14 декабря 2009 г.

Раннее обнаружение лесных пожаров методами физики элементарных частиц

Наверно многие знают (ну или догадываются), что даже такая "высокоумная" область физики как физика элементарных частиц время от времени выдает в качестве побочных продуктов новые технологии. Технологии, которые вряд ли стали бы развиваться, не будь конкретных задач в физике элементарных частиц. И эти технологии потом используются для совершенно прикладных задач и даже находят примерения в повседневной жизни. Например, ускорители и детекторы уже давно и разнообразно применяются в медицине и материаловедении. В том же ЦЕРНе есть целые подразделения, которые занимаются адаптацией наработанных технологий для практического применения (по-английски это называется "technology transfer").

Похоже, что в ближайшие годы детекторы элементарных частиц начнут использоваться еще для одной очень практической задачи -- для раннего обнаружения лесных пожаров.

Суть тут такая. Про лесные пожары, их жертвы и ущерб (особенно в густонаселенных районах типа южной Европы или Калифорнии) все в курсе -- СМИ пишут про них каждое лето. С лесными пожарами борются, но этого совершенно недостаточно. Надо научиться обнаруживать очаги лесных пожаров сразу же после возгорания. Сейчас лесные пожары обнаруживают или по задымлению (спутниковые снимки или же автоматические наземные наблюдения), или с помощью ИК-датчиков, установленных например на аэропланах, которые совершают регулярные облеты опасных территорий.

Эта система, конечно, лучше, чем ничего, но ее эффективность оставляет желать лучшего. Пожар со спутников замечают, когда он охватывает площадь порядка 0,1 га, время реагирования от нескольких часов до суток. В дело еще вмешивается погода -- в облачную погоду спутники бесполезны, а при ясном небе палящее Солнце может забивать ИК-сигнал от пожара. Вдобавок, при автоматической обработке снимков иногда случаются ложные срабатывания.

Так вот. Для детектирования лесных пожаров на самой ранней стадии предполагается в лесу расставить компактные, автономные и дешевые (порядка сотни евро) детекторы УФ-излучения. Просто, скажем, прибив их на деревья через каждый километр. Конечно для Сибири это непрактично, но для Италии или Греции стоимость получается вполне разумная (ушерб от пожаров там исчисляется в сотни млн. евро в год плюс жизни людей). Такая сеть детекторов засекает пламя, когда оно только-только начинает разгораться, и тут же посылает сигнал в центр.

Казалось бы, при чем тут ультрафиолет? На самом деле, очень при чем. Практически любое открытое пламя излучает довольно широкий спектр, в том числе в УФ области с длинами волн 160-250 нм. Но солнечный свет в этой области как раз поглощается озоновым слоем, так что Солнце тут совершенно не мешает -- пламя в ультрафиолете видно даже в яркий солнечный день.

В принципе, УФ-детекторы открытого пламени и так уже существуют и доступны в продаже; при чем тут физика элементарных частиц? При том, что для ее нужд уже давно были разработаны компактные датчики отдельных УФ фотонов (ведь в ФЭЧ на счету каждый фотон!), которые намного чувствительнее коммерчески доступных аналогов. Поэтому дело осталось за малым -- адаптировать эту технологию под регистрацию пламени и оптимизировать стоимость для массового производства.

И что интересно -- это вовсе не фантазии, это реально разрабатываемая сейчас технология. Два года назад я рассказывал про начало работ в этом направлении (см. новость Сверхчувствительный детектор пламени поможет бороться с лесными пожарами). Тогда был создан реальный прототип, который оказался примерно в тысячу раз более чувствительным, чем самые лучше коммерчески доступные детекторы. Скажем, по условиям стандарта детектор класса 1 обязан с расстояния 25 метров замечать пламя размерами 30x30x30 см. А новый детектор с такого расстояния замечает пламя обычной зажигалки!

А на днях мне попалась на глаза статья Progress in the development of a S-RETGEM-based detector for an early forest fire warning system в журнале Journal of Instrumentation (статья в свободном доступе). И оказывается, за два года был сделан заметный прогресс в разработке этих детекторов.

Во-первых, внутрь газонаполненной ячейки, которая срабатывает от попадания УФ фотонов, была добавлена решеточка из полосковых детекторов, которая детектирует координату ионизационной лавины, вызванной поглощенным фотоном. Благодаря ей удается не просто отловить фотоны, но и примерно определить направление их прилета.

Во-вторых, были проведены тесты в "полевых условиях". Детектировать зажигалку с 25 метров -- это конечно интересно, но в реальности надо будет детектировать пламя с расстояния порядка километра. Это не так тривиально экстраполируется, поскольку воздух не слишком прозрачен для УФ. Но ничего, на расстоянии около 1 км пламя размером примерно в кубометр было вполне заметно.

Почувствуйте разницу -- пожар площадью 0,1 гектара и время реагирования сутки (спутниковый анализ) или пожар площадью несколько кв. метров и время реагирования секунды!

Были также проведены длительные тесты по измерению деградации чувствительности детектора, по поиску удобных и дешевых материалов и т.д. Материалы нашлись, всё работает хорошо, так что в ближайшем будущем предполагается уже выходить непосредственно на производителей, и не исключено, что через несколько лет всё это начнет реально использоваться.

Ну и вообще, оказывается, газонаполненные детекторы сейчас активно совершенствуются и могут еще найти немало применений. Вот например небольшой недавний обзор этой технологии и ее применений Владимира Пескова, который активно ими занимается. А этим летом состоялась даже первая конференция по Micro Pattern Gaseous Detectors; материалы этой конференции как раз и появились недавно в журнале Journal of Instrumentation. Вроде бы, всё в открытом доступе.

11 комментариев:

  1. Анонимный14/12/09 05:51

    Датчик - это прекрасно, но помимо самих датчиков нужна и сигнальная сеть, в условиях леса - не самая простая задача.

    ОтветитьУдалить
  2. "в облачную погоду спутники бесполезны"

    Это зависит от того, в каком диапазоне частот они смотрят. При этом можно использовать и радар, работая на нужной частоте. У пламени, кстати, несколько иная электропроводность, нежели у воздуха и окружающих предметов, что может вполне способствовать его обнаружению с помощью электромагнитных волн (возможно, вплоть до радиоволн). Но это лишь теоретические предположения, практических подтверждений у меня нет. Я не специалист в этом вопросе.

    "Пожар со спутников замечают, когда он охватывает площадь порядка 0,1 га, время реагирования от нескольких часов до суток."

    А эти цифры откуда? И уж по крайней мере какой-нибудь не самый быстрый супер-компьютер наверняка обрабатывает картинки быстрее.

    ОтветитьУдалить
  3. Спутники в основном по задымлению смотрят.

    Дело не в обработке, а в получении. Примерно сутки-двое нужно для обновления базы спутниковых снимков потенциально опасных территорий.

    Данные из вот этой статьи: ftp://fas.sfu.ca/pub/cs/TR/2007/CMPT2007-08.pdf

    ОтветитьУдалить
  4. Спасибо за ссылку, но я бы не стал доверять одной статье заинтересованного автора. К тому же там говорится всего о двух спутниках, хотя их должно быть гораздо больше. Например,

    http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Earth_observation_satellites

    И облака с дождём для микроволн - не помеха, если не ошибаюсь.

    ОтветитьУдалить
  5. Может быть, я дальше не искал про спутники. Так или иначе, печальный опыт показывает, что пожары вовремя заметить и среагировать на них пока не удается.

    ОтветитьУдалить
  6. Впрочем, у меня тут конечно только однобокая статистика, т.к. я не знаю, какой процент лесных пожаров удалось предотвратить.

    ОтветитьУдалить
  7. В оптике в лесу со 100 метров мало что видно, а они хотят с километра. Они эксперимент ставили в лесу, или в чистом поле?

    ОтветитьУдалить
  8. Кстати сказать, не обязательно спутники. Например, в систему предупреждения о ракетном нападении входят РЛС (в том числе загоризонтные). Они как раз фиксируют факел от ракеты, который гораздо меньше 0.1 га.

    http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%BE_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%BC_%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B8

    http://en.wikipedia.org/wiki/Early_warning_radar

    ОтветитьУдалить
  9. Радары думаю соверщенно неперспективны, т.к. на низкой высоте очень много помех и ложных целей. Это одна из причин, почему низкоскоростные крыллатые ракеты всё ещё на вооружении: их не видно радаром, когда они летят, образно говоря, сшибая белок с верхушек деревьев. Детектируются легко баллистические ракеты, но они летают очень высоко, порядка 1000км.

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный15/4/11 13:45

    Добрый день, что Вы скажете про средне-волновой ИК-диапазон 3-5 мкм? Например, система Голден Ай рижской компании MV Group обнаруживает с помощью Ик-приемника и телескопа пожар объемом 3 куб.м на расстоянии 15 км. Кузнецов Олег Юрьевич +79873965824 Olkuz2000@mail.ru

    ОтветитьУдалить
  11. Это была реклама? :) Описанный вами метод использует ИК (и поэтому возникают проблемы с солнечной засветкой), а также направленное детектирование. Если перед детектором сидит оператор, который оперативно может наводить телескоп на подозрительную точку, то хорошо, но если вам требуется в автономном режиме мониторить сразу все направления, то непонятно, чем телескоп тут поможет.

    ОтветитьУдалить