森林火灾光学特性分析与应急方案设计【字数：15648】
摘 要近年来，森林大火频繁发生，带来了重大的经济损失和人员伤亡。森林火灾地理位置偏僻，难以监控，救援困难是造成损失和人员伤亡的主要原因。本文基于无人机系统，设计了火灾隐患检测模型，构建了两栖救援系统。本论文分析了近些年来几起森林火灾的诱因，并分析了森林火灾需要的三大条件的光学特征，结合国内外现在的研究基础、现状和趋势总结了识别这些光学特征的方法。另外本文还提出了一个解决此类问题的方案，即使用无人机携带光电吊舱和两栖智能灭火车，光电吊舱装载了红外热像仪和可见光摄像机，红外热像仪可以远距离对林场温度进行遥测，各区域的温差图像将会显示在屏幕上；可见光摄像机可以辅助红外热成像仪，对比核实完善热像仪的检测情况；两栖智能灭火车是螺旋桨和车轮混合动力，能解决现有的常规灭火车存在的越障能力差的问题，并能自动探测火焰，同时通过飞行或者车轮驱动自行前往火焰所在地。
目录
1 绪论 1
1.1课题的目的和意义 1
1.2 国内外课题研究基础、现状和趋势 1
1.3课题的实现方法、工作原理 2
1.4近年森林火灾情况 2
2 森林火灾的光学特性分析 5
2.1森林火灾种类 5
2.2森林火灾需要的三大条件及对应的光学特性分析： 7
2.2.1可燃物 7
2.2.2火险天气与地形 7
2.2.3 火源 11
2.3 现行的侦测森林火灾的方法 14
3 应急方案设计 16
3.1课题应急解决方案整体设计 16
3.2红外热成像仪和可见光摄像机原理与参数 17
3.3 两栖灭火车原理与硬件电路 21
3.3.1飞行模块设计 21
3.3.2灭火车模块设计 22
4 程序设计 31
4.1 程序整体设计思路 31
4.2 火焰制导和灭火程序 31
4.3 超声波避障程序 32
4.4 取五路红外火焰探测器模块AD值程序 33
4.5 小车转向和前进停止程序 33
5 系统测试方案 35
5.1 测试环境 35
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
.2 系统功能测试 35
5.2.1 避障测试 34
5.2.2 火焰制导测试 36
5.2.3 灭火测试 37
5.2.4 系统整体测试 38
参考文献 39
致谢 40
1 绪论
1.1 课题的目的和意义
本文讲述了用无人机携带的光电吊舱对森林火灾的光学特征进行分析与成像，使用红外热像仪和可见光摄像机定位火点，然后放下两栖智能灭火车消除火灾隐患。本设计应用于森林消防的优势有：
（一）准确提供火灾信息，避免航护飞机的安全隐患；
（二）为救援方案的制定提供信息支撑，降低人员伤亡和物资损失；
（三）有利于救援工作的开展，能投放一些急需的物资，快速到达指定地点；
（四）预防火灾，防火方案设计可以基于无人机，可以使用无人机进行日常巡护；
（五）成本相对于其他防火方案更低，只需要少量无人机即可代替航空护林人员的工作[13]；
1.2 国内外课题研究基础、现状和趋势
随着我国关于退耕还林等政策的实施，林场面积不断增加，而且我国森林面积一直十分广阔，很多森林资源都处于地形复杂的山区，森林火灾的风险非常之大。从我国国情来看，各地护林机构人手和资源均不足，防火配置老旧，基础设施严重不足。现阶段，我国森林防火存在着很多死角，急需加以整治。
森林火灾是严重的自然灾害，容易突发和快速扩散，森林火灾发生将会使得生态环境恶化、破坏生态平衡、损失广大人民群众的切身利益。林区中可能产生的火灾隐患以及火灾灾情，仅仅凭借人的直接观察或者卫星图片是不够的，搭载光电检测吊舱的无人机却可以有效做到，节省了人力物力，提高了效率[2]。
人们很难进入森林深处排查森林火灾的隐患。目前防治森林火灾主要还是依赖于卫星遥感技术，一般使用的是同步卫星或者极轨卫星。卫星使用大规模火灾的预防探测，对于小规模森林火灾控制的优势不是很大。近年来随着无人机的快速发展，森林防火开始应用无人机，它的反应速度和工作效率、范围都令人们满意，是目前森林火灾形势监测技术中最实用、廉价的作业手段。近年来森林火灾越来越得到相关部门的重视，我国先后有了东北航空护林中心和西南航空护林总站，开始使用无人机保护森林。2006年10月，美国航空航天局和美国林业局使用“牵牛星”无人机在加州森林大火的上空飞行，通过红外传感器查明了主要的火灾地点，为测控人员实时提供了重要信息。
1.3 课题的实现方法、工作原理
本文设计的这款检测系统中，一方面可以使用红外热成像仪实时监控火场情况，即森林防火红外热成像监控系统，能遥测监控森林火灾，它能够对林场温度进行测温并显示出林场内不同区域的温差。森林火灾威胁巨大，发现火点就应当必须立即采取扑救措施，对探测到的火源信息进行分析、定位。另一方面可以放下两栖智能灭火车自动寻找火源灭火。
传统的火灾报警系统通常对火灾发生时产生的烟浓度、热量等信号数据进行检测，并对检测到的数据信息进行分析、判断并发出报警信号。传统的检测方式不能在第一时间内收集到火灾发出的烟、热变化的信息，不能很好对森林火灾隐患进行早期侦查。红外热成像仪一般工作在8~14μm波段，大气、烟雾对这一段的红外辐射影响较小。另一方面，它还可以对森林可能发生火灾的地方进行检测预警，从高空或者林间低空中检测树林或草丛温度或者烟雾信号，实时传输给控制者或者将信息存储起来。
我设计的这款系统使无人机携带一个吊舱，吊舱包括红外热成像仪和智能灭火车，若发现火源或是可能发生火源的地方，可以将设计的灭火车放下，它将在林区避开障碍物的同时寻找火源并灭火，达到无人灭火的功能。灭火车中携带干粉灭火系统，即磷酸铵盐干粉灭火剂，它是可以用来灭火的干燥且易于流动的微细粉末，由无机盐和少量的添加剂经干燥粉碎成粉末，是一种广泛应用到消防中的灭火剂，主要用于灭火器中。
1.4 近年森林火灾情况
四川省凉山州木里县森林火灾：
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图11 2019.3四川凉山森林火灾
目录
1 绪论 1
1.1课题的目的和意义 1
1.2 国内外课题研究基础、现状和趋势 1
1.3课题的实现方法、工作原理 2
1.4近年森林火灾情况 2
2 森林火灾的光学特性分析 5
2.1森林火灾种类 5
2.2森林火灾需要的三大条件及对应的光学特性分析： 7
2.2.1可燃物 7
2.2.2火险天气与地形 7
2.2.3 火源 11
2.3 现行的侦测森林火灾的方法 14
3 应急方案设计 16
3.1课题应急解决方案整体设计 16
3.2红外热成像仪和可见光摄像机原理与参数 17
3.3 两栖灭火车原理与硬件电路 21
3.3.1飞行模块设计 21
3.3.2灭火车模块设计 22
4 程序设计 31
4.1 程序整体设计思路 31
4.2 火焰制导和灭火程序 31
4.3 超声波避障程序 32
4.4 取五路红外火焰探测器模块AD值程序 33
4.5 小车转向和前进停止程序 33
5 系统测试方案 35
5.1 测试环境 35
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
.2 系统功能测试 35
5.2.1 避障测试 34
5.2.2 火焰制导测试 36
5.2.3 灭火测试 37
5.2.4 系统整体测试 38
参考文献 39
致谢 40
1 绪论
1.1 课题的目的和意义
本文讲述了用无人机携带的光电吊舱对森林火灾的光学特征进行分析与成像，使用红外热像仪和可见光摄像机定位火点，然后放下两栖智能灭火车消除火灾隐患。本设计应用于森林消防的优势有：
（一）准确提供火灾信息，避免航护飞机的安全隐患；
（二）为救援方案的制定提供信息支撑，降低人员伤亡和物资损失；
（三）有利于救援工作的开展，能投放一些急需的物资，快速到达指定地点；
（四）预防火灾，防火方案设计可以基于无人机，可以使用无人机进行日常巡护；
（五）成本相对于其他防火方案更低，只需要少量无人机即可代替航空护林人员的工作[13]；
1.2 国内外课题研究基础、现状和趋势
随着我国关于退耕还林等政策的实施，林场面积不断增加，而且我国森林面积一直十分广阔，很多森林资源都处于地形复杂的山区，森林火灾的风险非常之大。从我国国情来看，各地护林机构人手和资源均不足，防火配置老旧，基础设施严重不足。现阶段，我国森林防火存在着很多死角，急需加以整治。
森林火灾是严重的自然灾害，容易突发和快速扩散，森林火灾发生将会使得生态环境恶化、破坏生态平衡、损失广大人民群众的切身利益。林区中可能产生的火灾隐患以及火灾灾情，仅仅凭借人的直接观察或者卫星图片是不够的，搭载光电检测吊舱的无人机却可以有效做到，节省了人力物力，提高了效率[2]。
人们很难进入森林深处排查森林火灾的隐患。目前防治森林火灾主要还是依赖于卫星遥感技术，一般使用的是同步卫星或者极轨卫星。卫星使用大规模火灾的预防探测，对于小规模森林火灾控制的优势不是很大。近年来随着无人机的快速发展，森林防火开始应用无人机，它的反应速度和工作效率、范围都令人们满意，是目前森林火灾形势监测技术中最实用、廉价的作业手段。近年来森林火灾越来越得到相关部门的重视，我国先后有了东北航空护林中心和西南航空护林总站，开始使用无人机保护森林。2006年10月，美国航空航天局和美国林业局使用“牵牛星”无人机在加州森林大火的上空飞行，通过红外传感器查明了主要的火灾地点，为测控人员实时提供了重要信息。
1.3 课题的实现方法、工作原理
本文设计的这款检测系统中，一方面可以使用红外热成像仪实时监控火场情况，即森林防火红外热成像监控系统，能遥测监控森林火灾，它能够对林场温度进行测温并显示出林场内不同区域的温差。森林火灾威胁巨大，发现火点就应当必须立即采取扑救措施，对探测到的火源信息进行分析、定位。另一方面可以放下两栖智能灭火车自动寻找火源灭火。
传统的火灾报警系统通常对火灾发生时产生的烟浓度、热量等信号数据进行检测，并对检测到的数据信息进行分析、判断并发出报警信号。传统的检测方式不能在第一时间内收集到火灾发出的烟、热变化的信息，不能很好对森林火灾隐患进行早期侦查。红外热成像仪一般工作在8~14μm波段，大气、烟雾对这一段的红外辐射影响较小。另一方面，它还可以对森林可能发生火灾的地方进行检测预警，从高空或者林间低空中检测树林或草丛温度或者烟雾信号，实时传输给控制者或者将信息存储起来。
我设计的这款系统使无人机携带一个吊舱，吊舱包括红外热成像仪和智能灭火车，若发现火源或是可能发生火源的地方，可以将设计的灭火车放下，它将在林区避开障碍物的同时寻找火源并灭火，达到无人灭火的功能。灭火车中携带干粉灭火系统，即磷酸铵盐干粉灭火剂，它是可以用来灭火的干燥且易于流动的微细粉末，由无机盐和少量的添加剂经干燥粉碎成粉末，是一种广泛应用到消防中的灭火剂，主要用于灭火器中。
1.4 近年森林火灾情况
四川省凉山州木里县森林火灾：
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图11 2019.3四川凉山森林火灾
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