Проведение полевых испытаний прибора дистанционного обнаружения
Проведение полевых испытаний прибора дистанционного обнаружения
Аннотация
Введение. Статья посвящена вопросам эффективности поиска и спасания людей под завалами с помощью применения бесконтактных методов обнаружения. Цель проведенного исследования — фиксация результатов полевых экспериментов по практическому использованию нового контрастометра «Искатель», разработанного НТЦ УП РАН.
Материалы и методы. Основной принцип работы прибора — определение разности температуры окружающей фоновой среды и объекта поиска. Полевые эксперименты были проведены в 2025 г. на территории Калужской области. Методика заключалась в организации 11 площадок, моделирующих условия поиска. Способ обнаружения различных объектов с помощью контрастометра на основе сочетания спектрального и пирометрического методов применен впервые. Для оценки результатов использованы эмпирический и сравнительный методы.
Результаты исследования. С помощью прибора получены значения среднего спектрально-энергетического контраста почв для каждой экспериментальной площадки. С помощью анализа спектральных измерений и анализа контрастности температуры почвенного покрова выявлены все объекты поиска, в том числе на участках, имитирующих завалы. Установлено, что контрастометр определяет наличие объектов. Показано, что контрастометр не требует калибровки, эффективно применяем в разных средах.
Обсуждение. Использование контрастометра дополняет индивидуальные средства экипировки спасателя легким, надежным и эффективным прибором поиска различных объектов. Проведенный эксперимент вводит в научный и практический круг инструмент дистанционной диагностики, значительно сокращающий время поиска, точно определяющий локацию объекта, а также не требующий деформации завала, которая может привести к травматизации или гибели людей, находящихся под ним.
Заключение. Перспективными направлениями дальнейших исследований и разработок могут быть развитие системы визуализации объектов под завалами, а также применение контрастометров для БПЛА для дистанционного выявления объектов (включая труднодоступные условия).
1. Введение
Одной из основных проблем при проведении поисково-спасательных работ под завалами является необходимость минимизации воздействия на сам завал. Спасатели вынуждены в стрессовой обстановке и в режиме ограниченного времени учитывать не только структуру завала, но и возможное наличие людей под ним. Разборка завалов с помощью тяжелой техники может вызвать обрушение дополнительных слоев и ухудшить условия для пострадавших. Поэтому важно разработать системный подход к поиску и спасению, который позволяет избежать указанные типы рисков .
Для эффективного обнаружения людей или объектов под завалами применяют различные технологии, позволяющие проводить мониторинг и оценку ситуации без непосредственного вмешательства (дистанционно, бесконтактно). Например, использование доплеровских радаров , пирометрия — помогает выявить тепловые сигналы от человеческого тела, а акустические датчики — уловить звуки, исходящие от пострадавших. Эти технологии значительно повышают шансы на успешное спасение, позволяя оперативно определить местоположение людей и разработать план действий , .
На данный момент имеются немногочисленные исследования, посвящённые применению инфракрасных интегральных пирометрических систем для обнаружения объектов, скрытых от наблюдателя пламенем и дымовой завесой: например, работы по изучению объектов, наблюдаемых сквозь пламя , выявлению очага пожара сквозь дымовую завесу , . Отдельными зарубежными учеными отмечалось, что инфракрасный пирометр может точно измерять температуру поверхности в условиях пожара, но требует корректировки показаний из-за поглощения излучения водяным паром .
Имеются также исследования, посвященные регистрации температурного контраста объектов, скрытых за твёрдой оптически непрозрачной преградой (бетон, земля и пр.): от ранних работ по применению инфракрасных пирометров, до формулирования методов обнаружения и локализации утечек газа применительно к конечным контрольно-измерительным станциям в промышленности , .
Тем не менее во всех имеющихся исследованиях рассматривается узконаправленная задача контроля утечки газа или жидкости, обладающей значительным температурным контрастом с окружающей средой. Практически отсутствуют исследования, посвящённые поиску твердотельных объектов, скрытых за оптически непрозрачной преградой, с незначительным температурным контрастом.
Научная новизна текущего исследования заключается в разработке нового универсального бесконтактного метода поиска скрытых под завалами металлических, неметаллических и биологических объектов, за счёт объединения пирометрического и спектрального методов мониторинга.
Цель данной статьи — демонстрация результатов применения одного из эффективных бесконтактных методов для обнаружения различных объектов под завалами. Основные задачи статьи: описание нового переносного прибора, использующего бесконтактный метод, обоснование его применимости для данного вида спасательных работ.
Объект исследования. Разработки ученых Научно-технического центра Уникального приборостроения Российской академии наук (далее НТЦ УП РАН) — хорошо известны спасателям и экологам. Среди них бесконтактные анализаторы вредных веществ, дистанционные определители концентрации, тепловизоры различного назначения и многие другие уникальные приборы и приборно-аппаратные комплексы. Объект исследования в данном случае — компактный, переносной контрастометр (прибор на основе сочетания технологий бесконтактного измерения температуры и определения спектра). Данный опытный образец представляет собой совокупность оптической системы и датчиков света, помогающих определять поверхностную температуру исследуемых объектов. Дополнительно имеется лазерный целеуказатель (видимый луч красного цвета), показывающий направление измерений.
Внешне прибор представляет собой компактное переносное устройство в пластиковом корпусе с небольшим экраном для визуализации выявленных контрастно-температурных областей (рис. 1).
Рисунок 1 - Внешний вид контрастометра «Искатель»
Рисунок 2 - Использование контрастометра «Искатель» в полевом эксперименте
Примечание: на фото Д.В. Шувариков
На момент начала проведения полевых экспериментов, для данного опытного образца заявлены следующие технические характеристики: широкий диапазон рабочих температур (-20…+50 °С), чувствительность к величине измеряемого контраста (до ±0,2 °С) при значениях величины контраста от 0 до 400 °С, длина волны от 1,0 до 15,0 мкм, показатель визирования 24. Перед проведением эксперимента предполагалось, что прибор с подобными свойствами способен бесконтактно определить местоположение под завалом объектов из различных материалов (например, металлические, стеклянные, пластиковые, биологические) на глубине до 0,5 м.
2. Методы исследования
При работе с прибором не требуется определение точной истинной температуры объекта, скрытого под завалом. Нам требуется лишь определить степень контраста (отсюда наименование прибора — контрастометр). Такой подход позволяет улавливать даже самые незначительные колебания интенсивности излучения от объектов обнаружения, визуализируя на экране общие очертания найденного объекта (термограмму).
В отличие от большинства дистанционных измерителей температуры (пирометров), данный контрастометр спроектирован специально для поиска и спасения под завалами в условиях низкотемпературного излучения (С2/λΤ>>1). Поэтому здесь было важно применение закона смещения Вина (1) (табл. 1), который устанавливает обратную зависимость температуры объекта от его видимого цвета, то есть длины волны.
В качестве величины измерения в контрастометре используется понятие среднего спектрально-энергетического контраста (СЭК), понимаемого как разница между равновесным (тепловым) излучением тела и излучением окружающего его фона . Для определения интенсивности излучения исследуемых объектов расчеты основаны на формуле Планка (2), для оценки соотношения истинной и яркостной температур — законы Кирхгорфа и Планка (3), а параметры так называемого абсолютно черного тела и связанные с ним сравнительные оценки черноты исследуемых объектов рассчитывались на основании закона Стефана-Больцмана (4) (табл. 1).
Таблица 1 - Физические закономерности, лежащие в основе работы прибора
3. Результаты и обсуждение
Воспроизведение ситуации завала и обнаружения объектов с помощью контрастометра проводилось посредством серии полевых испытаний прибора в апреле 2025 г. Территорией испытаний стал лесной массив в Калужской области, а именно Верховский лес, который находится в сельском поселении Верховье, Жуковского района (координаты: 55.136081, 36.797807). Массив представляет собой смешанный лес на территории 4 га, рельеф местности характеризуется значительными перепадами (холмы и овраги), имеются завалы из деревьев, территория прилегает к искусственной запруде и реке.
Полагаясь на ранее опробованные методики создания учебных и экспериментальных полигонов , на территории эксперимента были сформированы несколько участков с имитацией завалов, а также несколько контрольных участков для проверки работоспособности прибора на поверхности почвы. Прибор использовался оператором в ручном режиме под произвольным углом к поверхности, на расстоянии, не превышающем 1,2 м. (табл. 2).
Таблица 2 - Результаты проведения эксперимента
№ | Участок | Действия | Результат |
1 | Участок 1. (контрольный) | Тестируемая область проверяется контрастометром с целью оценки среднего спектрально-энергетического контраста (далее — СЭК) почвы. Нагромождение пластов земли и ветоши, нет объектов для поиска. | Получен средний СЭК почвы. Прибор не выявил предметов на выделенной контрольной площадке. |
2 | Участок 2. Обнаружение металлических объектов на поверхности земли (чистый эксперимент) | Размещение металлического объекта (на поверхности земли). Оценка СЭК объекта и почвы. | Получен средний СЭК почвы (идентичен на участке 1) Получен СЭК металлического объекта. |
3 | Участок 3. Обнаружение металлических объектов под землёй (чистый эксперимент) | Несколько металлических объектов закапывается под землю (глубина 0,3 м, 0,5 м, а также дополнительно на глубину, превышающую характеристики обнаружения для данного прибора 1,0 м) Оценка СЭК объекта и почвы. | Получен средний СЭК почвы (идентичен на участке 1) Получен СЭК металлических объектов на всех трех уровнях глубины, включая 1,0 м. |
4 | Участок 4. Обнаружение металлических объектов во влажной почве (заболоченный участок). | Несколько металлических объектов закапывается под землю (глубина 0,3 м, 0,5 м, а также дополнительно на глубину, превышающую характеристики обнаружения для данного прибора 1,0 м) Оценка СЭК объекта и почвы. | Получен средний СЭК почвы. Получен СЭК металлических объектов на двух уровнях глубины (до 0,5 м), характеристики контрастности термограммы выражены слабее. |
5 | Участок 5. Обнаружение металлических объектов под завалом. | Металлические объекты помещаются под слоями прелой листвы, свежего дёрна, сухой травы, камней, грунта. Оценка СЭК объекта и покрытий. | Получен средний СЭК покрытий. Получен СЭК металлических объектов, который позволяет обнаружить место положения объектов визуально. |
6 | Участок 6. Обнаружение неметаллических объектов на поверхности земли (чистый эксперимент) | Действия, описанные в п. 2, воспроизводятся аналогично для образцов: – органических остатков; – муляжа из пластика; – керамических осколков различных фракций. | Получен средний СЭК почвы. Получен СЭК указанных объектов. |
7 | Участок 7. Обнаружение неметаллических объектов под землёй (чистый эксперимент) | Действия, описанные в п.3, воспроизводятся аналогично для образцов: – органических остатков; – муляжа из пластика; – керамических осколков различных фракций. | Получен средний СЭК почвы. Получен СЭК указанных объектов, в том числе на глубине залегания 1,0 м. |
8 | Участок 8 Обнаружение неметаллических объектов во влажной почве (заболоченный участок) | Действия, описанные в п.4, воспроизводятся аналогично для образцов: – органических остатков; – муляжа из пластика; – керамических осколков различных фракций. | Получен средний СЭК почвы. Получен СЭК указанных объектов, максимально на глубине залегания 0,5 м. |
9 | Участок 9. Обнаружение неметаллических объектов под завалами | Действия, описанные в п.5, воспроизводятся аналогично для образцов: – органических остатков; – муляжа из пластика; – керамических осколков различных фракций. | Получен средний СЭК завала. Получен СЭК указанных объектов, позволяющий точно определить месторасположения в завале. |
10 | Участок 10. Обнаружение теплого объекта под землёй | Действия, описанные в п.2, воспроизводятся для грелки с теплой водой. | Получен средний СЭК почвы. Получен СЭК теплого объекта, позволяющий точно определить его месторасположение. |
11 | Участок 11. Обнаружение теплого объекта под каменистыми завалами | Теплый объект (грелка) помещается под землю на глубину 5 см и засыпается щебнем, ветошью, твердыми бытовыми отходами. Оценка СЭК объекта и завала. Высота завала не менее 1,0 м над поверхностью. | Получен средний СЭК завала. Получен СЭК теплого объекта, позволяющий точно определить его месторасположение под завалом. |
Вышеприведенный анализ результатов показал, что исследуемый прибор способен быть надежным инструментом обнаружения различных объектов под завалами, земляными насыпями, в том числе во влажной среде, хотя и со значительным снижением показателей контрастирования. Будучи применен при поиске теплых (живых) биологических объектов обнаружения, контрастометр способен выявлять объекты и на глубине, вдвое превышающей расчетную (1,0 м против заявленных 0,5 м). Особенно ценно, что прибор способен работать в автономном режиме достаточно длительное время, не требует перенастройки и калибровки, позволяет визуализировать на экране примерное расположение объекта обнаружения по его термограмме.
4. Заключение
Более трети пострадавших под завалами могут погибнуть уже в первые сутки после начала операции по их обнаружению и спасению, в особенности если разбор завала происходит хаотично, со значительными сдвигами пластов, а расположение людей под ними не известно, в результате чего они могут серьезно пострадать в ходе самой спасательной операции.
Исследуемый прибор РАН решает в этой связи две наиболее острых проблемы: во-первых, бесконтактное обнаружение пострадавших (без деформации структуры пластов завала); во-вторых, сокращение времени на обнаружение пострадавших (повышая их шансы на выживание).
Отметим также, что технические характеристики прибора подтверждены испытаниями на 11 различных площадках, а по параметру глубины обнаружения объектов уточнены в сторону увеличения (1,0 м, при нормальной влажности).
Дополнительным драйвером применения данного прибора могут стать разработки его модификации для размещения на беспилотных летательных аппаратах (дронах, квадрокоптерах), в том числе для обнаружения пострадавших в труднодоступных местах . Иными словами, внедрение бесконтактных контрастометров способно значительно повысить эффективность работы спасателей, а значит спасти больше человеческих жизней.
Значимость представленных результатов состоит в том, что впервые удалось подтвердить экспериментально возможности обнаружения объектов, скрытых под землей и завалами, пассивным тепловым методом. При этом в качестве объектов рассматривался широкий спектр материалов, что открывает большие возможности применения не только в практике поисково-спасательных работ, но и в сфере энергетики, жилищно-коммунального хозяйства, нефтехимической и полимерной промышленности.