 показано семейство зависимостей вероятности правильного обнаружения от параметра обнаружения у=Тп/ДТ для различных значений вероятности ложного обнаружения и ДТ=3 К.

Анализ приведенных зависимостей показывает что для достоверного обнаружения необходимо иметь значение параметра обнаружения

у не менее 6. Это требование легко выполняется при обнаружении как открытых очагов возгорания, так и подземных очагов горения торфяников в случае, если среднеквадратическая погрешность радиометра восьмимиллиметрового диапазона не хуже 7 К и если размеры обнаруживаемой неоднородности значительно превышают размеры области анализа, определяемой шириной диаграммы направленности антенны и высотой расположения радиометра. Все эти требования эквивалентны взаимной неподвижности измерителя и объекта анализа. При проведении зондирования с летательного аппарата ситуация изменяется. Движение летательного аппарата двояко влияет на величину фиксируемого радиометром сигнала при фиксированных характеристиках исследуемого объекта.

Основным фактором, снижающим чувствительность метода, является рассеяние энергии излучения объекта исследования по всей площади анализа в условиях, когда сечение диаграммы направленности антенны радиометра земной поверхностью превышает размеры очага возгорания. Полагая форму сечения диаграммы окружностью с диаметром

da = М§(а),

где h - высота полета, а - ширина диаграммы направленности, можно рассчитать изменение параметра обнаружения, вызванное этим фактором

Рис. 5

Рис. 6

У =

Г

п

ДТ

У

V а у

где У - линейный размер неоднородности, имеющей форму окружности.

На рис. 5 показаны зависимости параметра обнаружения от ширины диаграммы направленности антенны в градусах при фиксированной высоте полета h=100 м для различных размеров объекта обнаружения У (5 м, 3 м и 1 м), ДТ=1 К, Тп=50 К.

Задаваясь необходимым для получения требуемой достоверности обнаружения значением параметра у, можно определить требования к радиометру, его антенне, высоте полета. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о повышении требований к чувствительности радиометра и направленным свойствам его антенны с повышением высоты полета при фиксированной разрешающей способности обнаружителя, под которой понимается минимальный размер У достоверно обнаруживаемого объекта.

Вторым фактором, снижающим чувствительность метода, является ограниченное время воздействия сигнала на измерительную систему, связанное со скоростью движения ЛА и высокими требованиями к направленным свойствам антенны (получение хорошей разрешающей способности). Если предположить, что объект имеет размер У, не превышающий размер сечения диаграммы направленности антенны радиометра земной поверхностью, то время его воздействия на измеритель составит

^(а)

Аt = -

V

где h и V - высота и скорость полета соответственно, а - ширина диаграммы направленности. Если d велико, то

л d

Дt = —.

V

Инерционность радиометра т определяет экспоненциальный характер нарастания отклика, что приведет к изменению параметра обнаружения:

У = Тп

1 - ехр(- —) т

Если Дt будет превышать 3т, то уменьшением параметра обнаружения, вызванным этим фактором, можно пренебречь. Отсюда следует, что значительная скорость движения летательного аппарата и инерционность радиометра ограничивают возможность достоверного обнаружения очагов возгорания малых размеров. На рис. 6 приведены зависимости параметра у от скорости движения летательного аппарата для т=1с, Тп=50 К, ДТ=1 К, h=100 м, а=0.1° (d=20 м -точки, 5 м - сплошная линия).

Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы о снижении требований к быстродействию радиометра по мере увеличения высоты полета и снижения требований к направленным свойствам антенны.

Совместный учет влияния обоих факторов, снижающих достоверность обнаружения, показывает, что при использовании восьмимиллиметрового радиометра с чувствительностью 1 К, а=(1-3)°, при высотах полета 100-200 м, скорости 15-20 м/с возможно достоверное обнаружение очагов пожаров и областей возгорания торфа с линейными размерами 10-20 м. Обнаружение меньших неоднородностей затруднительно. Частота смены информации в этом случае может определяться требованием того, чтобы сечения диаграммы направленности земной поверхностью в соседних точках измерения перекрывались для исключения пропуска отдельных точек, и рассчитана из соотношения ^(а).

К =-

-> х.

Как следует из рис. 3, изменение Тф при фиксированном пороге обнаружения будет приводить к изменению вероятности ложной тревоги и, как следствие, к вариациям D. Использование схемы компенсации яркостной температуры фона с помощью дополнительного канала измерения позволяет задавать порог обнаружения не относительно Тф, а относительно нуля и тем самым стабилизирует вероятность ложной тревоги при изменениях условий наблюдения.

Достаточно значительный уровень ложных тревог при обнаружении определяет необходимость комплексирования информации радиометрического наблюдения с информацией от бортовой видеокамеры, проводящей снимки в оптическом или инфракрасном диапазонах. Привязка этих снимков к местности, проводи-

мая с помощью ГИС, позволит значительно повысить достоверность мониторинга в условиях непосредственной видимости объекта наблюдения. В противном случае система полностью функционирует по данным радиометрического наблюдения.

Список литературы

1. Мармалюк А.А. СВЧ-мониторинг лесных массивов. Теоретические и практические аспекты разработки образцов и систем вооружений // Научнотехнический сборник к 100-летию со дня рождения Д.Ф. Устинова. Ковров: КГТА, 2008. С. 120-125.

2. Никитин О.Р., Архипов Е.А., Мармалюк А.А. Моделирование пожароопасных состояний лесов и торфяников // Известия Института инженерной физики. 2008. №3. С. 17-20.

FOREST FIRE RADIO MONITORING SYSTEM

E.A. Arkhipov, O.R. Nikitin

Based on the example of a radiometric system on board an unmanned aerial vehicle, we consider the characteristics of forest and peatland fire monitoring systems. The dependences of detection characteristics of fire hotbed area borders on the vehicle velocity, antenna beam width, fire hotbed sizes have been determined.

Keywords: radiometry, millimeter waves, detection characteristics, antenna, surface resolution.