Forest fires can be the cause of serious environmental and economic damages. For this reason considerable effort has been directed toward forest protection and fire fighting. Lidar and dial techniques in laser remote sensing represent two methodologies that allow the exploration of the atmosphere. They are often used to acquire information necessary to create and/or validate several models relevant to different topics of atmospheric physics. Furthermore, they can also be employed in environmental control for monitoring particulate and gases. In the last years, experimental and theoretical investigations have shown that lidar is a powerful tool to detect the tenuous smoke plumes produced by forest fires at an early stage, but the problem of false alarm occurrence is not resolved, yet. In the present work, it has been developed a technique to minimize false alarm in the detection of forest fire by lidar based on a measurement of secondary components emitted in a combustion process. Usually to detect a fire, a rapid increase in the aerosol amount is measured. If the backscattering signal reports a peak, the presence of a forest fire will be probable. Our idea to confirm this hypothesis is to measure the secondary components emitted in a forest fire with an aim to minimize the false alarms. As is known in a combustion process of vegetable fuel, a large amount of water vapor is emitted in to the atmosphere. If an increment to the humidity concentration level is measured, a second fire warning is obtained. To develop our system, the measurements of smoke backscattering coefficients for several kind of vegetable fuel using a CO2 laser source and a Nd:YAG Q-switched have been carried out. Thank to this work, it has been possible to decide which laser was the best for our aim. The experimental results have shown that smoke backscattering coefficients measured with the Nd:YAG are bigger than those obtained with the CO2, guaranteeing a better efficiency of the system. Another reason for which we have chosen the Nd:YAG is that a solid state laser is more compact than a gas one, and therefore, easily transportable. The next step of our work it has been focused on how to make the system easy carried on and self-powered. Thus, all instrumentation have been installed on a mobile system equipped with a power generator and an uninterrupted power supply (UPS). Moreover, it has been developed a software to allow the remote control of the lidar system thus that one can be checked if the equipments work correctly or there are some problems by a control room located not necessarily near the surveillance zone. The designed system has been tested during an experimental campaign carried out in the Parco Nazionale dell’Abruzzo, locality “Valle di Canneto”. These measurements have been more important to understand the problems shown by our system during its working and how to resolve them. After this campaign we have improved the system with hardware and software modifications. In particular, the program for recognizing the smoke-plume due to the combustion of vegetable matter has been developed. New measurements campaigns have been carried out, in the same place, thus to optimize the our lidar system. The obtained results during these campaigns have shown how our system is able to localize a smoke-plume, recognizing if the peak on the backscattering lidar signal is due to the combustion of vegetable fuel or to a fixed targets. Moreover, with our system has been possible to evaluate the increment of atmospheric water vapour concentration connected to the forest fire, using Raman technique. In this thesis will be shown the experimental set-up of our lidar system and the results obtained during the several measurements campaigns realized to estimate the capability of our lidar system for revealing the forest fire event and for minimizing the false alarms occurrence.

L’incendio boschivo è un problema grave e di difficile approccio che interessa, purtroppo, una considerevole parte del nostro pianeta: basti pensare che, nel solo decennio scorso e solo in Italia, sono andati perduti circa 500 mila ettari di bosco. Gli incendi causano danni che si ripercuotono sull’ambiente e sull’uomo sia in modo diretto che indiretto. Quelli diretti sono facilmente valutabili, anche visivamente, e sono costituiti dalla perdita di massa legnosa. I secondi, di più difficile stima, sono connessi alle funzioni “senza prezzo” del bosco, vale a dire la difesa idrogeologica, la produzione di ossigeno e la conservazione della conformazione e delle caratteristiche di vegetazione del territorio. L’importanza di questi fattori pone in rilievo la necessità di disporre di metodiche e tecnologie per poter fronteggiare con successo l’incendio boschivo, il che significa necessariamente affiancare ai sistemi già presenti in tutto il mondo nuovi apparati con caratteristiche di prontezza ed affidabilità più vantaggiose. Uno dei punti critici che interessa i sistemi attualmente in funzione è il ritardo che si registra tra l’innesco dell’incendio ed il momento in cui i centri operativi competenti ottengono informazioni sufficienti per disporre le opportune contromisure. Se si riuscisse ad intervenire nelle prime fasi dell’incendio, si otterrebbe una riduzione notevole dei danni ed un risparmio sensibile delle risorse necessarie alla sua estinzione. E’ facile comprendere come il telerilevamento possa offrire un valido contributo alla risoluzione di questo problema. In particolare, il telerilevamento attivo basato sulle tecniche Lidar/Dial è uno tra gli strumenti più adatti a monitorare con regolarità un incendio boschivo, per la possibilità di operare da un punto fisso su una superficie estesa e senza la necessità, per chi esegue la misura, di accedere di persona al sito in esame. Per tali motivi è stato progettato, realizzato e messo a punto un sistema Lidar/Dial mobile per la rivelazione precoce degli incendi boschivi e per la riduzione dei falsi allarmi. Il sistema Lidar, presentato in questo lavoro, è stato interamene progettato ed assemblato presso il laboratorio di ricerca di Elettronica Quantistica e Plasmi dell’Università di Roma “Tor Vergata” in collaborazione con i laboratori del Crati s.c.r.l di Lamezia Terme, nell’ambito del contratto di ricerca industriale SAI (Sistema Allerta Incendi) finanziato dal Miur (n. 7979/DSPAR/2002-DM 593/2000 art. 5). Il sistema si basa, principalmente su due componenti strutturali: un Lidar per le misurazioni in campo ed un software, sviluppato ad hoc, per la minimizzazione dei falsi allarmi. Il primo componente è il cuore del sistema in quanto emette un fascio laser che, interagendo con i prodotti di combustione rilasciati in atmosfera durante un incendio boschivo, ne rileva la presenza. Il secondo componente opera al fine di minimizzare i falsi allarmi dovuti alla presenza di fumi che non si originano da incendi boschivi (fumi industriali, particolato atmosferico sollevato da vento forte, fumi che si originano da pratiche agricole “sicure”, nebbie, ecc), e di diminuire il tempo impiegato dal sistema per l’elaborazione dei segnali Lidar. La realizzazione del dimostratore finale è stata possibile solo dopo un attento studio delle proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale, e di come essi interagiscano con il fascio laser. E’ per questo motivo che inizialmente sono state testate due sorgenti laser, una operante nell’IR e l’altra negli UV, al fine da stabilire quale fosse la migliore per i nostri scopi. Sono state effettuate, quindi, misure del coefficiente di retrodiffusione da fumo in cella utilizzando una sorgente laser a CO2 ed un laser Nd:YAG operante alle tre lunghezze d’onda 1064 nm, 532 nm e 355 nm. Dai risultati ottenuti si è visto che il laser a stato solido è quello più idoneo ad essere impiegato per la rivelazione di incendi boschivi, in quanto i valori ottenuti per i coefficienti di retrodiffusione del fumo sono più alti (circa due ordini di grandezza), assicurando così una maggiore sensibilità del sistema Scelta la sorgente laser, tutto il lavoro si è concentrato nel dotare il sistema di quelle caratteristiche fondamentali per un suo impiego, quali l’autonomia elettrica, la gestione in remoto ed la trasportabilità. Il sistema è stato quindi installato su un supporto mobile, facilmente trasportabile da qualunque autovettura, e dotato di tutta quella strumentazione necessaria alla sua alimentazione. Per quanto riguarda il controllo remoto, è stato sviluppato un software che consente la gestione da una sala controllo di tutta la strumentazione che compone il sistema di rivelazione incendi boschivi (compresi i sistemi di supporto). E’ stato infine realizzato il programma per il riconoscimento dei picchi e la minimizzazione dei falsi allarmi. Sono state effettuate diverse campagne di misure al fine di testare il sistema dopo ogni fase critica della progettazione. Questo approccio al collaudo del sistema ne ha permesso le ottimizzazioni step-by-step. Nel primo capitolo verrà data una breve introduzione degli aspetti teorici legati alla tecnica Lidar/Dial ed illustrate le proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale. Nel capitolo seguente sarà inizialmente presentato il modello matematico sviluppato per studiare l’andamento dei prodotti di combustione in un ambiente confinato (cella). Successivamente, saranno mostrate le misure preliminari dei parametri ottici significativi di alcuni materiali vegetali tipici delle zone e dei boschi della Calabria, effettuate in una cella realizzata ad-hoc. I risultati sperimentali saranno, quindi, confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni. A questo punto, il terzo capitolo sarà interamente dedicato alla progettazione e realizzazione del dimostratore SAI e verranno presentati i risultati dei primi test in campo, evidenziando i problemi riscontrati. Questi saranno risolti apportando alcune modifiche strutturali al sistema che saranno discusse nel capitolo quarto, insieme ai risultati ottenuti nella seconda campagna di misure. Nel quinto capitolo sarà mostrato il funzionamento in remoto del sistema, testato effettuando misure dello strato limite planetario (PBL) nell’arco delle ventiquattro ore. Infine, nel sesto capitolo, verrà illustrato nel dettaglio il funzionamento del software per il riconoscimento dei picchi da fumo e la minimizzazione dei falsi allarmi e presentate l’ultima campagna di misure effettuata.

Gelfusa, M. (2009). Progettazione, realizzazione e primi test in campo di un sistema Lidar a Nd:YAG per l'allerta precoce di incendi boschivi.

Progettazione, realizzazione e primi test in campo di un sistema Lidar a Nd:YAG per l'allerta precoce di incendi boschivi

GELFUSA, MICHELA
2009-04-30

Abstract

L’incendio boschivo è un problema grave e di difficile approccio che interessa, purtroppo, una considerevole parte del nostro pianeta: basti pensare che, nel solo decennio scorso e solo in Italia, sono andati perduti circa 500 mila ettari di bosco. Gli incendi causano danni che si ripercuotono sull’ambiente e sull’uomo sia in modo diretto che indiretto. Quelli diretti sono facilmente valutabili, anche visivamente, e sono costituiti dalla perdita di massa legnosa. I secondi, di più difficile stima, sono connessi alle funzioni “senza prezzo” del bosco, vale a dire la difesa idrogeologica, la produzione di ossigeno e la conservazione della conformazione e delle caratteristiche di vegetazione del territorio. L’importanza di questi fattori pone in rilievo la necessità di disporre di metodiche e tecnologie per poter fronteggiare con successo l’incendio boschivo, il che significa necessariamente affiancare ai sistemi già presenti in tutto il mondo nuovi apparati con caratteristiche di prontezza ed affidabilità più vantaggiose. Uno dei punti critici che interessa i sistemi attualmente in funzione è il ritardo che si registra tra l’innesco dell’incendio ed il momento in cui i centri operativi competenti ottengono informazioni sufficienti per disporre le opportune contromisure. Se si riuscisse ad intervenire nelle prime fasi dell’incendio, si otterrebbe una riduzione notevole dei danni ed un risparmio sensibile delle risorse necessarie alla sua estinzione. E’ facile comprendere come il telerilevamento possa offrire un valido contributo alla risoluzione di questo problema. In particolare, il telerilevamento attivo basato sulle tecniche Lidar/Dial è uno tra gli strumenti più adatti a monitorare con regolarità un incendio boschivo, per la possibilità di operare da un punto fisso su una superficie estesa e senza la necessità, per chi esegue la misura, di accedere di persona al sito in esame. Per tali motivi è stato progettato, realizzato e messo a punto un sistema Lidar/Dial mobile per la rivelazione precoce degli incendi boschivi e per la riduzione dei falsi allarmi. Il sistema Lidar, presentato in questo lavoro, è stato interamene progettato ed assemblato presso il laboratorio di ricerca di Elettronica Quantistica e Plasmi dell’Università di Roma “Tor Vergata” in collaborazione con i laboratori del Crati s.c.r.l di Lamezia Terme, nell’ambito del contratto di ricerca industriale SAI (Sistema Allerta Incendi) finanziato dal Miur (n. 7979/DSPAR/2002-DM 593/2000 art. 5). Il sistema si basa, principalmente su due componenti strutturali: un Lidar per le misurazioni in campo ed un software, sviluppato ad hoc, per la minimizzazione dei falsi allarmi. Il primo componente è il cuore del sistema in quanto emette un fascio laser che, interagendo con i prodotti di combustione rilasciati in atmosfera durante un incendio boschivo, ne rileva la presenza. Il secondo componente opera al fine di minimizzare i falsi allarmi dovuti alla presenza di fumi che non si originano da incendi boschivi (fumi industriali, particolato atmosferico sollevato da vento forte, fumi che si originano da pratiche agricole “sicure”, nebbie, ecc), e di diminuire il tempo impiegato dal sistema per l’elaborazione dei segnali Lidar. La realizzazione del dimostratore finale è stata possibile solo dopo un attento studio delle proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale, e di come essi interagiscano con il fascio laser. E’ per questo motivo che inizialmente sono state testate due sorgenti laser, una operante nell’IR e l’altra negli UV, al fine da stabilire quale fosse la migliore per i nostri scopi. Sono state effettuate, quindi, misure del coefficiente di retrodiffusione da fumo in cella utilizzando una sorgente laser a CO2 ed un laser Nd:YAG operante alle tre lunghezze d’onda 1064 nm, 532 nm e 355 nm. Dai risultati ottenuti si è visto che il laser a stato solido è quello più idoneo ad essere impiegato per la rivelazione di incendi boschivi, in quanto i valori ottenuti per i coefficienti di retrodiffusione del fumo sono più alti (circa due ordini di grandezza), assicurando così una maggiore sensibilità del sistema Scelta la sorgente laser, tutto il lavoro si è concentrato nel dotare il sistema di quelle caratteristiche fondamentali per un suo impiego, quali l’autonomia elettrica, la gestione in remoto ed la trasportabilità. Il sistema è stato quindi installato su un supporto mobile, facilmente trasportabile da qualunque autovettura, e dotato di tutta quella strumentazione necessaria alla sua alimentazione. Per quanto riguarda il controllo remoto, è stato sviluppato un software che consente la gestione da una sala controllo di tutta la strumentazione che compone il sistema di rivelazione incendi boschivi (compresi i sistemi di supporto). E’ stato infine realizzato il programma per il riconoscimento dei picchi e la minimizzazione dei falsi allarmi. Sono state effettuate diverse campagne di misure al fine di testare il sistema dopo ogni fase critica della progettazione. Questo approccio al collaudo del sistema ne ha permesso le ottimizzazioni step-by-step. Nel primo capitolo verrà data una breve introduzione degli aspetti teorici legati alla tecnica Lidar/Dial ed illustrate le proprietà ottiche dei prodotti emessi durante la combustione di materiale vegetale. Nel capitolo seguente sarà inizialmente presentato il modello matematico sviluppato per studiare l’andamento dei prodotti di combustione in un ambiente confinato (cella). Successivamente, saranno mostrate le misure preliminari dei parametri ottici significativi di alcuni materiali vegetali tipici delle zone e dei boschi della Calabria, effettuate in una cella realizzata ad-hoc. I risultati sperimentali saranno, quindi, confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni. A questo punto, il terzo capitolo sarà interamente dedicato alla progettazione e realizzazione del dimostratore SAI e verranno presentati i risultati dei primi test in campo, evidenziando i problemi riscontrati. Questi saranno risolti apportando alcune modifiche strutturali al sistema che saranno discusse nel capitolo quarto, insieme ai risultati ottenuti nella seconda campagna di misure. Nel quinto capitolo sarà mostrato il funzionamento in remoto del sistema, testato effettuando misure dello strato limite planetario (PBL) nell’arco delle ventiquattro ore. Infine, nel sesto capitolo, verrà illustrato nel dettaglio il funzionamento del software per il riconoscimento dei picchi da fumo e la minimizzazione dei falsi allarmi e presentate l’ultima campagna di misure effettuata.
A.A. 2008/2009
Elettronica quantistica e plasmi
21.
Forest fires can be the cause of serious environmental and economic damages. For this reason considerable effort has been directed toward forest protection and fire fighting. Lidar and dial techniques in laser remote sensing represent two methodologies that allow the exploration of the atmosphere. They are often used to acquire information necessary to create and/or validate several models relevant to different topics of atmospheric physics. Furthermore, they can also be employed in environmental control for monitoring particulate and gases. In the last years, experimental and theoretical investigations have shown that lidar is a powerful tool to detect the tenuous smoke plumes produced by forest fires at an early stage, but the problem of false alarm occurrence is not resolved, yet. In the present work, it has been developed a technique to minimize false alarm in the detection of forest fire by lidar based on a measurement of secondary components emitted in a combustion process. Usually to detect a fire, a rapid increase in the aerosol amount is measured. If the backscattering signal reports a peak, the presence of a forest fire will be probable. Our idea to confirm this hypothesis is to measure the secondary components emitted in a forest fire with an aim to minimize the false alarms. As is known in a combustion process of vegetable fuel, a large amount of water vapor is emitted in to the atmosphere. If an increment to the humidity concentration level is measured, a second fire warning is obtained. To develop our system, the measurements of smoke backscattering coefficients for several kind of vegetable fuel using a CO2 laser source and a Nd:YAG Q-switched have been carried out. Thank to this work, it has been possible to decide which laser was the best for our aim. The experimental results have shown that smoke backscattering coefficients measured with the Nd:YAG are bigger than those obtained with the CO2, guaranteeing a better efficiency of the system. Another reason for which we have chosen the Nd:YAG is that a solid state laser is more compact than a gas one, and therefore, easily transportable. The next step of our work it has been focused on how to make the system easy carried on and self-powered. Thus, all instrumentation have been installed on a mobile system equipped with a power generator and an uninterrupted power supply (UPS). Moreover, it has been developed a software to allow the remote control of the lidar system thus that one can be checked if the equipments work correctly or there are some problems by a control room located not necessarily near the surveillance zone. The designed system has been tested during an experimental campaign carried out in the Parco Nazionale dell’Abruzzo, locality “Valle di Canneto”. These measurements have been more important to understand the problems shown by our system during its working and how to resolve them. After this campaign we have improved the system with hardware and software modifications. In particular, the program for recognizing the smoke-plume due to the combustion of vegetable matter has been developed. New measurements campaigns have been carried out, in the same place, thus to optimize the our lidar system. The obtained results during these campaigns have shown how our system is able to localize a smoke-plume, recognizing if the peak on the backscattering lidar signal is due to the combustion of vegetable fuel or to a fixed targets. Moreover, with our system has been possible to evaluate the increment of atmospheric water vapour concentration connected to the forest fire, using Raman technique. In this thesis will be shown the experimental set-up of our lidar system and the results obtained during the several measurements campaigns realized to estimate the capability of our lidar system for revealing the forest fire event and for minimizing the false alarms occurrence.
Lidar; Raman; Nd:YAG
monitoraggio ambientale; incendi boschivi; concentrazione vapore acqueo; falsi allarmi
Settore FIS/03 - Fisica della Materia
Italian
Tesi di dottorato
Gelfusa, M. (2009). Progettazione, realizzazione e primi test in campo di un sistema Lidar a Nd:YAG per l'allerta precoce di incendi boschivi.
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