为针对责罚大火浓烟环境下的能见度极低形成的消防员搜救难、施救难的近况，救急照拂部天津消防盘考所已在近几年依托多个科研技俩开展了盘考，旨在不错用新技巧、新产物来提无际火浓烟下以及夜间环境下初战控火、快速内攻及东谈主员搜救才调。

终于在2023年对于激光距离选通成像方面的透火旁观技巧考证成效，并与卡亚外洋成效矍铄专利配合条约后，由卡亚外洋进行行业应用滚动试验使命。

消防员不错把握这项新技巧装备完毕火场旁观对大火浓烟后的受困东谈主员、行进中台阶、凹下、禁绝物、垂直墙面等细节信息的“消火消烟”可视化旁观，责罚了火场旁观中由于烟雾可见度差形成的搜救难、易踩空、颠仆、迷途等以及由于火焰高亮度导致的装备致盲、东谈主眼实力受阻的难题。

裁剪

对于这项激光距离选通成像的透火旁观技巧的盘考论文全文如下：

基于激光距离选通成像的透火透烟旁观技巧

李紫婷 1,2,3 , 储玉喜 1,2,3 , 陈 晔 1,2,3

（1. 救急照拂部天津消防盘考所，天津 300381；2. 工业与民众建筑失火防控技巧救急照拂部要点实验室，天津300381；3. 天津市消防安全技巧要点实验室，天津 300381）

节录：针对大火浓烟环境下能见度极低而形成消防员搜救、施救勤奋的近况，残酷了基于激光距离选通成像的火场透火透烟旁观技巧，开展了木垛火、正庚烷火透火实体老师和密闭空间透烟老师，可完毕纵深 1.5 m 火焰的穿透、浓烟环境下能见度进步 3 倍，责罚了现在由于表/界面反射、背向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题。基于老师收尾，推敲了距离选通成像在消防可视化旁观及搜救中的应用远景，进一步明确了该盘考限制昔日的发展标的。基于激光距离选通成像技巧研发的火场旁观搜救装备，可为消防转圜东谈主员开展建筑受限空间失火的内攻转圜及撤回提供“透视眼”，有望切实提无际火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及东谈主员搜救才调。

要道词：透火成像；透烟成像；消防旁观；激光

中图分类号：X932；TP242文件璀璨码：A

著述编号：1009-0029（2023）09-1201-04

消防转圜东谈主员在进行建筑失火扑救处置时，常需要开展内攻熄灭和转圜，但由于失火热烟气在建筑物内的膨大与积蓄，建筑内烟气的浓度频频较高、环境能见度较差，且着火空间内的高亮火焰会形成“视盲”收尾［1］，使得消防转圜东谈主员在开展建筑内被困东谈主员搜救、危急物品与环境侦视等使命时存在较大勤奋。

现在，消防转圜队伍在开展建筑失火内攻熄灭和转圜使命时使用的旁观装备主若是强光手电和便携式红外热像仪。但是，强光手电对烟雾的穿透才调有限，在高浓度烟雾环境下的应用收尾欠佳。红外热像仪对低温烟雾有一定的穿透收尾，在笃定着火位置、判断火势膨大标的、温度检测等火场旁观中起到了首要的援手作用，但火焰和高温烟气可导致红外探伤器“失明”，无法看清火焰周围及背后的物体，如图 1 所示。因此，消防转圜队伍现在亟须不错高效穿透烟雾和火焰的火场旁观搜救装备，以提高其对建筑失火，终点是高层、地下空间失火的初战控火、快速内攻和东谈主员搜救才调。

跟着激光技巧、电子技巧以及光电探伤技巧的发展，激光成像技巧不休发展［2-5］，频年来受到国表里的平庸饶恕。但是，与消防转圜关连的透火穿烟成像技巧却鲜有报谈。从技巧方面，距离选通成像技巧、红外数字全息技巧、立体红外视觉系统以及禁绝物激光成像技巧［6-10］都有望完毕消防转圜中的透火透烟可视化旁观。其中，红外数字全息技巧由于领受干预测量的步履，使其只顺应于在固定位置安装；立体红外视觉系统的准确性会跟着探伤距离的增多而镌汰，全分辨率的图像处理可能需要几秒钟，无法完毕及时成像；禁绝物激光成像技巧需要对图像进行分析优化，终点是在消防应用中需自动处理视频序列，并对物体进行智能分类，因此盘算量弘大，实用性相对较差。

裁剪

笔者主要先容基于激光距离门成像的火场透火透烟旁观技巧，开展了木垛火、正庚烷火透火实体老师和密闭空间透烟老师，责罚了现在火场旁观装备由于表/界面反射、背向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题，提高转圜东谈主员大火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及东谈主员搜救才调。

1 激光距离选通技巧

无边建筑火场的发光光谱在可见光波段能量较强，以至远远朝上探伤看法（如被困东谈主员）的反光能量密度，极易形成可见光成像的曝光过度，无法分辨探伤看法和配景火光，即使最机灵的微光电视系统也不成提供富足的分辨率，很难穿透火场完毕看法识别，激光距离选通成像技巧动作一种激光主动成像技巧，冲破了被迫成像受恶劣环境影响等污点，冒失完毕夜间、浓雾等条款下的透火透烟成像，具有成像明晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。该技巧是通过距离选通（等效为曝光时间选通）来镌汰配景火光的影响，从而提高成像对比度。典型激光距离选通透火成像系统如图 2 所示，以脉冲光源和门控型光电探伤器为中枢，通过抵制脉冲光源和门控型光电探伤器的时序同步，以及门控型光电探伤器的开门时刻和选通宽度，使看法回波脉冲赶巧在光电探伤器开启的时刻到达光电探伤器，从而摈弃绝大多数火焰背向散射和环境光干豫，完毕时间/距离分辨的看法探伤。为了优化激光距离选通技巧在果然火场中的透火穿烟才调，救急照拂部天津消防盘考所针对木垛、正庚烷火焰开展了实体火透火成像老师。

裁剪

2 激光距离选通透火透烟老师

2.1 老师条款

距离选通成像老师安设如图 3 所示，脉冲光源领受 18 合一 860 nm 半导体激光光源，光源前放弃准直器，用于诊治不同看法距离处的光束直径，看法背向反射的激光信号由光学镜头收罗，经中心波长为 863 nm、透过率为 90%、带通界限为 10 nm 的滤波片滤光之后，参加像增强器，通过抵制系统蜕变相机与看法距离、火焰纵深、曝光档位、相对蔓延、激光器脉宽、重频、增益、burst 等成像参数对成像收尾进行优化。

裁剪

2.2 透火成像老师

木垛火透火老师领受 2 个 0.5 m×0.5 m×0.5 m 的立方体木垛竖直堆叠放弃，点火形成较高火焰，火焰纵深 0.7 m。激光脉冲光源输出波长为 860 nm，门控像增强相机领受高量子遵守低噪声的 GaAs 像增强器，光学门宽为500 ps，像增强器反映界限 500～900 nm。如图 4（a）所示，激光脉冲光源和门控像增强相机距离火焰 12 m，火焰距离待不雅测看法预设在 3、19、38 m，此时蔓延辞别为 172、 268、448 ns。蜕变准嫡系统在看法处形成直径约 1.5 m 光斑，burst 开导为 100，增益设定为 2 000。通过蜕变门宽进行推扫，阐述当看法强度处于最大值时，木垛所对应像素

区域平均强度为 1。对于 38 m 和 19 m 处看法，当门控像增强相机使用门宽为 50 ns，激光脉冲光源脉宽 150 ns、重频 8 kHz 时，取得最佳穿透收尾，如图 4（b）和图 4（c）所示，对于 3 m 处看法，当门控像增强相机门宽为 20 ns，激光脉冲光源脉宽 20 ns、重频 50 kHz 时，取得最佳穿透收尾，如图 4（d）所示。

裁剪

通过老师不错取得，像增强器配合 860 nm 光源透火收尾更佳，在光源强度不错压制火焰发射时，快门开关比高不错更好地禁绝火焰的散射信号和径直发射信号。通

过对比图 4（b）中的穿透收尾不错看出，光束能量越贯串，火焰穿透收尾越好，而且只好确保火焰方位空间不被相机选通，看法距离简直不影响火焰禁绝收尾。

庚烷火透火老师领受直径 1.5 m 的油盘盛入 15 L 正庚烷点火，火焰纵深约 1.5 m，火焰如图 5（a）所示，激光脉冲光源领受 860 nm 激光器光源，门控像增强相机领受高量子遵守低噪声的 GaAs 像增强器，光学门宽为 500 ps，像增强器反映界限 500～900 nm。相机距离火焰 12 m，火焰纵深约 1.5 m，在看法处形成直径约 1 m 光斑，burst 开导为 10，增益设定为 2 000。将看法距离预设在 19 m 处进行推扫，阐述当看法强度处于最大值时，庚烷所对应像素区域平均强度为 1，记载此时蔓延为 268 ns。对于 19 m 处看法，门宽 20 ns，使用脉宽 20 ns、访佛频率 50 kHz 和脉宽150 ns、访佛频率 8 kHz 两组参数时，取得穿透收尾辞别如图 5（b）和图 5（c）所示。

老师经过中，由于正庚烷火相较木垛火产烟量大，因此穿透收尾相较木垛火较差。同理，油盘内庚烷量越多，同等条款下透火透烟成像收尾越差，况且通过进步脉冲激光峰值功率，穿透收尾进步有限，存在局部无法穿透的风光，讲明限制穿透收尾来自烟，并非峰值功率低。

2.3 透烟老师

透烟老师在室内密封环境中开展，烟饼放弃位置避让光路，燃烧烟饼恭候烟气弥散，烟从房间顶部冉冉弥散逸步到房间大地，直到烟弥散近乎均匀，如图 6（a），此时东谈主眼能见度约 0.9 m（以看法从贫苦可见到刚好消释机的距离动作东谈主眼能见度，参考眼力为 5.0）。将不雅察看法放弃于光源和门控像增强相机正前线，相机距离看法为 2.7 m，将 Gate 门宽设定为 20 ns，增益设定为 2 000。将准直器缩束到最小发散角度，激光脉冲访佛频率设定为 8 kHz，burst 开导为 50。当激光脉宽开导为 150 ns，诊治 Gate 蔓延，Gate 蔓延约 47 ns 时，可穿透烟雾距离最远，但是由于激光在烟中形成的丁达尔效应较为较着，且亮度较高，导致看法在视频中举座心机偏黑，看法身上对比度较低，为了进步看法局部对比度，需要将亮度较高的部分移出镜头视线，取得测试收尾如图 6（b）所示。

裁剪

裁剪

由于烟饼产生的烟雾和本体失火产生的烟雾身分、粒径等不尽疏通，本体废弃产生的烟雾多由于废弃不皆备，内含大批的碳颗粒，粒径不均匀，导致脉冲光源发出的激光被大批散射和罗致，从而限制了透烟的成像收尾，下一步需通过改用调 Q 激光光源等步履提高激光脉冲能量，同期进步快门开关比，进而有用增强距离选通成像的透烟收尾。

3 结 语

针对在消防转圜经过中由于大火浓烟环境下能见度极低而形成消防员搜救、施救勤奋以至丧生的近况，梳理了激光主动成像技巧近况，先容了激光距离选通成像技巧的上风，并开展了距离选通成像透火透烟实体老师，完毕了火焰纵深 1.5 m 的穿透收尾，在烟饼模拟的烟雾环境下能见度进步 3 倍。昔日将进一步优化基于距离选通技巧的透火透烟成像收尾，责罚现在火场旁观装备由于表/ 界面反射、背向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题，提无际火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及东谈主员搜救才调。

参考文件：

[1] 张学伟 .失火中烟雾对东谈主员的危害荒谬对策的推敲[J].消防科学与技巧,1990,9(1):20-21.

[2] GOHLER B, LUTZMANN P.Review on short - wavelength infrared laser gated-viewing at fraunhofer IOSB[J].Optical Engineering,2017, 56(3):031203.1-031203.19.

[3] 王书宇,艾磊,陶声祥,等 .便携式远距离激光选通成像系统盘考[J]. 武器装备工程学报,2018,39(9):166-170.

[4] 王寿增,孙峰,张鑫 .激光照明距离选通成像技巧盘考发扬[J].红外与激光工程,2008,37(S3):95-99.

[5] 李媛淼,孙华燕,郭惠超 .切片式及超分辨率激光三维成像近况[J].激光与红外,2019,49(4):395-402.

[6] STARR J W,LATTIMER B Y.A comparison of IR stereo vision and LIDAR for use in fire environments[C]//2012 IEEE Sensors.IEEE, 2012:1979-1982.

[7] FERRARO P.Infrared digital holography as new 3D imaging tool for first responders and firefighters: recent achievements and perspectives

[C]//Lasers & Electro-optics.IEEE,2014.

[8] BIANCO V, MAZZEO P L, PATURZO M, et al.Deep learning assisted portable IR active imaging sensor spots and identifies live humans through fire[J].Optics and Lasers in Engineering,2020.

[9] BIANCO V, PATURZO M, FINIZIO A, et al.Revealing fire survivors hidden behind smoke and flames by IR active imaging systems

[C]//International Carnahan Conference on Security Technology. IEEE,2014.

[10] KIM J H,STARR J W,LATTIMER B Y.Firefighting robot stereo infrared vision and radar sensor fusion for imaging through smoke[J]. Fire Technology,2015,51(4):823-845.

Technology of fire reconnaissance through fire and smoke based on laser range gate imaging

Li Ziting1,2,3 , Chu Yuxi1,2,3 , Chen Ye1,2,3

(1. Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM, Tianjin 300381, China; 2. Key Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and Public Building, Ministry of Emergency Management, Tianjin 300381, China; 3. Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology, Tianjin 300381, China)

Abstract: In view of the difficulty of firefighters′ search and rescue due to the extremely low visibility in the dense smoke environment of fires, we proposed a fire penetration and smoke detection technology based on laser range gate imaging, and carried out physical experiments on imaging through wood pallets, nheptane fires and smoke in confined spaces, which can image through 1.5 m longitudinal flame and improve the visibility in dense smoke environment by 3 times, solving the current problem that fires and smoke cannot be penetrated due to surface/interface reflection and serious backward scattering. Based on the experimental results, the application prospect of laser range gate imaging in firefighting visualization reconnaissance and rescue is discussed, and the future development direction of this research

field is further clarified. The future development of fire reconnaissance and rescue equipment based on laser range gate imaging technology provides "perspective eyes" for fire rescue personnel, which is expected to effectively improve the fire control, rapid internal attack and personnel rescue capabilities in the initial battle and night environment.

Key words: imaging through fire; imaging through smoke; fire reconnaissance; laser; laser range gate imaging