激光雷達——森林防火的新法寶

森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是地球上的基因庫、碳貯庫、蓄水庫和能源庫，對維系整個地球的生態(tài)平衡起著至關重要的作用。隨著全球氣溫的逐漸升高，空氣的干燥度越來越高，加上人為活動增多，林區(qū)可燃物逐漸增加，森林火災猛發(fā)、頻發(fā)的特點更為明顯。2019年和2020年，四川涼山發(fā)生了兩起森林火災，奪去了46位消防員的生命。四川省政府公告顯示，是預測不及時、風力陡增，風向突變等原因造成悲劇的發(fā)生。那么為了避免悲劇重蹈覆轍，如何才能及時、實時、準確地監(jiān)測森林火災呢？

圖1 熊熊燃燒的森林

森林火災發(fā)生時，煙是最顯著、最及時的信號，而風對火勢蔓延起決定性影響。為響應“科技引領、創(chuàng)新驅動”森林草原防滅火的工作要求，加快裝備轉型升級，有效提高森林草原防滅火效率，森林防火激光雷達應運而生，它能探測火災早期的煙、實時精確反演風場信息，完善現有森林火災監(jiān)測體系。

圖2 多普勒原理示意圖

激光雷達通過發(fā)射一束激光進行探測，當這束光碰到煙粒子時會被散射回來，并攜帶回煙的顆粒和速度信息。當探測風場時，會利用多普勒原理，如圖2所示，激光雷達發(fā)出的光碰到正在移動的氣溶膠，它散射回來的光的頻率會隨之發(fā)生變化，這樣就能知道它移動的最新信息。此外，激光雷達還可以對粒子的形狀進行識別，如圖3所示，霧粒子是圓乎乎的球形粒子，煙粒子則是細長的形狀，通過探測得到目標物的退偏比，退偏比越大，表明粒子越狹長，越小，其越圓潤。

圖3 煙霧粒子識別圖

激光雷達是個名副其實的千里眼，10km以內的早期煙霧，它看得清清楚楚；而且它轉動腦袋，就能實現三維空間的探測。它發(fā)射的光，也大有講究，因為發(fā)射的不是普通的光線，而是波長為1.5μm 的紅外光，對云霧有很強的穿透力。激光雷達是不折不扣的時間管理能手，因為它一秒鐘發(fā)射一萬束光，能快速洞悉煙和風的發(fā)展趨勢。它兢兢業(yè)業(yè)，能全天候24小時不間斷工作。

激光雷達喜歡登高望遠，日常工作地點是在森林防火瞭望塔上，或者是高的居民樓頂等，只要視野開闊，能提供持續(xù)充足的電，它就能不間斷穩(wěn)定地運行。它一般身披厚厚的鋁板，內部裝有水冷系統(tǒng)，能應對日常風吹日曬等情況。

作者所在的南京信息工程大學智能遙感工程研究院研制的森林防火激光雷達，在森林防火監(jiān)測中，發(fā)現一起由秸稈燃燒引起的森林火災，茫茫大霧能見度不足500m，視頻監(jiān)測儀無動于衷。而它仍能在5km外 ，看清火勢的一舉一動。它可以將探測的結果結合地圖實時呈現，并向消防工作人員匯報。它還赴四川西昌市進行功能驗證和性能測試，西昌市應急管理局邀請專家考察其的各項功能。現場進行了燒除計劃的監(jiān)測和試點現場的應急調度指揮，完成了5分鐘內發(fā)現早期著火點、火場風速風向監(jiān)測、煙霧和火勢擴散方向和范圍的預報。它為西昌市提高森林防火效率、精準研判森林火情和科學指揮火災撲救提供有力保障，為后期的綜合調度和實施決策賦予精準參照。

森林防滅火工作是事關人民群眾生命財產安全和國家生態(tài)安全的大事。一群氣象科研人員潛心向學、埋頭苦干、迎難而上、攻堅克難才將森林防火激光研制出來，并筑造起森林火災監(jiān)測鋼鐵長城。森林防火激光雷達的誕生，助力實現“打早、打小、打了”的目標，為消防員平安歸來提供保障，為祖國綠水青山貢獻科技力量。