基于成像激光雷达的夜间机场室外火灾探测方法研究

作     者：梁治政 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：但有全

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：成像激光雷达 火灾探测 信号处理 湍流大气激光传输数值模拟 气溶胶散射 

摘      要：机场火灾是严重威胁民航安全的重要因素,火灾探测无疑对保障机场安全运营极为重要。对于发生在夜间机场的室外火灾,有效的火灾自动探测手段目前仍然匮乏。因此,亟需发展新的火灾探测技术。 激光雷达因其探测精度高、探测距离远等诸多优势,在火灾探测应用上具有巨大的潜力。目前相关研究仍然较少,且已有的几类激光雷达火灾探测系统存在探测尺度过大、中短距离探测精度差、成本高和时间响应性差等不足。另一方面,成像激光雷达(Camera Lidar,CLidar)在探测零至数千米内的气溶胶方面具有独特优势。为此,本文设计并搭建了CLidar系统,开展了数据采集实验,CLidar火灾烟雾信号构建及其反演算法和CLidar信号提取算法等研究,以获得可适用于夜间机场室外环境的CLidar火灾探测方法。然后,为验证所得方法的正确性与可行性,首先,基于多层随机相位屏方法和米散射理论开展了CLidar火灾探测数值仿真实验;其次,开展了探测范围为千米级的外场实验,以进一步验证CLidar的火灾探测能力。本论文的主要研究结果包括: 1.在采集大量实验数据基础上,构建了以火灾烟雾气溶胶与背景大气气溶胶的相对比浓度为表征火灾烟雾信号的物理量,并根据CLidar方程推导出了相应的反演公式。 2.针对高斯拟合法在提取一维信号的过程中可能失效的问题,提出了一种结合叠加法和高斯拟合法的改进算法,解决了高斯拟合法在低信噪比情况下的失效问题。 3.在实验与理论工作基础上,提出了基于CLidar的夜间机场室外火灾探测方法。仿真实验结果表明,在近距离(20～100m)和远距离(200～800m)的情况下,CLidar均能有效探测到模拟火灾信号,反演的方位误差均在8%以内,验证了该方法的有效性。 4.外场实验结果表明,对于不同距离下由棉绳、木材(各0.25kg)的试验火所产生的小型火灾,CLidar均能在15s内成功探测到火灾信号,反演的方位误差均在7%以内,探测效果较好,从而验证了CLidar系统对不同距离不同火源的火灾探测能力。