逐光TRC411像增强相机—天津消防研究所—利用激光选通成像技术进行透火透烟雾成像

　　1、研究背景

　　消防救援人员在进行火灾扑救处置时，常需要开展内攻灭火和救援，但由于火灾热烟气的蔓延与积聚，环境能见度较差，且着火空间内的高亮火焰亦会造成“视盲”效果，使得消防救援人员在开展建筑等场景内被困人员搜救、危险物品与环境探察等工作时存在较大困难，尤其是对于高层建筑火灾和地下空间火灾。高层建筑火灾的火势和热烟气传播蔓延快，地下空间火灾的起火点隐蔽、烟气难扩散易积聚，这些都是导致火灾扑救和人员疏散、救援困难的原因，也是导致火灾伤亡的重要因素。目前，消防救援队伍在开展建筑火灾内攻灭火和救援工作时使用的侦察装备主要是强光手电和便携式红外热像仪。然而，强光手电对烟雾的穿透能力有限，在高浓度烟雾环境下的应用效果欠佳。红外热像仪对低温烟雾有一定的穿透效果，在确定着火位置、判断火势蔓延方向、温度检测等火场侦察中起到了重要的辅助作用，但火焰和高温烟气可导致红外探测器“失明”，无法看清火焰周围及背后的物体。综上所述，在消防救援过程中由于大火浓烟环境下能见度极低而造成消防员搜救、施救困难甚至丧生是救援过程中无法避免的情况，已成顽疾。激光主动照明成像系统由于作用距离远，同时可以消除大气后向散射，近年来得到各国军方的高度重视，其发展很快。该系统可以在夜晚等低照度、可见度差的复杂条件下获取目标的图像信息，相同的口径下，与中波、长波红外热像仪相比对环境细节抓取能力强，具有一定的穿透能力，可以实现火焰、烟雾、浓雾、雨天等能见度差的环境下的目标搜寻。

　　普通建筑火场的发光光谱在可见光波段能量较强，甚至远远超过探测目标(如被困人员)的反射能量，极易造成过度曝光，无法分辨探测目标和背景火光，即使最灵敏的微光系统也不能提供足够的分辨率，很难穿透火场实现目标识别，激光距离选通成像技术作为一种激光主动成像技术，突破了被动成像受恶劣环境影响等缺点，能够实现夜间、浓雾等条件下的透火透烟成像，具有成像清晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。该技术是通过距离选通来降低背景火光的影响，从而提高成像对比度。典型激光距离选通透火成像系统以脉冲光源和门控型光电探测器为核心，通过控制脉冲光源和门控型光电探测器的时序同步，以及门控型光电探测器的开门时刻和选通宽度，使目标回波脉冲恰好在光电探测器开启的时刻到达光电探测器，从而排除绝大多数背向散射和环境光干扰，实现时间/距离分辨的目标探测。

　　2、透火测试

　　图1、透火测试方案示意图

　　透火测试方案如图1所示：

　　1). 将2个1A木垛堆叠放置，从而形成较高火焰;

　　2). 相机距离为12m，火场纵深约1.5m，目标距离分别为3米、19米、38米，将激光准直器角度设置到最小(约3度)，在目标处形成直径约1.5m光斑。

　　3). 高功率脉冲激光器工作在外触发模式，将相机的外触发输出端口连接至激光器的触发输入端口，利用相机触发激光输出;

　　4). 利用延时推扫功能，通过分析强度曲线分别确定目标距离分别为3米，19米，38米时激光出光时间与相机开门时间之间的延迟;

　　5). 针对不同目标距离，优化门宽、增益、延时等相机参数，至成像最清晰。

　　测试结果：

　　图2、目标距离为3米(左)、19米(中)、38米(右)时的透火成像效果

　　1). 目标距离分别为3米，19米，38米时激光出光时间与相机开门时间之间的延迟分别为：172ns、268ns、448ns;

　　2). 相机增益设定为2,000，burst数设置为100，对于3m处目标，使用门宽20ns，脉宽20ns，重频50kHz，透火成像效果如图2(左);对于19m和38m处目标，使用门宽50ns，脉宽150ns，重频8kHz，透火成像效果如图2(中)和(右)。

　　3、透烟测试

　　图3、透火测试方案示意图

　　透烟测试方案如图3所示：

　　1). 测试环境为室内密闭环境，将目标放置于相机和光源正前方，点燃烟饼等待烟饼烟弥漫，直至烟从房间顶部逐渐弥漫分散到房间地面，此时相同高度相同视角的可见光相机无法观测到目标时判定为烟弥漫近乎均匀，此时能见度约0.9m;

　　2). 将目标与相机距离设置为2.7m;

　　3). 高功率脉冲激光器工作在外触发模式，将相机的外触发输出端口连接至激光器的触发输入端口，利用相机触发激光输出;

　　4). 优化门宽、增益、延时等相机参数，至成像最清晰;

　　测试结果

　　将Gate门宽设定为20ns，增益设定为2,000，重频设定为8kHz，burst设置为50，激光脉宽设置为150ns;调整Gate延迟，Gate延迟约47ns时，可穿透烟雾距离最佳，现场如图4所示，穿透结果如图4所示。

　　图3 不同距离处实际场景拍摄结果

　　图4、能见度0.9米，目标距离为2.7米时透烟成像效果

　　4、成果结论

　　利用中智科仪自主研发的“逐光”系列IsCMOS时间分辨像增强相机和高功率脉冲激光器配合，组成一套距离选通成像系统，分别对火焰和浓烟后面的目标进行探测成像。借助相机的超短光学门宽和高时序精度，可以清晰拍摄高温火焰后不同距离的目标;对于浓烟环境内的目标，利用该系统时有效成像探测距离相对普通目视距离有3倍以上的增视效果。以上测试证明，中智科仪“逐光”系列IsCMOS时间分辨像增强相机的各项参数完全满足距离选通成像技术的应用需求，在火灾救援、水下搜救、逆强光监控、隐秘侦查等领域具有重要的应用价值。

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　　5、解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

　　1. 500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

　　2.超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　3.精准的时序控制

　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　4. 创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。