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 [1].

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 [2], пирометрия [3] — помогает выявить тепловые сигналы от человеческого тела, а акустические датчики [4] — уловить звуки, исходящие от пострадавших. Эти технологии значительно повышают шансы на успешное спасение, позволяя оперативно определить местоположение людей и разработать план действий [5], [6].

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 [7], выявлению очага пожара сквозь дымовую завесу [8], [9]. 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 [10].

Имеются также исследования, посвященные регистрации температурного контраста объектов, скрытых за твёрдой оптически непрозрачной преградой (бетон, земля и пр.): от ранних работ [11] по применению инфракрасных пирометров, до формулирования методов обнаружения и локализации утечек газа применительно к конечным контрольно-измерительным станциям в промышленности [12], [13].

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).

Благодаря своему малому весу (700 г), небольшим габаритным размерам (214х186х59), готовности к работе без источников постоянного тока (используются стандартные батарейки), а также удобной форме с минимумом настраиваемых деталей, прибор пригоден для применения в полевых условиях, в том числе в качестве элемента индивидуального снаряжения спасателя (рис. 2).

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 [14]. Для определения интенсивности излучения [15] исследуемых объектов расчеты основаны на формуле Планка (2), для оценки соотношения истинной и яркостной температур [16] — законы Кирхгорфа и Планка (3), а параметры так называемого абсолютно черного тела [17] и связанные с ним сравнительные оценки черноты исследуемых объектов рассчитывались на основании закона Стефана-Больцмана (4) (табл. 1).

Для моделирования условий завала оказалось достаточно естественного природного рельефа данной местности (пригорок, овраг), изобилующей палым сухостоем, валежником, строительным мусором, рыхлыми пластами почвы, россыпями щебня и т.п. Объектами обнаружения являлись в моделируемой ситуации следующие предметы: металлические трубы диаметром 5 см, длинной 0,45–0,55 м; пластиковая мина-лепесток (муляж); керамические осколки различных фракций, вес 0,2 кг; неразложившиеся биологические фрагменты живых организмов размером от 50 мм, резиновая грелка с тёплой водой (30–40 °С). Последний объект был применен для моделирования обнаружения теплокровного живого организма (животные, пострадавшие при завале люди).

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 [18], 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).

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 [19]. 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.

The additional file for this article can be found as follows: