無線視頻傳輸系統(tǒng)在航空護(hù)林中的應(yīng)用測試

江西軍，劉世明，王志龍，王振師，覃秀蝶

（1.廣東省航空護(hù)林站，廣東 廣州 510520；2.深圳市慧明捷科技有限公司，廣東 深圳 518100；3.梅州市森林防火監(jiān)測中心，廣東 梅州 514000；4.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

航空護(hù)林是森林管理和森林防火的重要組成部分，是一項(xiàng)長期的工作[1]。廣東省是我國森林防火的重點(diǎn)省份之一，全省陸地面積17.8萬km2，至2014年底，全省林業(yè)用地面積1 096.25萬hm2，森林面積達(dá)1 082.79萬hm2，森林蓄積量達(dá)5.47億m3。廣東省內(nèi)地勢北高南低，境內(nèi)山地、平原、丘陵縱橫交錯(cuò)。北部南嶺地區(qū)的典型植被為亞熱帶山地常綠闊葉林，中部為亞熱帶常綠季雨林，南部為熱帶常綠季雨林，主要以針葉林、中幼林為主[2]。為做好森林航空消防工作，廣東省成立了省航空護(hù)林站，并建立了航空護(hù)林基地，在森林特別防護(hù)期租用M-26、K-32、M-171、EC225、AS350-B3等型號的直升機(jī)，開展空中巡護(hù)和吊桶灑水直接滅火工作。結(jié)合直升機(jī)巡航范圍大、機(jī)動靈活的特點(diǎn)，通過在直升機(jī)上安裝攝像機(jī)和無線傳輸發(fā)射系統(tǒng)，在航空護(hù)林基地設(shè)置接收和監(jiān)控系統(tǒng)，把巡護(hù)飛行和火場撲救情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁骷壣址阑鹬笓]中心，可實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)的大面積監(jiān)控和森林火災(zāi)現(xiàn)場撲救的實(shí)時(shí)調(diào)度指揮[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本次試驗(yàn)選擇在云浮市羅定機(jī)場，機(jī)場經(jīng)緯度為22°42′04″N、111°36′05″E，海拔55 m。該機(jī)場是廣東省云浮森林航空消防基地的主作業(yè)機(jī)場，共設(shè)巡護(hù)飛行航線19條，巡護(hù)半徑達(dá)180 km，覆蓋云浮、茂名、江門、陽春、肇慶市等廣東省的主要林區(qū)。主要山脈包括天霧山、云霧山和云開大山，最高峰位于茂名信宜市的大田頂（1 703 m），最低海拔與海平面持平，高千米以上的大山有40余座，地形復(fù)雜，溝壑縱深，并且相對高差大。測試飛行航線為GD-314，航線兩側(cè)20 km范圍內(nèi)的500 m以上的高山有20余座。

1.2 材料

1.2.1 直升機(jī)

本次試驗(yàn)選用K-32直升機(jī)。該直升機(jī)是俄羅斯卡莫夫直升機(jī)公司專為消防設(shè)計(jì)研制的雙發(fā)通用直升機(jī)，裝備兩臺TB3-117BMA型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，不加副油箱續(xù)航時(shí)間為2.5 h，航空護(hù)林滅火有效作業(yè)半徑為80 km；受航行管制規(guī)定，巡護(hù)飛行的高度為真高600 m以下，單架次飛行的有效巡護(hù)面積達(dá)400 km×30 km。

1.2.2 無線視頻傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括前端的云臺、攝像機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線等設(shè)備，后端有接收天線、接收機(jī)和監(jiān)控設(shè)備等。本次試驗(yàn)采用慧明捷無線圖像傳輸設(shè)備，前端為型號HMJ300C-TC的便攜式圖像發(fā)射機(jī)，接收端為型號HMJ300C-T的機(jī)架式基站，均為高清圖像1080 P標(biāo)準(zhǔn)。采用便攜式攝像機(jī)和30倍變焦鏡頭。發(fā)射機(jī)放在直升機(jī)乘坐室內(nèi)，引出饋線到天線，天線固定在直升機(jī)腳架位置，如圖1所示。發(fā)射機(jī)將現(xiàn)場拍攝的畫面以超短波方式發(fā)射，由設(shè)置在羅定機(jī)場的接收系統(tǒng)接收，在監(jiān)控屏幕顯示出前端拍攝到的畫面，也可通過市網(wǎng)傳輸?shù)礁骷壣址阑鹬笓]部。

圖1 便攜式發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線位置

1.3 測試方法

在K-32直升機(jī)上將拍攝的境況通過發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，由設(shè)置在基地（羅定機(jī)場）的接收機(jī)接收。接收天線安裝在羅定機(jī)場辦公樓頂，天線離地面高約12 m，接收機(jī)安置在一樓，天線和接收機(jī)通過饋線連接。機(jī)架式高清接收機(jī)接收到的視頻經(jīng)HDMI高清線傳輸給會議室的投影儀。通過直升機(jī)飛行距離和接收天線的高度設(shè)置，測試不同距離下視頻信號傳輸及接收效果。

測試日期為2017年12月20日。當(dāng)天天氣晴，無持續(xù)風(fēng)向，微風(fēng)，氣溫為5～18℃。飛行路線為圖2中GD-314航線，即羅定機(jī)場-九江鎮(zhèn)-大塘鎮(zhèn)-羅定機(jī)場。飛行高度為真高300 m和600 m，其中：羅定機(jī)場-九江鎮(zhèn)為真高300 m；九江鎮(zhèn)-大塘鎮(zhèn)-羅定機(jī)場為真高600 m。

圖2 飛行航線示意圖（羅定機(jī)場-九江鎮(zhèn)-大塘鎮(zhèn)-羅定機(jī)場）

2 結(jié)果與分析

2.1 視頻傳輸距離與效果

2.1.1 真高300 m飛行

K-32直升機(jī)攜帶攝像機(jī)、便攜式高清圖像發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線等從羅定機(jī)場起飛，向江門鶴山九江鎮(zhèn)方向飛行60 km范圍內(nèi)，設(shè)置在羅定機(jī)場會議室的接收系統(tǒng)能接收到從飛機(jī)上傳回來的高清1080 P視頻信號，圖像清晰；當(dāng)飛行距離大于60 km，接收到的圖像逐漸出現(xiàn)馬賽克，信號也斷斷續(xù)續(xù)，接收系統(tǒng)接收的信號逐漸減弱直至消失。

2.1.2 真高600 m飛行

在直升機(jī)由大塘鎮(zhèn)向羅定機(jī)場飛行的過程中，在距機(jī)場70 km的范圍內(nèi)，設(shè)置在羅定機(jī)場會議室的接收系統(tǒng)可接收到從飛機(jī)上傳回來的高清1080 P視頻信號，圖像清晰；當(dāng)在距離羅定機(jī)場70 km范圍外的區(qū)域內(nèi)，無法接收到圖像信號。

2.2 接收天線設(shè)置高度對接收效果的影響

在本次測試中，接收天線設(shè)置在三層樓頂天臺上時(shí)，設(shè)置高度約12 m，預(yù)測其接收距離約35 km；通過飛行測試，有效的傳輸與接收距離達(dá)到了70 km。如果能將接收天線、接收機(jī)等設(shè)置在現(xiàn)有的通信基站鐵塔上，預(yù)設(shè)高度100 m，其能接收的有效距離可達(dá)到100 km以上。按照測試的傳輸距離與效果分析，若能在每個(gè)縣（市、區(qū)）的通信基站鐵塔上設(shè)置3～4套無線視頻接收系統(tǒng)，通過航空護(hù)林，對整個(gè)區(qū)域的護(hù)林防火將發(fā)揮有效監(jiān)控作用。

2.3 直升機(jī)與無線圖像傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

直升機(jī)在護(hù)林防火中具有機(jī)動靈活的特點(diǎn)，在機(jī)上設(shè)置無線視頻傳輸系統(tǒng)，在通信基站鐵塔設(shè)置接收系統(tǒng)，通過光纖或市網(wǎng)傳輸至森林防火指揮部。這可以確保在直升機(jī)的飛行巡查中，把實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)缴址阑鹬笓]部，從而大大提高對森林火災(zāi)的早期預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)打早、打小的目的。在森林火災(zāi)撲救和自然災(zāi)害救援中，將情況及時(shí)反饋到指揮部，對采取更加有效的措施都將具有重要幫助作用。直升機(jī)與無線圖像傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用拓?fù)鋱D，如圖3所示。

圖3 直升機(jī)與無線圖像傳輸系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D

3 結(jié)論與討論

3.1 無線視頻傳輸系統(tǒng)在航空護(hù)林中的應(yīng)用意義重大

無線視頻傳輸技術(shù)是較為成熟的通信技術(shù)。在航空護(hù)林直升機(jī)上配置無線視頻傳輸系統(tǒng)，在直升機(jī)護(hù)林巡航時(shí)將森林的情況發(fā)送到森林防火指揮中心，如果在巡查中發(fā)現(xiàn)森林火情，指揮中心能及時(shí)和全面地了解現(xiàn)場情況，及時(shí)組織和指揮撲火力量前往撲救；相應(yīng)也可對傳輸?shù)膶?shí)時(shí)信息進(jìn)行評估和分析，及時(shí)對撲救方案進(jìn)行調(diào)整。已建設(shè)完成的基站，為今后應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行常態(tài)化的護(hù)林巡航提供重要基礎(chǔ)。

3.2 無線視頻傳輸系統(tǒng)前端要求

無線圖像傳輸系統(tǒng)前端是信息采取和發(fā)送。為達(dá)到最大的巡航護(hù)林效果，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的無線基站和設(shè)備做好接收網(wǎng)點(diǎn)的建設(shè)，規(guī)劃好巡航飛行的線路，使飛行線路與基站間的距離在無線視頻傳輸?shù)挠行Ы邮站嚯x之內(nèi)。保證飛機(jī)上的前端整個(gè)系統(tǒng)操作簡單、攜帶方便，設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性，并符合相關(guān)的技術(shù)規(guī)范要求和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募用芄δ埽苊夥欠ń邮铡?/p>

3.3 無線圖像傳輸系統(tǒng)對地面基站要求

各市可設(shè)立不同數(shù)量的同頻組網(wǎng)基站，并依托地面有線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基站的聯(lián)網(wǎng)，將直升機(jī)采集的圖像信息通過各個(gè)基站實(shí)時(shí)傳回各級森林防火指揮中心。主要技術(shù)要求是，單個(gè)基站的無線信號覆蓋范圍為70～100 km的空對地傳輸距離，基站與指揮中心的信息傳輸建成獨(dú)立的4G專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，基站傳輸1 080 P/I全高清圖像信息，并兼容標(biāo)準(zhǔn)清圖像信息的傳輸。整個(gè)系統(tǒng)具備技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)增加的擴(kuò)展能力，相應(yīng)可單獨(dú)增加前端通信設(shè)備或后端接收設(shè)備，以節(jié)省項(xiàng)目運(yùn)行成本。

[1]李世奇，張林生.關(guān)于航空護(hù)林事業(yè)發(fā)展中幾個(gè)問題的探討[J].森林防火,2000 ，（1）:34-35.

[2]廣東林業(yè).林業(yè)概況[EB/OL].[2018-01-22].https://www.gdf.gov.cn/index.php?action=view&controller=front&id=10084.

[3]謝應(yīng)敏，張漢彪，胡鳴.K-32A直升機(jī)的引進(jìn)意義及其在森林防火中的應(yīng)用[J].森林防火，2009 ，（1）：56-59.