应急管理部天津消防研究所助理研究员李紫婷借助中智科仪自主研发的逐光TRC411像增强相机，近期以“基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术”为题发表在“消防科学与技术”期刊上。

1、研究背景

消防救援人员在进行建筑火灾扑救处置时，常需要开展内攻灭火和救援，但由于火灾热烟气在建筑物内的蔓延与积聚，建筑内烟气的浓度往往较高、环境能见度较差，且着火空间内的高亮火焰会造成“视盲”效果，使得消防救援人员在开展建筑内被困人员搜救、危险物品与环境探察等工作时存在较大困难。

目前，现有的侦察救援装备强光手电和便携式红外热成像仪，在内攻搜救侦察工作中，对低温烟雾有着重要的辅助作用，但是面对火焰和高温烟热时就无法看清火焰周围及背后的物体了。而基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术是一种先进的光电探测技术，其核心是脉冲光源和门控型光电探测器。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，从而排除绝大多数火焰背向散射和环境光干扰，实现时间/距离分辨的目标探测。其克服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、不受环境光源影响的优点。

利用中智科仪自主研发的逐光TRC411像增强相机配套860nm激光光源，基于激光距离选通技术，开展了木垛火、正庚烷火透火试验和密封空间透烟试验，解决了目前火场侦察装备由于表/界面反射、背向散射严重而无法穿透火焰浓烟的难题，提高救援人员大火浓烟以及夜间环境下初战控火、快速内攻及人员搜救能力。

2、实验方法

利用中智科仪TRC411像增强相机及定制品18合一860nm半导体激光光源作为核心设备，通过在光源前放置准直器，调整不同目标距离处的光束直径。目标背景反射光由光学镜头收集，经中心波长863nm、透光率为90%、带通范围为10nm的滤光片滤光后，进入像增强相机。通过控制系统调节相机与目标距离、火焰纵深、曝光档位、相对延迟、激光器脉宽、重频、增益、burst等成像参数对成像效果进行优化。

3、实验结果

透火成像实验：   透火成像实验中，分别开展了木垛火、正庚烷火透火试验。木垛火透火试验采用2个0.5m×0.5m×0.5m的立方体木垛竖直堆叠放置，点火形成较高火焰；庚烷火透火试验采用直径1.5 m的油盘盛入15 L正庚烷点火。相关设备参数设置具体如下：

透火试验结果：木垛火透火成像试验：通过试验可以得到，像增强器配合860 nm光源透火效果更佳，在光源强度可以压制火焰辐射时，快门开关比高可以更好地抑制火焰的散射信号和直接辐射信号。通过对比图3(b）中的穿透效果可以看出，光束能量越集中，火焰穿透效果越好，而且只要确保火焰所在空间不被相机选通，目标距离几乎不影响火焰抑制效果。正庚烷火透火成像试验：试验过程中，由于正庚烷火相较木垛火产烟量大，因此穿透效果相较木垛火较差。同理，油盘内庚烷量越多，同等条件下透火透烟成像效果越差，并且通过提升脉冲激光峰值功率，穿透效果提升有限，存在局部无法穿透的现象，说明限制穿透效果来自烟，并非峰值功率低。

2. 透烟试验

透烟试验在室内密封环境中开展，烟饼放置位置避开光路，点燃烟饼等待烟气弥漫，烟从房间顶部逐渐弥漫分散到房间地面，直到烟弥漫近乎均匀，如图5(a），此时人眼能见度约0.9 m（以目标从隐约可见到刚好消失时的距离作为人眼能见度，参考视力为5.0）。将观察目标放置于光源和门控像增强相机正前方，相关设备参数设置具体如下：

透烟试验结果：（1）当按照表3参数试验时，可穿透烟雾距离最远。然而由于激光在烟中形成的丁达尔效应较为明显，且亮度较高，导致目标在视频中整体颜色偏黑，目标身上对比度较低。为了提升目标局部对比度，需要将亮度较高的部分移出镜头视野，得到测试效果如图5(b）所示。（2）由于烟饼产生的烟雾和实际火灾产生的烟雾成分、粒径等不尽相同，实际燃烧产生的烟雾多由于燃烧不完全，内含大量的碳颗粒，粒径不均匀，导致脉冲光源发出的激光被大量散射和吸收，从而限制了透烟的成像效果。下一步需通过改用调Q激光光源等方法提高激光脉冲能量，同时提升快门开关比，进而有效增强距离选通成像的透烟效果。

4、论文链接

消防科学与技术(期刊)：基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术(论文题目)。论文链接： 基于激光距离选通成像的透火透烟侦察技术 - 中国知网 (cnki.net)

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。