Conducting field tests of a remote detection device
Conducting field tests of a remote detection device
Abstract
Introduction. The article is devoted to the effectiveness of the search and rescue of people under the rubble using contactless methods of disclosure (spectral analysis in combination with the pyrometric measurement method). The purpose of the study is to record the results of field experiments on the use of a contrast meter developed by the Scientific and Technical Center for Unique Instrument Engineering of the Russian Academy of Sciences (hereinafter STC UP RAS).
Materials and methods. As the name of the device implies, the main principle of its operation is to determine the contrast between the ambient temperature of the background environment and the search object, in particular, a person. Field experiments were conducted in 2025 in the Kaluga Region. The experimental methodology consisted of the organization of eleven different sites that simulate the conditions of blockages and the placement of objects. A method for detecting various objects using a contrast meter based on a combination of spectral and pyrometric methods has been applied for the first time. Empirical and comparison methods were used to evaluate the results.
Research results. Using the device, the average spectral energy contrast values of soils were obtained for each experimental site. By analyzing spectral measurements and soil cover temperature contrast, all search objects were identified, including those in areas simulating debris. It was established that the contrast meter determines the presence of objects. It was shown that the contrast meter does not require calibration and can be effectively used in different environments.
Discussion. The use of a contrast meter adds to the individual equipment of a rescuer with a lightweight, reliable, and effective device for searching for various objects. The experiment introduces a remote diagnostic tool into the scientific and practical sphere that significantly reduces search time, accurately determines the location of an object, and does not require the deformation of debris, which can lead to injury or death of people trapped underneath.
Conclusion. Promising areas for further research and development include the development of a system for visualising objects under rubble, as well as the use of contrast meters for UAVs for remote detection of objects (including in hard-to-reach conditions).
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.