（工程热物理专业论文）基于多波长激光散射的火灾烟雾识别研究.pdf

abs tract o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t t a s k s o f r e s e a r c h e r s e n g a g e d i n f i r e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i s t h e r e a l i z a t i o n o f i n t e l l i g e n t f i r e p r o t e c t i o n , w h i c h i s c h a r a c t e r i z e d b y t i m e l y d e t e c t i o n , r e l i a b l e a l a r m in g a n d l e s t f i r e l o s s . o p t i c a l f i r e d e t e c t i o n m e t h o d h a s p l a y e d a n i m p o rt a n t r o l e a m o n g a u t o m a t i c f i r e d e t e c t i o n t e c h n o l o g i e s . t h e i n v e n t io n o f l a s e r p r o m o t e s t h e d e v e l o p m e n t o f l i g h t s c a tt e r i n g t e c h n o l o g y . a n d t h e a p p l i c a t i o n o f l a s e r t e c h n o l o g y a c c e l e r a t e s t h e d e v e l o p m e n t o f p h o t o e l e c t r i c i t y fi r e d e t e c t i o n . i t h a s b e e n a n i n t e r e s t e d p r o b l e m t o d e t e c t f i r e t h r o u g h l a s e r l i g h t , i n w h i c h s c a tt e r i n g , a b s o r p t i o n a n d e x t in c t i o n e ff e c t s o f c o m b u s t i o n p a r t i c l e s o n m u l t i - w a v e l e n g t h l a s e r l i g h t a r e u s e d t o i d e n t i f y f i r e s m o k e a n d n o n - f i r e a e r o s o l . t h e l a s e r f i r e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y w i l l h a s a b r o a d f u t u r e t h e i n t e r a c t i n g o f f i r e s m o k e a n d l a s e r i s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y i n t h e p a p e r . m u l t i - w a v e l e n g t h l a s e r i s u s e d t o i n t e r a c t w i t h b o t h s m o k e a n d n o n - f i r e a e r o s o l a n d t h e a tt e n u a t i o n c h a r a c t e r s o f b o t h o f t h e m t o l a s e r i s s t u d i e d . t h e e l e me n t a l c h a r a c t e r s o f s c a tt e r i n g , a b s o r p t i o n a n d e x t i n c t i o n o f f i r e s m o k e t o l a s e r a r e o b t a in e d . i t i s p u t f o r w a r d t h a t t h e m a i n a tt e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r o f a e r o s o l p a r ti c l e s t o l a s e r l i g h t i n c id e n t c a n b e a t t r i b u t e d b y t h e r a t i o b e t w e e n e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t s o f l a s e r s w i t h t w o d i ff e r e n t w a v e l e n g t h s . b as e d o n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s , t h e m a t h e m a t i c s m o d e l a n d t h e i n v e r s i o n c a lc u l a t i o n m e t h o d , t h r o u g h w h i c h s a u t e r m e a n p a rt i c l e s i z e a n d n u m b e r c o n c e n t r a t i o n o f p a r t i c l e s c a n b e i n v e r s e c a l c u l a t e d fr o m a tt e n u a t i o n d a t a o f p a r t i c l e s t o m u l t i - w a v e l e n g t h l a s e r , a r e b r i n g f o r w a r d . t h e n e w m o d e l i s r a t h e r b r e v i t y a n d w i t h l e s s c a l c u l a t i o n t i me . t h e a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ( a n n ) m o d e l i s p u t f o r w a r d t o p r o c e s s e x p e r i m e n t a l e x t i n c t i o n d a t a o f s m o k e t o t h r e e - w a v e l e n g t h l a s e r . s e l f - a d a p t i v e s t u d y a l g o r it h m i s a d o p t e d i n a n n a n d g o o d p r e c i s i o n i s g o t . t h e a n n m e t h o d i s p r o v e d t o b e f as t , p r e c i s e , r e l i a b l e a n d r o b u s t . s o i t i s a n i d e a l m e t h o d f o r p r o b l e m s s u c h a s f ir e s m o k e r e c o g n i t i o n . t h e r e s u l t s s h o w t h a t : t h e a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r s o f a e r o s o l p a rt i c l e s t o l a s e r i s r e l a t e d t o t h e w a v e l e n g t h o f l a s e r , m e a n p a rt i c l e s i z e , r e f r a c t i v e i n d e x a n d c o n c e n t r a t i o n o f p a r t i c l e s ; t h e a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r s o f a e r o s o l p a r t i c l e s c a n m a i n l y b e c h a r a c t e r i z e d b y t h e r a t i o b e t w e e n e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t s t o l as e r s w i t h t w o d i ff e r e n t w a v e l e n g th . t h e r a t i o i s r e l a t i v e t o m e a n p a r ti c l e s i z e a n d r e f r a c t i v e i n d e x o f p a rt i c l e s a n d i s i n d e p e n d e n t o n c o n c e n t r a t i o n o f p a r t i c l e s . a n n r e c o g n i t i o n m o d e l i s c o n s t r u c t e d a n d i t c a n b e u s e d f o r i d e n t i f y f i r e s m o k e a n d n o n - f i r e a e r o s o l . a b o v e r e s e a r c h e s w i l l p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f f i r e d e t e c t i o n t e c h n o l c h i n a a n d t h e t r a n s i t i o n fr o m c o n c e n t r a t i o n b ase d f i r e d e t e c t i o n t o s mo k e r e c o b a s e d f i r e d e t e c t i o n . k e y w o r d s : mu ft i - w a v e l e n g t h , l as e r s c a t t e r i n g , r a t i o o f e x t i n c t i o n c o e ff i c i e n t , a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , s m o k e r e c o g n i t i o n , f ir e d e t e c t i o n 博士学位论文 引启 第一章引言 1 . 1研究背景 火灾是火失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象，是各种灾害中发生最频繁 且极具毁灭性的灾害之一，其直接财产损失约为地震的五倍，仅次于干早和洪 涝，而其发生的频度则居各灾种之首a 1 。它遍及城市乡村，造成人员伤亡、财 产损失、环境污染甚至生态失衡。 在我国，仅 1 9 9 9 年就发生火灾近 1 8 万起， 造成2 , 7 4 4 人死亡， 4 , 5 7 2 人受伤， 直接财产损失1 4 .4 亿元2 1 。 对火灾进行及时 有效的探测，并给出准确可靠的报警，从而力图将火灾控制在一定的限度之内， 减少火灾损失，实现火灾的智能防治目 标是火灾科技工作者关注的研究课题3 1 火灾自 动探测技术是人类依靠科学技术与火灾作斗争的有效手段之一4 -5 1 自1 8 4 7年美国的 契宁 ( c h a n n i n g ) 和法 默( f a r m e r ) 研究出 世界上第一台 用于城镇 火灾报警的发送装置，同 年，德国的s i e m e n s 和h a l s k e 公司将电 报装置用于传 送火灾报警信号，从此揭开了人类发展火灾自 动探测与报警技术的序幕，直到 1 8 9 0年英国研制成功了世界上第一台感温式火灾探测器，它能够有效地探测到 火灾产生的热量并自 动报警，标志着火灾自 动探测技术的正式诞生6 1 从1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代， 经过漫长的一百年来， 感温火灾探 测 器一 直占 主导 地 位， 直 到2 0 世纪5 0 年 代 初， 瑞 士的 耶 格( w . c . j a e g e r ) 和 梅 利( e . m e i l i ) 等人根据电离后的离子受烟雾粒子影响会使电离电流减小的原理， 发明了离子感烟火灾探测器，离子感烟火灾探测器开始登上历史舞台。由于大 部分火灾都要释放大量的烟雾， 通常烟雾的出现比火焰和高温都要早，因此感 烟火灾探测技术使人类在实现火灾早期报警向前迈进了一大步，极大地推动了 火灾自 动探测技术的发展。 离子感烟是极其有效的火灾探测方法，己 经得到了 大量应用。但是，由于 它使用放射性物质，引起环境污染，尽管使用过程是安全的，但生产、储存和 报废处理却是非常困难的，而且它对阴燃火的响应灵敏度偏低，因此人们希望 寻找新的烟雾探测方法。随着半导体器件的发展，2 0世纪 7 0年代末出现了光 电感烟火灾探测方法。由于火灾烟雾是由不同粒径的微小粒子组成的，当光照 射到烟雾粒子时，一方面烟雾粒子会将光能向各个方向散射，另一方面粒子还 基于多波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 会吸收光能将其转化成其它形式的能量。利用烟雾粒子对光的散射效应，可以 构成散射光型光电感烟火灾探测器，它是根据光源发出的光经烟雾粒子散射到 光电接收器件上而探测火灾烟雾的。光电感烟火灾探测器对浅色火灾烟雾十分 敏感，环境湿度变化对它的影响较小，又不存在放射性污染，是很有发展前途 的感烟火灾探测技术。 光学探测原理在火灾自 动探测技术中一直扮演着重要角色7 -8 1 ，传统的光电 感烟火灾探测技术，由于仅采用烟雾粒子对入射光产生吸收、散射原理探测烟 雾的浓度进而达到火灾报警目的，在存在灰尘、水蒸汽、油烟、风以及电磁等 干扰时， 容易引起误报，可靠性较低。 激光的问 世， 迎来了光散射技术的黄金 时代9 -3 3 1 ，激光散射技术的采用，为光电感烟火灾探测插上了腾飞的翅膀，利 用各种物质的燃烧粒子对不同波长激光的吸收、散射和消光效应，可对火灾燃 烧类型和非火灾气溶胶进行分类、识别，从而达到准确可靠报警，能从根本上 解决光电感烟火灾探测技术存在的问题，一直是火灾探测领域关心的课题， 是 一种大有发展前途的智能火灾探测报警新技术，具有广阔的应用前景。 1 . 2前人工作 在光电感烟火灾探测中，众多的研究者围绕着提高光电感烟探测器的灵敏 度、降低误报和漏报率、提高光电感烟火灾探测的可靠性，开展了许多研究工 作 34 -0 0 1 从 8 0年代后期开始，由 于模拟量可寻址技术的出现，给火灾探测技术带 来了一场革命，这种技术为各种火灾探测器的改进和发展注入了新的活力。在 模拟量火灾探测系统中，处理火灾信号的方式是模拟量而不是开关量，探测器 实际是一个传感器，本身不决定 “ 火灾”或 “ 非火灾” ，只是将一个模拟量信 号传送到控制器，由控制器中的微处理器通过软件程序，对信号进行处理而发 出火灾报警信号。通过报瞥系统可查询每个探测器的地址及模拟输出量，大大 提高了系统的可靠性，降低了误报率，使火灾探测技术向前迈进了一大步。 9 0年代以 来，澳大利亚和欧洲采用先进的激光探测技术、独特的主动式空 气采样技术和全新的 “ 人工神经网络”算法研制出高灵敏度空气采样式感烟火 灾探测报警系统，该系统的研制成功为火灾探测技术开辟了 崭新的发展途径， 它可以达到非常高的灵敏度，但对环境要求非常高，仅适用于洁净空间( 如计 博士学位论文引启 算机房、电子生产车间、通讯机房等) 早期火灾探测报警，在一般环境或更复 杂的环境场所可靠性较低，误报率较高。 传统的光电感烟火灾探测技术、模拟量可寻址火灾探测技术以及高灵敏度 空气采样式感烟火灾探测报警技术，均是基于烟雾浓度的火灾探测报警技术， 受其探测机理的局限，克服不了环境千扰的影响。为了对火灾进行及时有效的 监测，达到准确可靠的报警，实现火灾探测的智能化目 标，火灾科技工作者探 索使用全新的技术路线来进行火灾探测报警，如基于烟雾微粒分析和识别的火 灾探测报警技术，它所要探测的并不仅是气溶胶的浓度，而是更进一步回答气 溶胶类型是什么?是明火烟雾，还是阴燃烟雾或是非火灾气溶胶，从而彻底克 服环境干扰的影响，达到准确可靠的火灾探测报警。 在微粒分析技术中，随着激光、电子和计算机技术的长足进展，激光微粒 分 析 技 术 得 到了 迅 速 发 展， 文 献 9 , 1 3 介绍了 激 光 微粒 分 析 技 术的 进展， 激 光 全 散射法的研究，也从单波长法、 双波长法发展到多波长法，从只能测定被测微 粒的平均粒径发展到能测定微粒的粒径分布。但微粒分析技术是在己知微粒的 光学折射率时，得到其平均粒径和粒径分布，而对于火灾烟雾来说，其光学折 射率与烟雾的成份有关，当烟雾对入射光有强烈的吸收时，其光学折射率通常 为一复数，且事先难以确定，故很难以火灾烟雾粒径及其分布的测量来确定烟 雾类型。 在火灾烟雾识别领域，国际上进行了一些有益的 探索， 取得了一定的进展， 也预示出基于烟雾识别的火灾探测技术将是今后火灾探测技术的发展方向。 1 9 %年， m . l o e p f e等人a n 对火灾和非火灾气溶胶的光学特性进行了 研究， 他 们采用2 只波长为6 9 0 n m的垂直偏振激光二极管，并将2 束激光分别调制成频 率为4 k h z 和5 k h z ，在直径为3 0 c ，的半环面安装 1 4只光电探测器，以接收不 同散射角的垂直和水平散射光强，散射光信号通过 1 6 位 a / d转换器转换成电 信号，并采用锁相技术将不同频率的信号进行解调，测定出不同散射角的偏振 度，以 此对5 种欧洲标准试验火和非火 灾气溶胶进行识别;1 9 9 8 年， y o n g g a n g c h e n等人4 z 采用傅里叶红外光谱气体分析和人工神经网络方法，通过测出火 灾燃烧产物中的各种气体的浓度( 如一氧化碳、二氧化碳、氯化氢、甲 烷、甲 醇、甲醛等) ，并以此作为神经网络的输入，网络的输出是对输入数据进行分 类，诸如明火、阴燃火和环境干扰，通过神经网络的学习训练，可实现明火、 基于多波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 阴燃火和环境千扰的分类识别，从而达到可靠的火灾探m li 报警，他们经过 2 4 8 次实验，仅有 1 2 次分类是错误的，实验结果是令人满意的。 尽管近几年国际上关于火灾烟雾识别的研究取得了一些进展，但还是刚刚 起步，尚处于探索阶段，而国内在这方面的研究工作却开展得很少，尚未见有 文献报导，有必要对火灾烟雾的分类识别进行深入的研究。 1 . 3本文研究目 标 围绕激光与火灾烟雾相作用，定量深化认识激光与火灾烟雾相作用的机理 与规律，发展火灾烟雾识别的相应理论模型，实现火灾燃烧类型和非火灾气溶 胶的分类识别，从而达到准确可靠的火灾探测报警，实现火灾探测的智能化， 为发展我国火灾烟雾识别高新技术提供科学原理和方法。 1 . 4本研究的技术路线及主要研究内容 本研究采用理论分析和实验研究相结合的方法，通过对火灾烟雾与激光相 作用的理论分析，采用不同波长激光与火灾烟雾和非火灾气溶胶相作用，探索 火灾烟雾和非火灾气溶胶粒子对不同波长激光传播的影响，揭示火灾烟雾对入 射激光衰减的本质特征，应用人工神经网络方法，建立火灾烟雾的分类识别模 型，实现火灾燃烧类型和非火灾气溶胶的分类识别。 本研究的主要内容为: 1 .对火灾烟雾与激光相作用的机理进行理论分析，研制烟雾激光散射实 验装置; 2 .采用多波长激光同时与火灾烟雾和非火灾气溶胶相作用，探索火灾烟 雾和非火灾气溶胶粒子对不同波长激光传播的影响，揭示出表征火灾烟雾对入 射激光衰减的主要特征参数; 3 .用典型火灾烟雾和粉尘与不同波长的激光相作用，探测典型火灾烟雾 和粉尘对不同波长激光的衰减响应; 4 .探讨从火灾烟雾对不同波长激光的衰减曲线数据中，反演计算火灾烟 雾平均粒径和浓度的数学模型和计算方法; 5 .在实验研究的基础上，建立火灾烟雾分类识别的神经网络模型，实现 火灾燃烧类型和非火灾气溶胶的分类识别。 博士学位论文火灾烟雾的生成及其特性参数表征 第二章火灾烟雾的生成及其特性参数表征 2 . 1引言 火灾是一种复杂的化学反应过程，烟雾是其主要产物之一，绝大多数火灾 都会产生大量的烟雾，而且烟雾是火灾的早期特征之一，是研究火灾探测的基 础。火灾烟雾通常是由以下三类物质组成的具有较高温度的均匀混合物，即( 1 ) 气相燃烧产物;( 2 ) 未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小颗粒:以及( 3 ) 未 燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。烟雾颗粒的平均粒径、尺寸分布和浓度 是火灾烟雾的三个基本特性参数。 2 . 2烟雾颗粒的生成 火灾烟雾的产生依赖于可燃物的性质、燃烧状况，产生烟雾的燃烧状况， 即明火燃烧、 热解和阴 燃， 影响着烟雾的生成量、 成份和特性。 火灾烟雾中的 悬浮颗粒主要是不完全燃烧的产物，即是由气相物质转化生成的再生粒子。可 燃固体的有焰燃烧与无焰燃烧( 阴燃) 时都有颗粒生成，但两种情况下颗粒生成 的机理大不相同14 1 阴燃时生成的烟雾基本上是材料热分解的挥发份，它进入空气后可凝聚成 较重的高分子组分， 形成一种薄雾。 在静止空气中， 颗粒的 平均直径约为1 u m r 并可慢慢沉淀在物体表面形成油污。 有焰燃烧时产生的颗粒几乎全是固体颗粒，其中一小部分是在高热通量作 用下脱离物体表面的灰尘，大部分则是在氧浓度较低的情况下由于不完全燃烧 或高温裂解而在气相中生成的粒子，高温裂解可使气相可燃组分生成更重的组 分， 这种颗粒的直径约为 1 0 - 1 0 0 f p h ，在火焰中可进一步氧化， 但如果温度 不高或氧气浓度过低，它们便以烟雾的形式离开火焰。 2 . 3烟雾颗粒的尺寸分布 烟雾颗粒的尺寸分布是烟雾的基本特性参数之一，火灾烟雾的绝大部分粒 子分布在 。 . 0 1 -1 f a n ， 表示尺寸分布的最基本的 方法， 是求出 某一尺寸带中粒 基于多波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 子所占的质量( 或体积、表面积、粒子数目 ) 百分数。这样的数称为频率分布或 频谱分布。目前应用最广泛的粒子尺寸分布的数学表达式有罗辛一 拉姆勒 ( r o s i n - r a m m l e r ) 分布函数和上限对数正态分布函数1 18 1 。其他分布函数，如正 态分布函数、对数正态分布函数等。 2 . 3 . 1 罗辛一 拉姆勒分布 罗辛一 拉姆勒函数( 或称 r - r函数) 是 1 9 3 3年是由罗辛一 拉姆勒在研究磨碎 煤粉的颗粒尺寸分布时首先提出来的，它实际上是一种概率分布函数。其表达 式是 ( 2 - 1 ) lesesesesesj k 、!ij7 d一一x 式中，n为大于粒子直径d的粒子累积粒子数目的百分数;k 为粒子尺寸分布 参数;s 为 特征 参 数 ( i o n ) ; d 为 粒 子的 直 径 ( n m ) o 方程( 2 - 1 ) 的形式比较简单，仅仅用x 和k 这两个参数，即可说明粒子的尺 寸分布特征。 参数k 提供了粒子尺寸分布的测量，如图 2 . 1所示。k 值越大， 粒子的尺寸就越均匀，如果k 值为无穷大，则粒子就是单一的尺寸了。 k大 k小 图2 . 1不同k 值的粒子数分布曲线 方程( 2 - 1 ) 中x 是一个特征尺寸。它表示大于这个尺寸的粒子数占总粒子数 的 3 6 . 8 %. 博士学位论文火灾烟雾的生成及其特性参数表征 2 . 3 . 2 上限对数正态分布函数 我们假设，烟雾粒子的累积容积分布是连续的，且服从如下的规律: v ( x ) 2 7 r 6 如果参数x 直接取粒子的直径 为标准偏差。 。 扩x 2 、 ， j_ e x p t 一 2 6 2 尹(2 -2 ) 那么方程( 2 - 2 ) 就是正态分布函数。其中a 容积频率分布并不完全是正态分布。即容积频率分布曲线不是对称的。我 召-4-5-6 2222 们令 式中 ， a d 、 z=11 11 又 d m e 、 一 d ) a 为 尺寸参 数;d 二为 粒子的 最大直 径( n m ) 由方程( 2 - 2 ) 可以求得容积频率分布函数为 d v 1 x 2 、 下 一= 下 于 = 一e x p i 一_ i a xv 1 7 0 6又 l ( y - 少 由方程( 2 - 3 ) 可得到 d m e x d ( d . _ 一 d ) 所以容积频率分布函数又可表示为 d v_d m _ 万不 刃一 7于=一二 二 ，一 二 丁e x p “ “v t o . o r - d um 二一口) ! ， (. d ) 2 1 _ ldm_ -d) 对于圆球形粒子，如果以n表示粒子数的话，则粒子数的增量d n和容积 增量d v有以下关系 6 a 周 =-d厂 7 一1 3 ( 2 - 7 ) 纂于多波 长激光散射的火灾烟雾识别研究博士学位论文 将方程( 2 - 7 ) 代入方程( 2 - 6 ) 中，可得到 ( 2 - 8 ) 、11几!了 ， 干ij 、1.ee月/ a d i n i二一 - d m ，一 d 扼。d ( d _ 、 一 d ) 方程( 2 - 8 ) 称为粒子频数的上限分布函数。 2 . 4烟雾颗粒的平均尺寸 烟雾颗粒的平均直径按定义不同，有不同的数学表达式、不同的数值和物 理意义1 8 。所谓平均直径就是用一个假想的尺寸均一的粒子群来代替原来的实 际的粒子群，而保持原来粒子群的某个特征量不变。 最常用的有索太尔平均直径、体积平均直径和质量中间直径。 表2 . 1 中给出了 部分可燃物在不同燃烧状况下产生烟雾颗粒的平均直径11 1 . 2 . 4 . 1索太尔平均直径( d 3 2 或s m d ) 索太尔平均直径是一种应用最广泛的平均直径，其定义是:用一个假想的 俩 尺寸均一的( 直径均为 s md ) 粒子群， 表面积的比值不变。 假 设 实 际 粒 子 群 的 总 体 积 为 v , . ， 数增量为d n，则有 代替实际的粒子群时，保持总体积和总 总 表 面 积为s v r 书 心 广d 3d n s 二 一 二 r - d 2d n 粒子的直径为d，粒子 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 所以 v ii _ r - d 3d n s pr 6 广 “ d z d n ( 2 - 1 1 ) 博士学位论文火灾烟雾的生成及其特性参数表征 表2 . 1部分可燃物产生烟雾颗粒的平均直径 可燃物 平 均 直 径d 3 2 ( f -) 燃烧状况 杉木0 . 7 5 -0 . 8热解 杉木 0 . 4 7 0 . 5 2 明火燃烧 聚氯乙烯( p v c ) 0 . 8 1 . 1 热解 聚氯乙烯( p v c ) 0 . 3 - 0 . 6 明火燃烧 软质聚氨脂塑料( p u )0 . 8 - 1 . 0热解 软质聚氨脂塑料( p u )0 . 5 -0 . 7明火燃烧 硬质聚氨脂塑料( p u )1 . 0热解 硬质聚氨脂塑料( p u )0 . 6明火燃烧 聚苯乙烯( p s )1 . 4 热解 聚苯乙 烯( p s )1 . 3 明火燃烧 聚丙烯( p p )1 . 6 热解 聚丙烯( p p ) 1 . 2 明火燃烧 有机玻璃( p m m a ) 0 . 6 热解 有机玻璃( p m m a )1 . 2 明火燃烧 令平均后的粒子总数为n，总的体积和表面积分别为v 和s ，则可得到 v=n ( 肠。 ) ( 2 - 1 2 ) 墓于多波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 s=n ( s m d ) ( 2 - 1 3 ) 工 ( s m d ) 6 ( 2 - 1 4 ) 根据定义，式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 - 1 4 ) 应相等，故得到 s m 0 =( 2 - 1 5 ) 广一广 公式( 2 - 1 5 ) 是求解s m d的一般形式，如果知道了粒子尺寸分布函数，即可 求解。 2 . 4 . 2总体积 和粒子 总数不变的 平 均直径( d 3 o ) 体 积平 均直 径d 3 。 的 应 用也比 较普 遍。 它的 定 义是: 平 均 后( 即 假 想的 ) 的 粒子群的总数目 和总体积均保持与实际的粒子群相等。 实际粒子群的总体积为 v ,， 一 介二d 3 d n . u 6 ( 2 - 1 6 ) 假想的 粒子 直径均为d 3 。 的 总体 积为 v = 晋 d 33o n ( 2 - 1 7 ) 在方程( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 中，d n为粒子数的增量，n为粒子的总数目。 根据定义，式( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) 应相等，即 d 33, n 一 f 一 d 3d n ( 2 - 1 8 ) 考虑到粒子数相等，即 n 一 f d n ( 2 - 1 9 ) 博士学位论文 火灾烟雾的生成及其特性参数表征 所以可得出 d 3 0 = ( 2 - 2 0 ) 同 样， 如果 粒子 尺 寸分 布 用双 参数的 分 布函 数 表示，d , 。 就 是 双参 数的 函 数，并且可以方便地求出。 2 . 4 . 3质量中间直径( mmd) 质量中间直径定义为:在该直径以上或以下，粒子的累积质量百分数相等 ( 即各占5 0 %) . 质量中间直径可以由 质量频率分布数据直接求得。 当用r 一 r 分布时，其累积容积百分数达到 5 0 %时，它的粒子直径即为质 量中间直径。 mmd二( 0 ( 2 - 2 1 ) 2 . 5烟雾的浓度 烟雾的浓度是火灾防治界最为关心的烟雾特性之一川 ，通常它直接反映了 烟量的大小、能见度降低的情况和烟雾的危害程度。目 前对烟雾浓度尚没有一 个统一的定义和测量单位，这是因为不同物质燃烧产生的烟量和成份是不同 的， 采用不同的测量方法会得出不同的数值，因此有多种表示烟雾浓度的方法。 ( 1 )粒子数浓度 粒子数浓度是以单位体积中所含有的烟雾粒子的数量来表征烟雾的浓度， 其 单 位 为 1 / m ， 。 ( 2 )质量 浓度 质量浓度是用单位体积内 烟雾的质量来表征烟雾的浓度，一般是借助过滤 已知体积的烟气，并称量所收集的颗粒物质，来测定烟雾的质量浓度， 其单位 为s / m 。 基于多 波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 ( 3 )减光率 减光率是利用光束穿过烟雾时光强度产生衰减量的百分数来表示烟雾的浓 度4 3 1 。一束乎行光通过烟雾时烟雾粒子会对光线产生散射和吸收作用，使光电 接收器接收到的光强度降低，无烟雾和有烟雾情况下光电接收器接收到的光强 度之比直接与烟雾浓度成比例，因此， 减光率直接对应烟雾的浓度。设无烟雾 时 光电 接 收 器 接收 到的 光强为i a ( w l m 2 ) ， 光 在烟 雾中 穿 过 一定 距离 后 光电 接 收器所接收到的光强为1 ( wl m 2 ) ，则减光率s( %) 可表示为 1 一 二 了 0 x1 0 0 %( 2 - 2 2 ) 厂.lesest、 一一 s ( 4 ) 光学密度 光学密度定义为 4 3 1 . 。 _ l0 lo g ( 1 0 11 ( 2 - 2 3 ) 式中，d 为光学 密 度( d b ) ; i 。 为 无烟雾时 光电 接收器接收到的 光强( wl m i ) ; i 为有烟雾时光电 接收器接收到的光强( wi m z ) o ( 5 )减光系数 减光系数定义为4 3 1 1 0 ， p 0 m =一 下l o g= a尸 ( 2 - 2 4 ) 式中，d 为光学测量长度( m ) ; p 0 为无烟雾时光电 接收器接收到的光功率 ( w) ; p为有烟雾时光电接收器接收到的光功率( w) ; m的单位为d b l ma 减光系数m与减光率s 之间的关系可由下式表述: m 一 鄂一 lo g (10 一 0 .1s ) ( 2 - 2 5 ) 在上述表述烟雾浓度的方法中，光学测量方法( 减光率、光学密度、减光 系数) 均依赖于测量光源的波长，采用不同波长的测量光源，会得到不同的浓 博 卜 学位论文火灾烟雾的生成及其特性参数表征 度值。 2 . 6本章小结 烟雾是火灾的早期特征之一，火灾烟雾的产生依赖于可燃物的性质、燃烧 状况， 烟雾颗粒的平均粒径、 尺寸分布和浓度是火灾烟雾的三个基本特性参数。 火灾 烟雾 绝大部 分粒子 分布在0 .0 1 - i w n 范围内， 其 平均直 径可用 索太尔 平均 直径、体积平均直径和质量中间直径来表征;其颗粒的尺寸分布常用罗辛一 拉 姆勒( r o s i n - r a m m l e r ) 分布函数和上限对数正态分布函数来表述;根据不同的 测量方法可得到多种表示烟雾浓度的方法，通常有粒子数浓度、质量浓度、减 光率、光学密度、减光系数。 基于多 波长激光散射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 第三章基于多波长激光全散射的烟雾识别基础模型研究 3 . 1引言 火灾烟雾粒子与激光相作用时，由于烟雾粒子的散射和吸收效应，会发生 两种不同的过程， 而使入射光产生衰减。 烟雾粒子对不同波长激光的全散 射( 散 射和吸收 ) ， 通常用消光系 数来表 征， 但消光系数不仅与 入 射光波长、 粒子的 平 均粒径和折射率有关，还和烟雾的浓度有关。在基于多波长激光全散射的烟雾 识别基础模型研究中，主要任务是找到一个能反映粒子对多波长激光衰减的相 对程度，仅与 烟雾粒子的本质特征( 平均粒径和折射率) 有关，而与浓度无关的 特征参数，建立火灾烟雾和非火灾气溶胶的分类识别模型以及散射系数和效率 因子的计算、消光系数比的误差分析。 按烟雾粒子的粒径与入射光波长之比，可以把烟雾粒子的散射分为三类， 即小 粒 径粒子散 射服从瑞利 ( r a y l e i g h ) 散射理论、 中 等粒 径粒 子散射服 从m i e 散 射理论和大粒径粒子服从几何光学散射理论。 3 . 2烟雾粒子与激光相作用的理论基础 通过考察任意尺度和形 状的 受 平面电 磁波照 射的 单个烟雾粒子的 散射0 6 ( 见 图3 . 1 ) 0 在比粒子粒径和光波波长大得多的距离上。散射能量表现为以粒子为中心 的球面波。 散射光最重要的 特征是它的强度i ， 在远离原点( 粒子) 处， 通过一个球形 表 面元输送的 能 量为i r 2 s i n o d o d (p ， 它与入 射光束的 强 度i 。 成正比 ， 即 二 )丈 -1-2几 ，j气j 了.、了j，、 _ 厂 几、 _ ， _ i r - s i n t x t t a (=1 , 1 万 一 ir ( u , q) , a , m ) s m bk i fk t ( 万l h_， 1=f1 b , m , % 1 , m ) ( 2 ) 7 r / 兄 ) 上 式中 ，i 为 观 测点 上的 散 射光强 ( wl m 2 ) ; 1 。 为 入 射光 束光强 ( w / m i ) ; 博士学位论文基于多波长激光全散射的烟雾识别纂础模型研究 差分析。 3 . 4 . 1多波长激光全散射烟雾识别模型 在多波长激光全散射中，定义任意一对波长的消光系数的比值为一对波长 的 消光系数比凡， ， * ， ，由 式 ( 3 - 1 7 ) 可得到 k, r, j ，=- - 二 七= k ， 八j q . ( a i m , d 3 2 ) 么 ( a z , m , d 3 z ) ( 3 - 1 9 ) 将式( 3 - 1 4 ) 代入式( 3 - 1 9 ) 中， 可得到 ， _、 :丫( 2 1 + 1 ) 1 r e f a , ( a , ) + b , ( a , ) 1 1 _ 凡 ，i代 叫 人 川。 ， = 一 t 元 ， 少 f 气， ，、 ， _ _ 乙“ i + 1 ) k e l a 八 . b 2 ) + b 八 ti 2 ) 1 1 ( 3 - 2 0 ) 式中凡 + a 2 为 入 射激 光 波长 ( m ) ; a , ( a , ) 与b , ( a , ) 为 波 长为入 时的 散 射系 数;r e 表示取实数部分。 由 式 ( 3 - 2 0 ) 可以 看出 一 对 波 长的 消 光系 数比凡i/ a : 与 散 射系 数 和波 长 有关， 而散射系数a ， 和b ， 与 粒子的 尺度参数。 = ; rd / a 和参数m a 有关， 故对两个已 知 波长的 消 光系 数比r z , ia : 仅与 气溶 胶粒 子的 平 均粒 径 和折 射率 有关， 对 不同 的 气溶胶粒子，其消光系数比是不同的，通常为一定值，此值反映了气溶胶粒子 对两个波长激光衰减的相对程度，仅与气溶胶粒子的 本质特征( 平均粒径、 折射 率) 有关， 据此可实现火灾烟雾和非火灾气溶胶的 分类识别。 一对波长的消光系数比凡， ; : 还 可由 式 ( 3 - 1 6 ) 用两个波长的 入射光强 和出 射 光强来表示，即: rzuz2= 会 = ln(ioii) ln(io/i)i( 3 - 2 1 ) 式 中 ( i o / i ) 、 为 波 长 为 兄 ， 的 入 射 光 强 和 出 射 光 强 的 比 值 ; 可 通 过 入 射 光 强 和 出 射光强的 测定，由 式 ( 3 - 2 1 ) 进行简 单计算而 得到消 光系数比。 3 . 4 . 2散射系数的计算 消 光系数比 的 计算归结为散 射系数a ， 和b ， 的 计算， 散射系数a ， 和句 的 表 达 式如式( 3 - 1 2 ) 所示。 式中 第二类汉克耳函 数( h a n k e l ) 可写成贝 塞尔函数( b e s s e l ) 和 牛曼函 数 ( n e u m a n n ) 的 组 合4 9 -5 3 f l i. 1 ) 二 j ,2 (古 ) - in ,i 2 (咨 ) (3 -2 2 ) 基于多波长激光散 射的火灾烟雾识别研究 博士学位论文 / ， ， 、 月 1， 勺1岌tl艺、 一 二丁 i - ,_ t s ) l ( 3 - 2 3 ) 0 , ( ) + ix , ( ) o , ( ) + ix ; ( ) ( 3 - 2 4 ) =约动 烤自奋 石lseil 由牛曼函数定义可得 c o s (t 十 分 心 ， 奋 ( 古 ) 一 j 一 ， 奋 (古 ) _ s in ( ! + 告 ) ; r ( 一 1 ) ,. , j _ (，十 蚤) ( )( 3 - 2 5 ) “ 、 故有 / _ ， 、 胜 x , ( ) = ( - 1 ) i 鲁 i j _ - - i ( ) 乙 尹 ( 3 - 2 6 ) 为 了 求 得 散 射系 数a ， 和b , ， 可 先 计算砂 ， ( 动，0 , ( 韵 x , ( 勃. x , ( 勃 现已知 r , y fe y r ， ) y 0 o (f ) = l 2 ) j ; ( ， 一 l 2 ) ( 贡 s in ( ) = s in ( ) j 0 _ , ( ) _ (;)y ; (2) = n2 ) y x(l 2 ) iz 4 cos(h) = cos(4) ( 3 - 2 7 ) x o ( 4 ) _n _ ( ) 二 o s ( o x _ , ( ) _n _ _ ( ) = - s i n ( 古 ) 考一2爪-2 兀-户力-、 b e s s e l 函数及n e u m a n n 函数递推公式 ，一 “ ， 一 譬 ，“ ， 一 ，一 (; ， 、 (; ) 一 合 j , ( ) 一 j ,十1(; 习 ( 3 - 2 8 .a ) ( 3 - 2 8 .b ) 博士学位论文基于多波长激光全散射的烟雾识别基础模型研究 将式( 3 - 2 8 .a ) 代入式( 3 - 2 8 .6 ) 可得 不 (; ) 一喜 ， ，(; ) 、 j l十i(; ) s ( 3 - 2 8 . c ) 由 式( 3 - 2 8 .a ) 可推得 of () = 图 = 图 人 + * ( ) = 厂 ， ; 、 越r ， ， _ 土 、 (誉 l兰 法 21 ，一、 ( ， 一 “ ，一、“ ， /