基于红外热成像的林地余火死灰复燃点诊断方法研究

林地余火阴燃特性具有隐蔽性强、持续时间长、目测难度大、且具有死灰复燃等特点,从而一直困扰森林火灾的彻底扑灭。为了及时、高效地发现林地余火阴燃点,探索林地余火死灰复燃的特征及规律,在南京森林警察学院点烧基地里进行测试实验,以无人机搭载热红外成像系统、气象采集系统等为工具,把火源点设置在杨树林内,人为干预进行点烧、熄灭、复燃等重复实验,实验包括白天和夜晚两个时间段,用安装于无人机上的红外热成像仪对火源进行观测。实验表明：林地余火死灰复燃的温度在500～600℃,离散程度较大;林地余火死灰复燃在白天的时间普遍短于夜晚时间,表明外界温度越高,越会促进林地余火死灰复燃的速率;在森林中,不同地点、不同时间段的森林背景温度标准差比较稳定,主要处于1～9 之间;林地余火红外图像的温度数据的标准差值分布在30～85之间;红外图像的温度数据的标准差值分布在55～85 之间,则可定为死灰复燃可疑阶段。该方法量化了死灰复燃的火环境及温度参数阈值,明确林地余火阴燃点引燃特征值。该研究成果将推动森林防火技术的发展,为安全扑火提供重要的方法和资料。     

高温热源特性对木粉阴燃传播特性影响

为了探究高温热源特性对阴燃传播的影响,本文基于高温氮化硅点火装置建立了阴燃传播速度实验测试平台,并以红棕木粉为实验材料,结合木粉的热重分析开展了不同引燃温度和时间作用下木粉阴燃传播特性实验研究,结果表明:在实验条件下,木粉堆在6种不同适宜热源引燃温度下所能达到的最高温度几乎一致约490℃,且三个热电偶位置距离阴燃初始点越近其升温到最高温度越慢;在640℃到675℃之间存在一个最佳热源热通量使木粉堆析出挥发分与内部氧气含量为适宜比例,且在这个比例下木粉阴燃初期的传播速度最快,约4.4×10~(-2) cm/s;相同高温热源温度下,木分堆持续引燃时间越长,热源提供的总热量越大,阴燃初期的传播速度越快。所得结果可为木材加工企业防控阴燃火灾提供实验依据。     

全工况下冷却空气取水装置性能的实验研究

为改善冷却空气取水装置的能耗高、出水量低等问题,实验选用了两台并联蒸发器和两台串联冷凝器,并对出水量、能耗、蒸发器冷却效率等进行了研究。实验结果表明:蒸发器进风风速越大,蒸发器冷却效率越低,出水量越小;制冷机制冷量不变时,调整风机风量可增大装置的取水量,且进风温度越高最佳风量越小;夏季及初秋冷却空气取水装置最佳运行时间段为晚上20点~早上8点,其中取水量最多的时间段为凌晨0点~4点。而春季的夜晚装置取水量小、能耗大,冷却空气取水装置应该在白天运行;不同月份由于环境空气状态的不同,消耗1度电能够制取的淡水量也不同,其中9月份消耗1度电能够制取的水量最多为2.1kg。     

森林阴燃火排放特性：研究前沿与展望

森林阴燃火是世界上最大尺度的燃烧现象之一,其排放在全球大气碳循环中扮演着重要的角色。然而其产生并累积的复杂排放物会导致区域性的雾霾灾害,严重威胁居民和消防人员的健康安全。尽管林火排放给社会经济生活带来诸多不良影响,但目前对森林阴燃火排放特性的科学认识还不足。本文总结了阴燃与明火排放的差异、影响阴燃排放的因素,以及在不同尺度研究中用于不同森林可燃物排放的测量方法。此外,本文还统计汇编了文献中包含主要火灾气体和颗粒物产物在内的排放因子数据,分析发现除CO₂及CO外,森林阴燃火产物的排放因子随分子质量的增加而逐渐减少。本文有助于提高对阴燃排放的科学认知,为防治由阴燃林火导致的雾霾灾害提供了丰富的数据基础。     

林火中的阴燃现象:研究前沿与展望

森林中的植物腐殖质和有机泥炭土的阴燃是地球上尺度最大的燃烧与火灾现象,造成了巨大的经济损失及跨国界的雾霾,并严重破坏了生态系统。本文综述了阴燃林火的基础燃烧理论和化学反应机理,总结了其点火、火蔓延和熄火的行为特性。同时,归纳了近年来泥炭阴燃火的研究动态,包括如何通过小尺度的阴燃实验理解大尺度的阴燃林火,如何构建阴燃的数值模型等关键科学问题。最后,探讨了阴燃林火问题在燃烧学、火灾科学、林学、生态环境学、地球物理等多学科的交叉研究热点和方向,以期对未来多学科的交叉研究提供必要的参考和科学指导。     

侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术

基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50km范围内的变化趋势一致,并对0.75km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。     

不同燃烧状态飞火颗粒自由燃烧规律研究

飞火是开放空间中大尺度火灾非连续性蔓延的主要形式。本文通过不同热流下的木质飞火颗粒自由燃烧实验,揭示不同燃烧状态飞火颗粒的结构变形、质量损失及温度分布的变化规律。研究表明,颗粒结构变形受材料化学反应机制和热机械力作用共同影响;颗粒燃烧反应易造成热解气体的内部积聚,以致内压激增、诱发喷射或喷溅细小颗粒的现象;阴燃过程颗粒表面温度变化较小但持续时间很长,明火状态的颗粒持续高温并且温度与质量变化剧烈。     

无人机视角下的林木爆燃火特性研究

森林火灾“爆燃”现象的特征是突然发生的高强度、高蔓延速度的燃烧。目前为止，关于“爆燃火”的原因还没有达成共识。以无人机视角下对林木爆燃火特性研究，以四川木里特大森林火灾为研究对象，通过分析凉山州某森林扑火部队3月31日木里森林火灾当天KWT（科卫泰）无人机航拍火场画面，结合无人机实时影像及实地调研数据，分析了峡谷地形林火蔓延时空特征，探讨了峡谷中风向风速变化时空分布规律，研究了地形变化条件下，不同海拔高度风速特征，建立了无人机倾角测量风速模型（其中为风速m·s-1，为无人机倾角°）。结果表明，高山峻岭特殊地形环境下每天4:00—12:00时间段为静风期，为峡谷林火扑救最佳时期；午后15:00—17:00和晚上20:00—22:00为山谷地形风速活跃期；仿真软件数据显示山顶、谷底与山腰不同海拔位置的风速风向不统一，谷底会产生乱流现象，且风速与海拔不存在正相关关系，小气候在复杂地形中占主导影响地位；在谷口至山谷深处的中间位置会出现气流速度的波峰状态，并易形成乱流，为爆燃火发生提供了客观必要条件。该研究可为复杂地形环境下，森林草原火灾扑救安全提供数据和技术支撑。     

无人机视角下的林木爆燃火特性研究（英文）

森林火灾"爆燃"现象的特征是突然发生的高强度、高蔓延速度的燃烧。目前为止,关于"爆燃火"的原因还没有达成共识。以无人机视角下对林木爆燃火特性研究,以四川木里特大森林火灾为研究对象,通过分析凉山州某森林扑火部队3月31日木里森林火灾当天KWT(科卫泰)无人机航拍火场画面,结合无人机实时影像及实地调研数据,分析了峡谷地形林火蔓延时空特征,探讨了峡谷中风向风速变化时空分布规律,研究了地形变化条件下,不同海拔高度风速特征,建立了无人机倾角测量风速模型(其中为风速m·s~(-1),为无人机倾角°)。结果表明,高山峻岭特殊地形环境下每天4:00—12:00时间段为静风期,为峡谷林火扑救最佳时期;午后15:00—17:00和晚上20:00—22:00为山谷地形风速活跃期;仿真软件数据显示山顶、谷底与山腰不同海拔位置的风速风向不统一,谷底会产生乱流现象,且风速与海拔不存在正相关关系,小气候在复杂地形中占主导影响地位;在谷口至山谷深处的中间位置会出现气流速度的波峰状态,并易形成乱流,为爆燃火发生提供了客观必要条件。该研究可为复杂地形环境下,森林草原火灾扑救安全提供数据和技术支撑。     

基于图像衍生的红外无人机图像仿真方法研究

对无人机群的红外视频进行监视是安防和军事领域的新热点。由于复杂背景下无人机图像获取难度大,图像数量难以满足相关算法的模型训练和验证等需求,因此提出一种基于图像衍生的红外无人机图像仿真方法。采用该方法对红外无人机模板图像与红外背景图像进行混合,从而生成大量不同背景下的无人机目标图像。针对图像混合技术受背景噪声影响严重、无人机目标边缘模糊和合成图像调和度低等问题,采用一种无监督的生成式对抗网络来生成调和度较高的灰度约束图像,将其与目标梯度图像作为联合约束来求解高斯-泊松方程,得到与真实图像特征一致性较高的混合图像。实验结果表明,所提方法生成的混合图像具有较高的图像调和度和视觉真实性,说明所得图像作为扩充样本可有效提高机器学习算法的性能。     

基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法研究

针对两点温度定标算法在应用过程中曝露的问题,提出了基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法.该算法先对图像进行非线性压缩,转换为线性图像,再利用红外焦平面阵列探测元的响应特性与积分时间之间的关系,采用改变积分时间的方法拟合红外焦平面探测器的平均响应特性曲线,进行两点校正,然后对结果进行取指数操作,即得到原图非均匀校正后的图像.分别利用两点温度定标法和变积分法对航拍红外图像进行校正效果验证,同时进行了不同校正算法的非均匀性适应性评价实验.实验结果表明新算法计算量小,校正准确度高,反应速度快,并在一定程度上解决了大动态范围下响应非线性对校正性能的影响,具有很好的工程应用价值.     

基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法研究

针对两点温度定标算法在应用过程中曝露的问题,提出了基于变积分时间的红外焦平面非均匀性校正算法.该算法先对图像进行非线性压缩,转换为线性图像,再利用红外焦平面阵列探测元的响应特性与积分时间之间的关系,采用改变积分时间的方法拟合红外焦平面探测器的平均响应特性曲线,进行两点校正,然后对结果进行取指数操作,即得到原图非均匀校正后的图像.分别利用两点温度定标法和变积分法对航拍红外图像进行校正效果验证,同时进行了不同校正算法的非均匀性适应性评价实验.实验结果表明新算法计算量小,校正准确度高,反应速度快,并在一定程度上解决了大动态范围下响应非线性对校正性能的影响,具有很好的工程应用价值.     

聚氨酯泡沫反向阴燃的数值模拟

本文根据两步反应机理,建立了2维非稳态燃料阴燃的数学模型.该模型考虑了气体在多孔介质内扩散系数的变化.应用该模型模拟了来流速度对阴燃速度及平均最高温度的影响,结果表明;首先阴燃传播速度随着来流速度的增大而增大,当风速为0.2 cm/s时,阴燃速度达到最大值0.0093 cm/s,而后随着风速的增大阴燃速度逐渐降低直至熄灭;来流速度对阴燃最高温度影响不大.同时还模拟了氧气浓度的影响、燃料阴燃中气体组分和固体成分的变化以及温度分布情况.     

爆炸水雾扑灭油火过程的实验研究

爆炸水雾灭火是一种高效、快捷的新型灭火方式。为了研究爆炸水雾与油火的作用过程,采用CCD摄像机、微细热电偶、红外测温仪3种测试手段,获得了爆炸水雾与油火作用的图像以及灭火过程中温度的变化情况。实验结果表明:爆炸水雾在冲击油面后温度发生了突降,温度突降时间与CCD记录的水雾扑灭明火的时间一致;当水袋位于油盘正上方1.0m、炸药量为2.02g、水量为3kg时,灭火持续时间约为200ms;微细热电偶能够较准确地反映爆炸水雾灭火过程的温度变化,而红外测温仪可作为辅助测温手段定性分析灭火过程中的温度变化。     

红外与X光图像融合探测构件内部热源

红外与可见光图像融合只能反映构件表面信息和温度场分布,为了探测构件内部发热源,提出了红外与X光图像融合方法。首先将红外图像做灰度化处理。然后采用Laplace金字塔融合算法对红外与X光配准图像进行融合,利用YIQ空间变换将红外图像的温度颜色信息迁移至金字塔融合图像上。最后,对工作状态下的电路板和充电器采用信息熵、标准差、平均梯度进行了融合图像质量评价。实验结果表明金字塔融合图像在评价参数上与红外图像相比均有提高,且平均梯度提高了137.20%,从而图像清晰度得到较大改善。融合后的彩色图像既包含了构件的温度分布,同时也能反映构件内部结构。进而可根据融合图像的温度场判断和分析内部热辐射源。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

短波红外用于白天卫星探测的研究

从白天天空背景、卫星光学特性及红外波段在大气中的传输特性三方面分析了白天卫星探测的可行性。在此基础上,采用光谱滤波的方法,利用红外焦平面阵列(IRFPA),在短波红外波段进行了卫星跟踪与测量。理论分析和白天的测星实验表明,用短波红外波段能够实现白天卫星的跟踪与测量;通过与已知星等的G型光谱类型恒星测量值的比对得到了目标卫星的星等为6.34,给出了探测系统的跟踪误差。     

基于夜间热红外光谱的地下煤火监测方法研究

地下煤火燃烧在地表和近地面形成温度高于其周围环境的区域,可用热红外遥感技术监测地下煤火高温度区及热异常区。以内蒙古自治区乌达煤田火区为例,探索了利用不同季节夜间ASTER热红外光谱进行地下煤火监测方法。采样TES-ADE算法反演地表温度,阈值分割法提取煤火区,分析地表温度的季节变化规律、夜间与白天地表温度差异、煤火区分布格局及变化趋势。结果表明:(1)相对白天来说,夜间热红外光谱能够有效反演煤火区的地表温度,而且能够避免沙地、裸地与建筑物的干扰,提取的高温区基本都是煤火区;(2)相对其他季节来说,冬季热红外光谱是反演煤火区地表温度及提取煤火区的最佳时相,能有效区分煤火区与背景区;(3)冬季夜间热红外光谱能够有效监测煤火区的变化与分布格局。     

高温二氧化碳气体红外辐射实验研究

主要介绍了依托高频等离子体风洞建立的高温气体辐射测量平台,并在此平台上开展了高温二氧化碳气体红外辐射实验测量。介绍了高频等离子体风洞的运行原理、流场特性及工作介质;介绍了实验测量的条件、装置、标定、数据处理方法和结果分析;通过自建的高温气体发射光谱测量平台实验测量了二氧化碳气体在1 500～3 000 K范围内4个温度点的红外发射光谱;介绍了Abel变换在测量二氧化碳气体红外辐射空间分布中的应用,通过Abel变换获得了高温下二氧化碳气体红外辐射的空间分布结果; 分析了高温二氧化碳气体在4.3 μm附近的红外辐射的强度及其中心波长随温度变化的分布,得到了发射峰中心波长随温度的升高向长波方向展开的结果,并与文献结果进行了对比分析。     

低空监控系统的红外小目标检测方法

无人机遥感系统在检测复杂背景下红外小目标时存在虚警过高的问题,结合卷积神经网络提出一种两阶段的无人机遥感系统红外小目标检测模型。第一阶段利用Unet神经网络学习红外图像中目标的深度语义特征与浅层位置特征,同时增强红外小目标信号,并抑制背景信号。第二阶段利用Faster R-CNN对第一阶段输出的图像进行分析,检测图中红外小目标的位置与边框。在公开的无人机遥感系统红外小目标检测数据集上完成了验证实验,结果表明该模型将三个复杂背景数据集下红外小目标的检测精度分别提高了13.2、9.8与13个百分点,每秒处理的帧数分别增加了11、14与13。