Патент на изобретение №2276808

(54) УСТРОЙСТВО КРУГЛОСУТОЧНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И МОНИТОРИНГА РАЗВИТИЯ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ В РЕГИОНЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для обнаружения лесных пожаров на ранней стадии и мониторинга развития пожаров. Его применение позволяет получить технический результат в виде повышения функциональных возможностей системы, повышения оперативности обнаружения пожаров на начальной стадии, повышения чувствительности, повышения точности определения координат пожара в контролируемой области. Эти результаты достигаются благодаря тому, что устройство содержит датчик наблюдения пожарной обстановки, систему визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения, связанную с датчиком наблюдения через канал связи, при этом датчик наблюдения включает оптическую камеру, интерфейс передачи информации и блок питания камеры и интерфейса. Оптическая камера содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой плоское сканирующее зеркало, объектив, поворотное зеркало, приемник ИК-излучения и аналого-цифровой преобразователь. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к устройствам для обнаружения лесных пожаров на ранней стадии и мониторинга развития пожаров.

Известна оптико-электронная аппаратура (тепловизор), предназначенная для обзора местности с самолета (вертолета), в которой одним из основных элементов является многогранное зеркало, вращающееся вокруг оси, совпадающей с направлением полета. Вращающееся зеркало осуществляет сканирование земной поверхности поперек направления полета, а собственное движение летательного аппарата обеспечивает сканирование вдоль направления полета (Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов, – Л.: Машиностроение, 1983, с.55-60).

Известно, что такие тепловизоры используются для обнаружения лесных пожаров (SU 1621958, 1991).

Известна система обнаружения при борьбе с лесными пожарами, заключающаяся в обнаружении очагов пожара с большой высоты с самолета, оборудованного термочувствительными датчиками для обнаружения очагов пожара и навигационным оборудованием для определения координат местоположения самолета, и передачи информации о пожаре на пульт управления на земле, по результатам которой к месту пожара направляются противопожарные средства (заявка WO 93/02749, 1992).

Недостатком всех перечисленных систем обнаружения является малая оперативность и низкая достоверность обнаружения местонахождения очага загорания, а также низкая чувствительность известных устройств и необходимость использования авиатехники.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство обнаружения очагов пожаров, расположенное на опоре и вращаемое в азимутальной плоскости на 360°, что позволяет обеспечить сканирование поверхности в пределах кольцевой зоны, содержащее объектив, выполненный в виде параболического зеркала, и два многоэлементных приемника излучения, первый из которых имеет чувствительность в диапазоне 3-5 микрометров, второй – в диапазоне 0.6-1.0 микрометров, и блок аварийной сигнализации, формирующий на основе анализа величины сигнала от приемника излучения диапазона 3-5 микрометров сообщение о возникновении очага пожара, а также путем сравнения этого сигнала с сигналом приемника излучения диапазона 0.6-1.0 микрометров, исключающий ложное срабатывание устройства при попадании в устройство прямого или отраженного солнечного излучения. В устройстве отдельные чувствительные элементы приемников излучения по мере удаления от оптической оси объединяются в группы, что обеспечивает постоянство разрешения независимо от расстояния до объекта съемки (US 52118345).

Недостатком известного устройства является низкая разрешающая способность, связанная с объединением чувствительных элементов в группы, что снижает чувствительность мониторинга, не позволяет выполнить пространственный анализ обнаруженного устройством очага пожара, а также отсутствие в устройстве регистрации изображения в целях визуального контроля и возможности азимутальной привязки очага пожара к местности.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение функциональных возможностей системы, повышение оперативности обнаружения пожаров на начальной стадии, повышение чувствительности, что приводит к возможности определения мелких очагов возгорания в исследуемом регионе, а также определение координат очага пожара в контролируемой области с высокой точностью.

Технический результат изобретения достигается тем, что устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе содержит датчик наблюдения пожарной обстановки, расположенный на мачте, систему визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения, связанную с датчиком наблюдения через канал связи, при этом датчик наблюдения включает оптическую камеру панорамного наблюдения, интерфейс передачи информации и блок питания камеры и интерфейса, оптическая камера содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой плоское сканирующее зеркало, объектив, поворотное зеркало, приемник инфракрасного (ИК) излучения и аналого-цифровой преобразователь, при этом сканирующее зеркало соединено с двигателем вращения двумя независимыми кинематическими связями, первая из которых обеспечивает одностороннее круговое движение сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, вторая – качание сканирующего зеркала в пределах угла от 0 до 45° к азимутальной плоскости, в качестве объектива камеры использовано сферическое зеркало, а приемник ИК-излучения имеет один чувствительный элемент, также камера содержит два оптоэлектронных датчика углового положения сканирующего зеркала, оптически связанные с выходными элементами кинематических связей и формирующие в аналого-цифровом преобразователе датчика наблюдения импульсы строчной и кадровой развертки, первый – при нахождении сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, т.е. в положении, когда азимутальный угол равен 0°, второй – при нахождении зеркала в одном из крайних положений при отклонении на угол 45° к азимутальной плоскости.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе дополнительно может содержать, по крайней мере, два аналогичных датчика наблюдения, каждый из которых установлен на соответствующей мачте и связан через канал связи с системой визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе может быть выполнено так, что в состав оптической камеры после сканирующего зеркала включена вторая оптическая система отображения пожарной обстановки, состоящая из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива и одноэлементного приемника излучения, чувствительность которого находится в видимом диапазоне спектра, при этом вторая оптическая система оптически связана со сканирующим зеркалом, причем оптические оси первой и второй оптических систем отображения параллельны.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе может быть выполнено так, что перед приемником ИК-излучения установлен фильтр, имеющий зону пропускания в диапазоне от 2 до 5 микрометров, а в состав оптической камеры после сканирующего зеркала включена третья оптическая система отображения пожарной обстановки, состоящая из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива, фильтра, имеющего зону пропускания от 7 до 12 микрометра, и второго одноэлементного ИК-приемника излучения, при этом третья оптическая система оптически связана со сканирующим зеркалом, причем оптические оси первой и третьей оптических систем отображения параллельны.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе может быть выполнено так, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения на основе полученной с датчика или датчиков наблюдения информации и данных датчиков углового положения сканирующего зеркала автоматически обнаруживает очаги пожара и определяет их координаты в зоне обзора датчика наблюдения.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе может быть выполнено так, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения на основе информации с ИК-приемника излучения и данных датчиков углового положения сканирующего зеркала обнаруживает очаги пожара и определяет их координаты в зоне обзора датчика наблюдения, а на основе информации с приемника видимого диапазона спектра в дневное время суток автоматически обнаруживает дымовые шлейфы от очагов пожара, а также путем сравнения полученной информации от первого и второго приемников излучения исключает возможность ложного срабатывания устройства при попадании в устройство прямого и отраженного солнечного излучения.

Заявленное устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе может быть выполнено так, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения автоматически обнаруживает очаги пожара и по данным датчиков углового положения сканирующего зеркала их координаты в зоне обзора датчика наблюдения, причем путем сравнения полученной информации с первого и второго ИК-приемников излучения исключает возможность ложного срабатывания устройства из-за температурной неоднородности в зоне мониторинга, а на основе информации с приемника видимого диапазона спектра в дневное время суток автоматически обнаруживает дымовые шлейфа от очага пожара, а также путем сравнения полученной информации от первого и второго приемников излучения исключает возможность ложного срабатывания устройства при попадании в устройство прямого и отраженного солнечного излучения.

Схема заявленного устройства круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 представлена функционально-структурная схема устройства для круглосуточного обнаружения и мониторинга развития пожаров в регионе.

На фиг.2 представлена функционально-структурная схема датчика наблюдения, входящего в состав с одной оптической системой визуального отображения пожарной обстановки.

На фиг.3 представлена оптическая схема датчика наблюдения с двумя оптическими системами визуального отображения пожарной обстановки.

На фиг.4 представлена оптическая схема датчика наблюдения с тремя оптическими системами визуального отображения пожарной обстановки.

На фиг.1 представлено устройство для круглосуточного обнаружения и мониторинга развития пожаров в регионе, содержащее датчик наблюдения 1, канал связи 2, систему визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения 3, а также показаны мачта 4, вертикальный угол поля зрения датчика наблюдения , зона контроля А.

На фиг.2 представлен датчик наблюдения с одной оптической системой визуального отображения пожарной обстановки, содержащий оптическую камеру 5, аналого-цифровой преобразователь 6, интерфейс передачи информации 7, блок питания 8, сканирующее зеркало 9, поворотное зеркало 10, сферическое зеркало (объектив) 11, приемник ИК-излучения 12, двигатель вращения 13, первую кинематическую связь 14, вторую кинематическую связь 15, первый оптоэлектронный датчик углового положения сканирующего зеркала 16, второй оптоэлектронный датчик углового положения сканирующего зеркала 17.

На фиг.3 представлен датчик наблюдения с двумя оптическими системами визуального отображения пожарной обстановки, содержащий второе поворотное зеркало 18, второе сферическое зеркало (объектив) 19, приемник излучения видимого диапазона 20.

На фиг.4 представлен датчик наблюдения с тремя оптическими системами визуального отображения пожарной обстановки, содержащий фильтр 21, пропускающий излучение в диапазоне от 2 до 5 микрометров, третье поворотное зеркало 22, третье сферическое зеркало (объектив) 23, фильтр 24, пропускающий излучение в диапазоне от 7 до 12 микрометров, второй приемник ИК-излучения 25.

Пример работы заявленного устройства круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе.

Для определения количества датчиков наблюдения пожарной обстановки региона предварительно производят деление контролируемого региона на круги, радиус которых не должен превышать расстояния из точки контроля до линии видимого горизонта, в центре каждого круга размещают мачту высотой не менее 20 метров (для мачты высотой 20 метров радиус контролируемого пространства составляет 15 километров), и на каждой мачте устанавливают соответствующий датчик наблюдения. Допускается использование имеющихся высотных объектов. Поток излучения с каждого из обозреваемых участков региона поступает на плоское сканирующее зеркало оптической камеры панорамного наблюдения соответствующего датчика наблюдения пожарной обстановки, поворотное зеркало, объектив, в качестве которого может быть использовано сферическое зеркало, которым фокусируется на чувствительный элемент приемника ИК-излучения, где преобразуется в электрический сигнал, который, пройдя через аналого-цифровой преобразователь, в виде цифровой информации интерфейсом через канал связи передается на систему визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения. Для управления датчиком наблюдения (включение и выключение датчика) канал связи выполняется двухсторонним. Для сканирования контролируемой области сканирующее зеркало оптической камеры датчика наблюдения соединено с двигателем вращения двумя независимыми кинематическими связями, первая из которых обеспечивает одностороннее круговое движение сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, вторая – качание сканирующего зеркала в пределах угла от 0 до 45° к азимутальной плоскости.

Для формирования изображения контролируемого пространства в системе визуального отображения и определения азимутальных координат очага пожара на этапе обработки в датчике наблюдения имеются два оптоэлектронных датчика углового положения сканирующего зеркала, электрически связанные с аналого-цифровым преобразователем датчика наблюдения. Датчики формируют импульсы строчной и кадровой развертки, первый датчик – признак нахождения сканирующего зеркала в положении, когда азимутальный угол равен 0°, второй – нахождения сканирующего зеркала в одном из крайних положений, т.е. при максимально возможном отклонении от азимутальной плоскости на 45°. Формирование импульсов на выходе датчиков осуществляется дисками с радиальными прорезями, жестко закрепленными на выходных элементах кинематических связей. Система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения анализирует уровни сигналов с датчиков наблюдения и в случае возникновения очага возгорания в зоне обзора одного из датчиков выводит информацию о наличии возгорания, номер датчика и координаты очага пожара на местности. Устройство обеспечивает обновление информации с цикличностью 10-30 минут и хранение информации съемки предыдущего цикла обзора. Заявленное устройство не требует непрерывного анализа изображений с датчиков, что облегчает труд оператора и позволяет вести автоматический контроль за пожарной обстановкой на обширной территории с единого пункта минимальным персоналом. Устройство позволяет также при обнаружении очага пожара проанализировать оператору ситуацию визуально по изображению на мониторе и в дальнейшем вести визуальный мониторинг его развития.

Для случая выполнения оптической камеры, когда в нее после сканирующего зеркала включена вторая оптическая система отображения пожарной обстановки, работа заявленного устройства заключена в следующем. Вторая оптическая система отображения пожарной обстановки устанавливается после сканирующего зеркала и состоит из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива и одноэлементного приемника излучения, чувствительность которого находится в видимом диапазоне спектра, и оптически связана со сканирующим зеркалом, причем оптические оси первой и второй оптических систем отображения параллельны. Вторая оптическая система формирует второй поток информации о пожарной обстановке в регионе, передаваемый по линии связи в систему визуализации, хранения и управления датчиком наблюдения. Формирование второго потока информации позволяет обнаружить дымовые шлейфы от очагов пожаров в дневное время суток, что повышает надежность работы устройства, так как позволяет при анализе информации полученной в ИК-диапазоне спектра получить дополнительный признак о наличии очага пожара в контролируемой датчиком области, а также зарегистрировать очаг пожара в случае его затенения (рельефом местности, растительностью, объектами инфраструктуры и т.д.), когда поток излучения регистрироваться в ИК-диапазоне спектра не будет. Система визуального отражения пожарной обстановки осуществляет также сравнение информации от первого и второго приемников излучения устройства и при попадании в оптическую систему датчика наблюдения прямого или отраженного солнечного излучения исключает возможность ложного срабатывания. Для формирования изображения контролируемого пространства в системе визуального отображения и определения азимутальных координат очага пожара на этапе обработки в датчике наблюдения имеются два оптоэлектронных датчика углового положения сканирующего зеркала, электрически связанные с аналого-цифровым преобразователем датчика наблюдения. Датчики формируют импульсы строчной и кадровой развертки, первый датчик – признак нахождения сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, т.е. в положении, когда азимутальный угол равен 0°, второй – нахождения сканирующего зеркала в одном из крайних положений при отклонении на угол 45° от азимутальной плоскости. Формирование импульсов на выходе датчиков осуществляется дисками с радиальными прорезями, жестко закрепленными на выходных элементах кинематических связей.

Для случая выполнения оптической камеры, когда в нее после сканирующего зеркала включена третья оптическая система отображения пожарной обстановки, работа заявленного устройства заключена в следующем. В первую оптическую систему отображения пожарной обстановки перед приемником ИК-излучения устанавливается фильтр, имеющий зону пропускания в диапазоне от 2 до 5 микрометров, что ограничивает спектральный диапазон чувствительности первой оптической системы отображения, но сохраняет ее назначение – обнаружение очагов пожаров, а для формирования потока информации в спектральном диапазоне от 7 до 12 микрометров после сканирующего зеркала устанавливается третья оптическая система отображения пожарной обстановки, оптически с ним связанная и состоящая из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива, фильтра, имеющего зону пропускания от 7 до 12 микрометров, и второго одноэлементного ИК-приемника излучения, причем оптические оси первой и третьей оптических систем отображения параллельны. Третья оптическая система формирует третий поток информации о пожарной обстановке в регионе, передаваемый по линии связи в систему визуализации, хранения и управления датчиком наблюдения. Наличие третьего потока информации и сравнение его с первым потоком информации повышает надежность работы устройства (исключается возможность ложного срабатывания устройства из-за температурной неоднородности в зоне мониторинга), так как позволяет получить второй дополнительный признак о наличии очага пожара в контролируемой области, а именно обнаружить объекты, не являющиеся очагами пожаров, но формирующие в диапазоне от 2 до 5 микрометров высокие уровни потоков излучения, соизмеримые с потоками от очагов пожаров. Для формирования изображения контролируемого пространства в системе визуального отображения и определения азимутальных координат очага пожара на этапе обработки в датчике наблюдения имеются два оптоэлектронных датчика углового положения сканирующего зеркала, электрически связанные с аналого-цифровым преобразователем датчика наблюдения. Датчики формируют импульсы строчной и кадровой развертки, первый датчик – признак нахождения сканирующего зеркала в положении, когда азимутальный угол равен 0°, второй – нахождения сканирующего зеркала в одном из крайних положений при максимальном отклонении на угол 45°. Формирование импульсов на выходе датчиков осуществляется дисками с радиальными прорезями, жестко закрепленными на выходных элементах кинематических связей.

Формула изобретения

1. Устройство круглосуточного обнаружения и мониторинга развития очагов пожаров в регионе, содержащее датчик наблюдения пожарной обстановки, расположенный на мачте, систему визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения, связанную с датчиком наблюдения через канал связи, при этом датчик наблюдения включает оптическую камеру панорамного наблюдения, интерфейс передачи информации и блок питания камеры и интерфейса, оптическая камера содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой плоское сканирующее зеркало, объектив, поворотное зеркало, приемник ИК-излучения и аналого-цифровой преобразователь, при этом сканирующее зеркало соединено с двигателем вращения двумя независимыми кинематическими связями, первая из которых обеспечивает одностороннее круговое движение сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, вторая – качание сканирующего зеркала в пределах угла от 0 до 45° к азимутальной плоскости, в качестве объектива камеры использовано сферическое зеркало, а приемник ИК-излучения имеет один чувствительный элемент, также камера содержит два оптоэлектронных датчика углового положения сканирующего зеркала, оптически связанных с выходными элементами кинематических связей и формирующих в аналого-цифровом преобразователе датчика наблюдения импульсы строчной и кадровой развертки, первый при нахождении сканирующего зеркала в азимутальной плоскости, второй – при нахождении зеркала в одном из крайних положений при отклонении на 45° к азимутальной плоскости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит, по крайней мере, два аналогичных датчика наблюдения, каждый из которых установлен на соответствующей мачте и связан через канал связи с системой визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав оптической камеры после сканирующего зеркала включена вторая оптическая система отображения пожарной обстановки, состоящая из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива и одноэлементного приемника излучения, чувствительность которого находится в видимом диапазоне спектра, при этом вторая оптическая система оптически связана со сканирующим зеркалом, причем оптические оси первой и второй оптических систем отображения параллельны.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что перед приемником ИК-излучения установлен фильтр, имеющий зону пропускания в диапазоне от 2 до 5 мк, а в состав оптической камеры после сканирующего зеркала включена третья оптическая система отображения пожарной обстановки, состоящая из последовательно установленных и оптически связанных поворотного зеркала, объектива, фильтра, имеющего зону пропускания от 7 до 12 мк, и второго одноэлементного ИК-приемника излучения, при этом третья оптическая система оптически связана со сканирующим зеркалом, причем оптические оси первой и третьей оптических систем отображения параллельны.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиками наблюдения на основе полученной с датчика или датчиков наблюдения информации и данных датчиков положения сканирующего зеркала обнаруживает очаги пожара и определяет их координаты в зоне обзора датчика наблюдения.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения на основе информации с ИК-приемника излучения и данных датчиков положения сканирующего зеркала, автоматически обнаруживает очаги пожара и определяет их координаты в зоне обзора датчика наблюдения, а на основе информации с приемника видимого диапазона спектра в дневное время суток автоматически обнаруживает дымовые шлейфы от очагов пожара, а также путем сравнения полученной информации от первого и второго приемников излучения исключает возможность ложного срабатывания устройства при попадании в устройство прямого и отраженного солнечного излучения.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что система визуального отображения пожарной обстановки, хранения информации и управления датчиком наблюдения автоматически обнаруживает очаги пожара и по данным датчиков углового положения сканирующего зеркала их координаты в зоне обзора датчика наблюдения, причем путем сравнения полученной информации с первого и второго ИК-приемников излучения исключается возможность ложного срабатывания устройства из-за температурной неоднородности в зоне мониторинга, а на основе информации с приемника видимого диапазона спектра в дневное время суток автоматически обнаруживает дымовые шлейфа от очага пожара, а также путем сравнения полученной информации от первого и второго приемников излучения исключает возможность ложного срабатывания устройства при попадании в устройство прямого и отраженного солнечного излучения.

РИСУНКИ