孫麗崢

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淺析機載無線圖像傳輸系統(tǒng)在森林航空消防中的作用

孫麗崢

（河南省森林航空消防站，鄭州 450003）

分析了森林航空消防站所面臨的森林航空消防形勢和任務(wù)，提出了森林航空消防在綜合通信體系建設(shè)方面的規(guī)劃與實踐。闡述了基于森林防火直升機的多用途機載無線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以及該系統(tǒng)與省應(yīng)急衛(wèi)星通信體系完成對接后，將會對森林航空消防信息體系的影響。

森林航空消防；機載；無線圖傳

河南省森林航空消防站開展航空護林6個航期以來，始終堅持“增加有效飛行、發(fā)揮航護效益”的原則，積極應(yīng)對嚴峻的森林防火形勢，充分發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢，共計飛行713 h，256架次。全面凸顯“森林防撲火的尖兵優(yōu)勢”、“不可替代的空中優(yōu)勢”、“科技創(chuàng)新的技術(shù)優(yōu)勢”和“直接撲火的能力優(yōu)勢”等4大優(yōu)勢。特別是近幾年來，在國務(wù)院和國家林業(yè)局的正確領(lǐng)導(dǎo)下，在有關(guān)省（區(qū)）政府的大力支持和配合下，航空護林事業(yè)不斷向前發(fā)展，為保護森林資源和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保護國家和林區(qū)人民生命財產(chǎn)安全，維護林區(qū)社會穩(wěn)定做出了重大貢獻，得到了各級領(lǐng)導(dǎo)和社會各界的充分肯定。

在多年的森林火災(zāi)防御中，航空護林在森林防火中所起的作用越來越大，以其機動靈活性和“發(fā)現(xiàn)早、行動快、滅在小”的優(yōu)勢，已成為森林防火中不可替代的手段。在森林火情監(jiān)測、突發(fā)森林火災(zāi)的處置、重大火災(zāi)的火場偵察和調(diào)度指揮以及偏遠林區(qū)衛(wèi)星熱點的核實和火場調(diào)查中，都發(fā)揮了不可替代的作用。與此同時，作為森林航空消防中的通訊設(shè)備也越來越受到重視，被稱為撲救火災(zāi)的“耳朵”，對于第一時間獲取火場信息起著重要作用，常見的通訊方式包括有線電話、短波通訊、超短波通訊、微波接力通訊、衛(wèi)星通訊、移動通訊[1-3]，但是對于廣泛的林區(qū)，在需要進行現(xiàn)場勘查時，上述手段或多或少的存在信息量不足、傳輸距離有限等問題。

1 森林航空消防形勢和任務(wù)

1.1 森林航空消防方興未艾，前途廣闊

森林航空消防事業(yè)是沒有產(chǎn)品的生態(tài)公益事業(yè)。新中國成立以來，森林航空消防從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、護林飛機的租用，到人才隊伍建設(shè)、設(shè)備更新，完全是由中央和地方財政投資建設(shè)，森林航空消防事業(yè)有了歷史性飛躍。

傳統(tǒng)的滅火方式諸如：降低可燃物的溫度（如灑水，化學(xué)藥劑或濕土降低熱量）、阻隔可燃物（如噴灑化學(xué)藥劑，人工撲打，機翻生土帶、開設(shè)防火帶等）、窒息法（如采用機具撲打，用土覆蓋等）都受到山高坡陡，人力無法接近等自然條件的限制和制約，而航空消防具有靈活、速度快、觀察區(qū)域大、機動性強等特點，在交通不便、人煙稀少的偏遠和原始林區(qū)等有著不可替代的作用。同時，還可使用飛機給火區(qū)運送撲打工具、生活用品，搶救傷員等，是一項高科技前沿性工作，是地面撲火力量的重要補充，具有廣闊的發(fā)展前景和空間。

1.2 森林航空消防是防火工作的迫切需要

近年來，全球氣候異常，高溫、干旱、大風(fēng)和暖冬等極端天氣明顯增多，全球森林火災(zāi)頻發(fā)，專家預(yù)測未來10年全球氣溫仍將持續(xù)升高，必將引起更大范圍旱災(zāi)和水資源短缺等問題，森林防火面臨的形勢更加嚴峻。我國各種工程造林面積年均在600萬hm2以上，有林地面積迅速增加和生態(tài)公益林得到有效保護的同時，林內(nèi)可燃物也越積越多，極大地增加了森林防火任務(wù)，再加上我國休假制度的改革，春節(jié)清明期間，祭祀、掃墓人員劇增，上墳燒紙、燒香、燃放煙花爆竹等現(xiàn)象屢禁不止，給森林防火帶來巨大隱患。航空消防具有防護撲火、宣傳等職能，對打早、打小、打了能發(fā)揮不可替代的作用。

1.3 森林航空必須適應(yīng)新形勢的變化，提高科技含量

當前，我國森林火災(zāi)的發(fā)生從季節(jié)性向全年性轉(zhuǎn)變，森林防火也從單一的防范人為火災(zāi)向防范人為火災(zāi)和自然火災(zāi)并重轉(zhuǎn)變，而現(xiàn)階段我國森林火災(zāi)的科技綜合防控能力不強，與日益嚴峻的森林火災(zāi)形勢和承擔(dān)的森林防火任務(wù)不相適應(yīng)。航空消防是應(yīng)新形勢需求，發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)，對科學(xué)滅火能起到主要作用。

1.4 地空配合，能提高綜合滅火能力

河南省目前平均到每個縣的專業(yè)森林消防隊力量不足，缺乏系統(tǒng)的專業(yè)訓(xùn)練，森林防火基礎(chǔ)設(shè)施依然薄弱，森林防火通信和信息指揮系統(tǒng)不健全，語音通信覆蓋率低，防火道路和林火阻隔網(wǎng)密度低，預(yù)防撲救仍靠“死看死守”和“人海戰(zhàn)術(shù)”，綜合預(yù)防火災(zāi)和滅火措施應(yīng)用不夠。航空護林彌補了此項不足。

2 森林航空消防綜合通信體系建設(shè)

近年來，河南省積極爭取國家支持，加大重點火險區(qū)綜合治理力度，改善森林防火基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的問題，通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急指揮平臺等綜合通信體系建設(shè)在森林航空消防中所起的作用越來越重要。

2.1 預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)

加強了森林防火監(jiān)測站點建設(shè)和重點防范區(qū)域的林火遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，并充分利用衛(wèi)星遙感、飛機巡護、高山瞭望、地面巡邏等手段，對林火進行全方位、全時段的監(jiān)控，切實做到早發(fā)現(xiàn)、早處置。

2.2 無線通信網(wǎng)

超短波無線通信網(wǎng)具有成本低、覆蓋面廣、多方同步通話等特點，在森林防火特別是撲火指揮中有著不可替代的作用。

2.3 應(yīng)急指揮平臺

依托公共信息網(wǎng)，建設(shè)以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集信息管理、遠程辦公、視頻傳輸、指揮調(diào)度為一體的全省森林防火應(yīng)急平臺，切實提高工作效率。

2.4 便攜式火場網(wǎng)絡(luò)無線接入設(shè)備

研究利用公網(wǎng)有線通信網(wǎng)絡(luò)（光纖網(wǎng)等），實時傳輸火場數(shù)據(jù)和圖像的設(shè)備和方法。

2.5 機載綜合通信系統(tǒng)

研究機載通信平臺，開發(fā)能夠?qū)Φ孛娑滩?、超短波的語音、數(shù)據(jù)接收處理并中繼轉(zhuǎn)發(fā)到前指或縣級防火指揮部的綜合通信設(shè)備。

2.6 地面應(yīng)急保障通信設(shè)備

引進、開發(fā)便攜式寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備及語音、數(shù)據(jù)和圖像的接收發(fā)射接口配套設(shè)備，研制適合小型越野車、能與火場各通信子系統(tǒng)配合組成有效通信網(wǎng)絡(luò)的集成化綜合通信平臺。

2.7 復(fù)雜地形下的通信保障技術(shù)

研究高山峽谷等復(fù)雜地形條件下的通信體制及其組網(wǎng)方案，研究適于這類地區(qū)的中繼轉(zhuǎn)接通信保障技術(shù)設(shè)備，以解決復(fù)雜地形下?lián)浠鹜ㄐ诺睦щy。

3 機載無線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成

用于森林航空消防直升機的機載無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計，下面主要闡述其組成、功能以及在森林航空消防中的應(yīng)用，主要分為機載發(fā)射分系統(tǒng)與地面接收分系統(tǒng)兩個部分，機載發(fā)射分系統(tǒng)可搭載于米-171。森林消防直升機，包括視頻采集與控制子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)，地面接收分系統(tǒng)包括無線通信子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、視頻管理子系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)原理

進行航空護林偵查巡護時，隨機觀察員開啟機載發(fā)射分系統(tǒng)的云臺和攝像機，通過云臺控制器控制攝像機的方向、焦距，同時開啟無線發(fā)射設(shè)備，向地面?zhèn)魉陀蓴z像機實時拍攝的視頻，并通過無線發(fā)射機搭載的雙向語音通信系統(tǒng)完成與地面的雙向語音通信；地面接收機在完成天線架設(shè)后，將天線射頻接入接收機，接收機通過內(nèi)置的顯示器顯示系統(tǒng)工作參數(shù)和接收到的視頻，同時，可以通過開啟硬盤錄像機完成視頻錄制。接收機可以將接收到的視頻通過標準AV接口輸出至其他設(shè)備，還可以通過外接的耳麥完成與機上操作人員的實時語音通信，也可以將語音輸入輸出接入其他通信設(shè)備完成與遠程指揮中心的實時語音通信。

3.3 分系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1機載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

機載設(shè)備主要分為兩大部分：其一是固定于直升機機艙底面的集成控制箱，主要包括一個無線數(shù)字圖像傳輸設(shè)備、兩個天線、一個高速球型攝像機和可充電電池；其二是一臺可供操作人員在機艙內(nèi)手持操作的智能控制鍵盤。

3.3.2信號處理子系統(tǒng)設(shè)計

子系統(tǒng)包括機載發(fā)射設(shè)備和地面接收機，機載發(fā)射設(shè)備輸出功率2~20 W可調(diào)，用于高速移動中實時非視距傳輸高質(zhì)量圖像，設(shè)備可實現(xiàn)視距傳輸距離40 km以上，移動速度280 km/h以下能可靠傳輸；地面接收終端采用工業(yè)便攜箱式，通過無線的方式接收音視頻信號；終端內(nèi)置或外接濾波器，克服復(fù)雜環(huán)境中的電磁干擾，提供高質(zhì)量的傳輸信號；采用快速數(shù)字解碼方案，能夠準確清晰的完成對遠端音視頻終端信號采集的解碼，以最快的速度將前方的拍攝信號予以呈現(xiàn)。

3.3.3天線設(shè)計

天線子系統(tǒng)主要用于無線信號的發(fā)射與接收，其中天線的增益和方向性是天線選擇中的重要指標。系統(tǒng)的天線設(shè)計包括機載天線和地面天線，其中機載天線用于機載視頻信號發(fā)射和音頻發(fā)射與接收，地面天線用于地面視頻信號接收以及音頻發(fā)射與接收。

由于機載天線允許的重量較輕、長度較短，機載天線選擇基于鞭狀天線的小型天線，系統(tǒng)中選用兩根鞭狀天線；地面天線允許使用較大的天線，但要考慮相對的便攜性和部署難度，系統(tǒng)中地面天線使用立桿天線和八木天線相結(jié)合的方式，保證大范圍接收的前提下，在指定的方向上得到最大的信號接收增益。

3.3.4供電與電源設(shè)計

機載發(fā)射分系統(tǒng)和地面接收機使用鋰電池組進行供電，根據(jù)電池使用狀態(tài)和發(fā)射機發(fā)射功率，可連續(xù)使用3~5 h，在電池耗盡后，可以關(guān)機更換電池組，也可利用市電進行沖電。

由于機載供電系統(tǒng)存在較大的局限性，主要體現(xiàn)在機載功率較小以及同其他重要機載設(shè)備共用，可能會對其他電器造成影響，因此在設(shè)計時，機載設(shè)備采用了獨立電池組供電的方案。

對于地面接收設(shè)備，考慮到火情觀測主要是野外作業(yè)，可能不存在穩(wěn)定的市電供給，因此，也采用了獨立電池組供電的方案。

3.3.5視頻采集與監(jiān)控設(shè)計

視頻采集與監(jiān)控設(shè)備主要由攝像頭、攝像云臺、控制鍵盤組成；附件設(shè)備包括耳麥，主要用于對地面的音頻通信使用；可選設(shè)備包括手持式小型DV一臺，主要用于機內(nèi)視頻采集。

視頻采集與監(jiān)控設(shè)備是機載設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，要求能夠靈活調(diào)節(jié)并具備多角度的觀測能力，以及能夠在機艙內(nèi)對觀測范圍、遠近按需調(diào)節(jié)。設(shè)計時將設(shè)備安裝于機腹，便于對地面火場火情的觀測，另外設(shè)備保留對外接口，可以在必要的情況下由其他視頻采集設(shè)備輸入圖像或者音頻成為有益補充。

3.4 系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計

本系統(tǒng)的地面接收分系統(tǒng)具備與河南省應(yīng)急衛(wèi)星通信終端的信息交互接口，可通過衛(wèi)星通信網(wǎng)完成機載平臺與應(yīng)急指揮中心的數(shù)據(jù)交互。

對接后，機載平臺可將機上實時視頻與實時音頻通過衛(wèi)星通道傳輸至應(yīng)急指揮大廳，指揮大廳可以將本地語音通過衛(wèi)星通道傳輸至機載平臺，從而完成交互。

4 總結(jié)

淺析了機載無線圖像傳輸系統(tǒng)在森林航空消防中的設(shè)計與作用實現(xiàn)。系統(tǒng)具備圖像傳輸和語音通信功能，能夠?qū)⒕然鹬鄙龣C勘查森林現(xiàn)場情況通過無線通信方式傳送至地面接收站，將為森林火災(zāi)的預(yù)防和撲救提供強有力的支持。

[1] 蔡志勇，陳麗娜，張景忠，等. 機載監(jiān)測林火圖像無線傳輸系統(tǒng)的研究[J]. 林業(yè)科技，2011，36（3）：38~41.

[2] 原延軍，陳天越.新一代火場無線圖傳系統(tǒng)在空中偵察工作中的應(yīng)用[J]. 林火監(jiān)測，2007（2）：23~24.

[3]賈麗華. 在森林防火應(yīng)急處理系統(tǒng)中應(yīng)用信息技術(shù)之探討[J]. 森林工程，2007，23（4）： 92~ 93.

2014-08-25

孫麗崢（1982-），女，學(xué)士，工程師，林業(yè)，從事航空護林工作。

S 762.6

B

1003-2630（2014）03-0055-03

（責(zé)任編輯：王團榮）