（通信与信息系统专业论文）烟雾粒子检测与识别系统的蒙特卡罗模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l 拄子识别是火灾自动探测领域研究的一项重要课题。粒子识别除可应用于烟雾及 火灾检测外，还可用于大气污染监测中的空气质量检测、各种气体粒子成份分析等领 域，具有广泛的应用前景。本文以基于粒子激光散射特性的烟雾粒子检测与识别系统 为背景，通过蒙特卡罗模拟方法研究了不同烟雾粒子的激光散射极化特性，为粒子的 检测与识别提供了可行的依据。) ” 仅中介绍了几种传统烟雾探测方法及其弊端，提出基于粒子激光散射的烟雾识别 技术。论述了烟雾粒子激光散射特性，着重介绍了m i e 理论中粒子散射强度和偏振度 的计算，在此基础上给出了烟雾粒子识别的原理。) 一 针对传统火灾探测方法中存在的缺陷，本文设计了主动式基于粒子激光散射的火 灾烟雾粒子检测与识别系统。系统通过测量不同角度和不同偏振方向的散射光强，利 用粒子在不同角度的散射光强和偏振度分布差异，有效地识别不同类型的烟雾粒子。 文中介绍了烟雾粒子检测与识别系统的总体结构，并详细介绍了跟烟雾产生和探测相 关的部分，( 给出蒙特卡罗方法的建模基础。) ”， f 本文提出了种用蒙特卡罗方法来研究烟雾粒子散射特性的思路，j 详细描述了模 拟光子传输的蒙特卡罗方法，分别模拟了粒子单次散射和多次散射光强和偏振度的角 度分布特性，并将模拟结果和m i e 理论结果进行了比较。文中还给出了粒子的大小、 折射率和入射角度对光散射强度角分布的影响。 f 由于实际系统中的激光源往往不是点光源，) 本文还研究了烟雾粒子检测与识别系 统中激光束的扩散本文在理论上利用卷积运算的思路j 推导出有限直径光束作用下， 散射光强分布的公式。同时，采用蒙特卡罗方法模拟了光束的扩散，并分析了光束扩 散对散射光强角分布的影响。 关键词：粒子激光教射 蒙特卡罗方法烟雾探测烟雾识别火灾探测 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a n i c l e r e c o g n i t i o n l sa n i m p o r t a n t r e s e a r c hw o r ki nt h ef i e l do fa u t o m a t i cf i r e d e t e c t i o n i th a sw i d ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha ss m o k ea n df i r ed e t e c t i o n ，a i rq u a l i t yd e t e c t i o n a n dp a r t i c l ec o m p o s i t i o na n a l y s i sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fa i r p a r t i c l ed e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o ns y s t e m ，t h et h e s i ss t u d i e st h el a s e rs c a t t e r i n ga n dp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r so f d i f f e r e n t p a r t i c l e sb ym o n t ec a r l om e t h o d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r r e c o g n i z i n gs m o k ep a r t i c l e s t h et h e s i si n t r o d u c e ss o m et r a d i t i o n a ls m o k ed e t e c t i o nm e t h o d sa n dt t i e i r s h o r t c o m i n g s ，t h e np r e s e n t st h es m o k er e c o g n i t i o nt e c h n i q u e sb a s e do nl a s e rs c a t t e r i n g c h a r a c t e r s b a s e do nt h ed i s c u s s i o no f t h es m o k e p a r t i c l el a s e rs c a t t e r i n gc h a r a c t e r s ，a n dt h e c o m p u t a t i o no fs c a a e r i n gl i g h ti n t e n s i t ya n dp o l a r i z a t i o no fm i es c a t t e r i n gt h e o r y , t h e p r i n c i p l eo f r e c o g n i z i n g s m o k e p a r t i c l e si sp u tf o r w a r d a i m e da tt h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lf i r ed e t e c t i o nm e t h o d s ，t h ea c t i v es m o k e d e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nt h es m o k ep a r t i c l el a s e rs c a t t e r i n gi sd e s i g n e d t h es m o k es y s t e mc a nr e c o g n i z ed i f f e r e n tk i n d so fs m o k ep a r t i c l e s b ym e a s u r i n gt h e s c a t t e r i n gi n t e n s i t yo n d i f f e r e n ta n g l e sa n dp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n s t h et h e s i sp r e s e n t st h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ed e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h ep a r t sr e l a t e d w i t hs m o k e p r o d u c t i o na n dd e t e c t i o ni nm o r ed e t a i l s ，w h i c hi st h em o d e l i n gb a s i so f m o n t e c a r l om e t h o d t h et h e s i sd e s c r i b e st h ei d e aa n dk e ys t e d so f u s i n gm o n t ec a r l om e t h o dt os i m u l a t e p a r t i c l el a s e rs c a r e r i n ga n dp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb o t hs i n g l e s c a t t e r i n ga n dm u l t i p l es c a t t e r i n ga r es h o w n a n dc o m p a r e dw i t l lt h em i et h e o r y m o r e o v e r t h et h e s i ss t u d i e st h e a n g u l a r d i s t r i b u t i o no f s c a t t e r i n gi n t e n s i t yb yc h a n g i n gs i z e s ， r e f r a c t i v ei n d e xo f s m o k e p a n i c l e sa n di n c i d e n ta n g l e so f t h el i g h ts o u r c e t h et h e s i sa l s os t u d i e st h es p r e a d i n go f l i g h tb e a m i nt h es m o k e p a r t i c l ed e t e c t i o na n d r e c o g n i t i o ns y s t e m ，s i n c et h el i g h tr e s o u r c ei s n o ta l w a y st h ep o i n tl i g h tr e s o u r c e t h e _ ， s c a t t e r i n gl i g h td i s t r i b u t i o no f af i n i t es i z el i g h tb e a mi sc o m p u t e d b yc o n v o l u t i o ni nt h e o r y a l s om o n t ec a r l om e t h o di su s e dt os i m u l a t et h ed i f f u s i o no fl i g h tb e a ma n da n a l y z et h e 、 i n f l u e n c eo n s c a t t e r i n gl i g h td i s t r i b u t i o nb y t h es p r e a d i n go f l i g h tb e a m k e y w o r d s ：p a r t i c l e l a s e r s c a t t e r i n g m o n t ec a r l om e t h o ds m o k ed e t e c t i o n s m o k e r e c o g n i t i o n f i r ed e t e c t i o n f j 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 火灾威胁着人类的生命和财产安全，给人类带来了巨大损失。随着经济的发展， 社会城市化的趋势越来越明显，人口的大量聚集、建筑、财产和工业的相对集中，给 火灾的发生带来了日益严重的隐患并加重了火灾发生时所造成的危害，提醒着人们要 加强对火灾的重视和对火灾探测技术的深入研究。要减小火灾的危害，预防是一种行 之有效的手段，但预防并不能完全杜绝火灾事故的发生，只有在火灾发生初期准确、 可靠地探测到火灾并采取相应的措施，才能够真正地减少火灾造成的损失。因此如何 准确、可靠地探测早期火灾成为火灾探测领域研究的一个重要课题。烟雾粒子检测 是火灾探测领域中必不可少的重要方法，长期以来，人们对烟雾探测进行了广泛而深 入地研究。 1 1 传统烟雾探测方法及其弊端 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 ) 首先研制了火灾报警发送装 罱；同年，德国s i e m e n s & 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技术的历史。 从最早的感温式火灾探测器开始，火灾探测技术已经经历了感温火灾探测方法、 离子感烟探测方法、普通光电感烟火灾探测方法、高灵敏度火灾烟雾探测方法的演变 过程。下面将逐一介绍这几种方法。 感温火灾探测方法b l ”通常采用双金属片、易熔合金、水银接点、半导体材料、 玻璃球、热点欧、热敏电阻和空气压力模盒等作为传感元件，当双金属片受热时，它 会向膨胀系数小的一面弯曲，引起触点闭合，然后发出火灾报警信号。其它元件如易 熔合金、水银接点和玻璃球等是利用温度上升后易熔合金或玻璃球的熔化、水银接点 动作等实现火灾探测的。空气压力模盒是在一个金属盒内设计感热室、金属模片、气 塞孑l 和电触点而构成，平时感热室内的空气可以通过气塞孔泄漏出来，当温升急剧时， 感热室空气迅速膨胀而来不及泄漏，使模片项起，从而产生报警信号。这些都属于机 械动作的感温探测器，而且除了空气压力模盒外，其余都是在某一特定温度下产生报 警信号，称为定温火灾探测器。空气压力模盒则是感受温度的急剧变化，称为差温火 灾探测器。感温火灾探测器使用简单、可靠。但实际中许多火灾到大量释放热量时， 华中科技大学硕士学位论文 火势已经较大，所以，感温探测达不到早期探测火灾的目的。由于大部分火灾都要释 放大量的烟雾，并且烟雾比高温和火焰出现的早，所以为了实现更早期的火灾探测， 人们研制了感烟的火灾探测方法。 二f 世纪四十年代，瑞士的w c j a e g e r 和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感烟探测器1 2 州。离子感烟方法是利用放射 性物质( 目前常用镅2 4 1 ) 的a 粒子轰击氮、氧分子而引起电离，产生带正、负电荷 的离子，施加电场后，在电场作用下，离子向极性相反的电极移动，出现电离电流。 当烟雾进入电离区域后，由于烟雾是由不同大小的粒子组成，这些烟雾粒子比离子大 的多，因此会俘获和引起离子复合，使电离电流减小，这样监视电离电流就可以有效 地探测烟雾。但由于它使用了放射性物质，引起环境污染，而且生产储存和报废处理 都十分困难，因而无法得到广泛的应用。 随着半导体器件的发展，二十世纪七十年代出现了光电烟雾探测方法【2 j 【”。当光 照到烟雾粒子时，一方面烟雾粒子会将光能向各个方向散射，另一方面烟雾粒子还会 吸收光能将其转化为其他形式的能量。利用烟雾粒子对光的散射效益，可以构成散射 光型光电烟雾探测器。光电烟雾探测器对浅色烟雾十分敏感，环境湿度变化对它的影 响较小，也不存在放射性污染的问题。但是普通的光电烟雾探测器( 普通入射光源， 被动式感烟) 灵敏度较低，达不到超早期火灾探测的要求。 九十年代初，国际上出现了高灵敏度吸气式感烟火灾探测系统【6 】【7 l ，它能以主动 方式工作并且灵敏度很高，然而它不能识别不同类型的粒子种类，因此灰尘、水蒸气、 香烟等非火灾烟雾粒子都会引起激光散射，产生误报警，而且随着探测器灵敏度的提 高，误报警的比例愈来愈高，从而严重影响了火灾探测系统的可靠性。美国火灾协会 ( n f p a ) 的研究表明：大量与人身伤亡和财产损失相关的火灾事故都与非火灾烟雾 产生的误报警有关，因此，如何准确地识别不同类型的非火灾烟雾粒子已经成为烟雾 探测领域研究的一个重要课题。 1 2 基于粒子激光散射的烟雾识别技术 针对目前常用的烟雾探测技术存在的弊端，近些年来人们提出了烟雾识别技术。 八十年代以来，由于激光雷达技术的发展，利用激光雷达探测大气成分和污染物得到 了广泛的应用【8 1 。同本人提出了差分吸收激光雷达方法，利用气体分子的后向散射特 性柬远程探测空气污染物；小林启二利用米氏激光雷达方法对因菲律宾火山爆发在长 华中科技大学硕士学位论文 野市上空平流层内烟尘分布进行了长期研究，取得了令人满意的结果。但是，采用激 光雷达方法价格昂贵且无法对一定封闭空间内产生的香烟、油烟、蜡等粒子进行有效 的识别。 九十年代中期以来，国际上研究了采用粒子的激光散射特性进行烟雾分析检测的 方法一l ，使得烟雾探测的灵敏度和准确度大大提高。并出现了系列产品，如美国 c o u l t e r 公司的l s 激光粒度分析仪、h o n e y w e l l 公司的m i c r o t r a c 粒度分析仪、t s i 公 司的激光粒子浓度计数仪，以及用于烟雾浓度探测的英国k i d d e 公司的h a t t 激光高 灵敏度烟雾探测器和美国n o t i f i r e 公司的v i e w 激光烟雾探测器等。但这些产品价格昂 贵，大部分为实验室分析仪器，不适合现场使用，也不能对粒子进行识别。另外，香 港工业大学利用光纤和氦氖激光实现的火灾烟雾探测系统1 1 伽使烟雾粒子检测的灵敏 度和可靠性进一步提高，但系统结构复杂，且不能识别烟雾类型。1 9 9 4 年日本人 n a g a s h i m a 和a i z a w a 在美国申请了一项专利”，专利中提到了可识别不同类型烟雾 的探测器，但它的探测灵敏度不够高，所能探测的烟雾浓度要求减光率在1 0 以上， 并且没有生产出相应的产品。m l o e p f e 等人i l2 】还提出了利用散射光的角度和偏振特性 研究燃烧和非燃烧烟雾的光学特性，他们通过实验给出了不同烟雾的偏振特性和粒径 分布，但他们未能识别不同烟雾粒子。 在国内，东南大学的陆勇等人1 1 3 】利用双光路散射方法对粉尘浓度和平均粒径进行 了研究并设计了实验装置。取得了很好的效果；南京理工大学的卞保民等人1 1 4 1 提出了 在单分散尘埃粒子计数器中，用粒子群信号幅度响应函数分析法代替简单的多道幅度 甄别器来分析待测粒子群的粒径分布，并将灵敏度提高到0 1 t t m ；但他们的工作仅仅 局限于研究粉尘粒子的浓度和粒径，并不能对不同的粒子进行识别。在国家自然科学 基金( n o 6 9 4 0 2 0 1 ) 2 ，n o 6 9 7 8 2 0 0 2 ) 的资助下，我们对大气海洋信道中激光粒子的 散射统计特性及弱信号的检测进行了长期研究，并取得了一定理论成果l 】6 】 1 7 】。同时， 我们已于1 9 9 8 年3 月研制出国内第一台激光粒子计数式烟雾探测器，现在南京消防 ( 集团) 公司投入小批量生产，但该仪器只适用于粒子浓度检测和超早期火灾报警。 如何高灵敏度的识别空气中不同物质粒子是我们进一步的工作。 1 3 蒙特卡罗模拟烟雾粒子激光散射特性的方法 蒙特卡罗方法! 博】，又称统计试验方法，是种采用统计抽样理论近似求解物理 和数学问题的方法。蒙特卡罗方法从诞生至今经历了漫长的发展。自二十世纪八十年 华中科技大学硕士学位论文 代以来，蒙特卡罗方法已经成功用于模拟激光一组织之间的相互作用。然而这种方法却 很少用于模拟光介质之间的作用，更少用来模拟烟雾粒子的特性。1 9 9 9 年，a l e x e i k o u z o u b o v 等人【2o l 用蒙特卡罗方法研究了非球形粒子对海水测深的影响，当时他们没 有分析粒子大小、折射率和激光入射角度的影响。 本章深入研究了蒙特卡罗方法，模拟烟雾粒子的激光散射特性，建立不同物质的 空气粒子的激光散射极化特性模型。在提出其激光散射强度和极化角度的计算方法的 基础上，用蒙特卡洛方法模拟在外界参数( 如粒子粒径、颜色及其入射角度) 作用下， 粒子激光散射的空间分布模式，刻画粒子的运动特性和统计特征。 1 3 1蒙特卡罗方法简介 蒙特卡罗方法可以解决各种类型的问题，但总的来说，根据其是否涉及随机过程 的性态和结果，用蒙特卡罗方法处理的问题可分为两类【2 1 1 ： 第一类是确定性的数学问题，用蒙特卡罗方法求解这类问题的方法是，首先建立 一个与所求懈有关的概率模型，使所求的解就是建立模型的概率分布或数学期望：然 后对这个模型进行随机抽样观察，即产生随机变量；最后用其算术平均值作为所求解 的近似估计值。计算多重积分、求逆矩阵、解线性代数方程组、解积分方程、解某些 偏微分方程边值问题和计算微分算子的特征值等都属于这一类。 第二类是随机性问题。例如中子在介质中的扩散等问题就属于随机性问题，这是 因为中子在介质内部不会受到某些确定性的影响，而且更多的是受到随机性的影响。 对于这类问题，虽然有时可表示为多重积分或某些函数方程，并进而可考虑用随机抽 样方法求解，然而一般情况下都不采用这种间接模拟方法而是采用直接模拟方法，即 根据实际物理情况的概率法则，用电子计算机进行抽样试验。原予核物理问题、运筹 学中的库存问题、随机服务系统中的排队问题、动物的生态竞争和传染病的蔓延等都 属于这一类。 在应用蒙特卡罗方法解决实际问题的过程中大体上有如下几个内容： ( i ) 对求解的问题建立简单而又便于实现的概率统计模型，使所求的解恰好是 所建立模型的概率分布或数学期望； ( 2 ) 根据概率统计模型的特点和计算实践的需要尽量改进模型，以便减小方差 和降低费用，提高计算效率； ( 3 ) 建立对随机变量的抽样方法，其中包括建立产生伪随机数的方法和建立对 所遇到的分布产生随机变量的随机抽样方法； ( 4 ) 给出获得所求解的统计估计值及其方差或标准误差的方法。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 蒙特卡罗方法用于模拟烟雾粒子的特性 采用蒙特卡罗方法 2 2 1 1 2 3 1 模拟粒子激光散射和极化特性是烟雾粒子研究中一种不 可缺少的工具和方法。虽然对于粒子激光散射极化技术，试验是最直接和最有说服力 的研究手段，通过试验可以发现新的问题、证实性的设想和方法、获得感性认识，但 由于粒子激光散射试验需要动用激光设备，一次试验需要耗费大量的人力、物力和财 力，因此只能少量地进行这样的试验。另一方面，由于激光与空气微粒作用是个极其 复杂的过程，受外界因素影响较大，而这些因素对系统性能的影响往往很难通过试验 手段进行研究。而蒙特卡洛模拟是一种基于计算机的模拟方法，特别适用于光散射信 道的模拟，并且可以得到直观的结果。所以说，在粒子激光散射和极化研究中，蒙特 卡洛模拟是非常必要的研究手段。 本文处理粒子散射特性的蒙特卡罗模拟，先对激光源进行简化，近似处理为点光 源，然后由点光源扩充到有限直径的激光束，模拟现实中的激光源。粒子受激发生散 射的过程，实际上是光在介质中的传输过程。在研究光在随机介质中的传输问题时， 根掘光的粒子性，可以把光束看成是由很多光子组成的光子束，于是光的传输问题就 转化为光子的传输问题。因为烟雾介质的分布是完全随机的，所以光子在这些介质中 运动时，会与其中的粒子发生随机的碰撞。根据介质粒子性质的不同，碰撞时可能发 生吸收或者散射。如果光子被吸收，则该光子的权值减小，如果权值小于一个事先给 定的门限值，则光子的运动终止，进行下一个光子的跟踪；如果光子发生散射，则遵 从标量相位函数或体积散射函数随机地改变它的运动方向。如此众多光予运动的统计 平均就体现了光在介质中的传输规律。蒙特卡罗方法模拟光子传输问题的一般过程包 括：源分布抽样、碰撞过程计算、光子终止判断和统计处理等。 1 4 本文的研究目标、研究内容 本文的研究是基于“国家自然科学基金( 项目编号：6 9 9 7 5 0 0 6 ) ”资助项目，通 过研究火灾烟雾和非火灾烟雾粒子的激光散射特性，利用多传感器阵列技术和智能信 号处理算法进行烟雾粒子探测和类型识别。 关于烟雾粒子的研究主要有三种研究方法：理论研究方法、实验研究方法和蒙特 卡罗模拟方法。理论研究方法是利用m i e 散射理论研究烟雾粒子的散射极化特性，从 而刻画粒子的散射极化特征模型，由于用理论方法研究粒子散射极化特性往往要求解 十分复杂的方程，计算出来的结果也是建立在大量的近似假设的基础上，因此适用范 华中科技大学硕士学位论文 围有限，很难满足工程研究的需要：实验研究方法是一种最直接最可靠的方法，但由 于实验过程中会受到外界未知因素的影响，从而影响实验结果的稳定性和可靠性；蒙 特卡罗方法是一种基于计算机的统计实验方法，适用于各种条件下的粒子散射特性研 究，并可以对几乎每一种感兴趣的参数进行模拟，因此将蒙特卡罗方法作为本文的主 要研究手段，模拟粒子的极化模型和散射光强分布，是比较合适的。 本文的研究内容主要有： 第二章研究了粒子激光散射的特性，从理论上给出粒子激光散射强度和极化特性 的计算。由粒子的散射特性，进一步说明了火灾早期烟雾信号的获取原理以及粒子类 型的_ i ： 剐原理。 第三章论述了系统样机的结构和设计。针对传统火灾烟雾探测系统的缺陷，研制 了主动式基于粒子激光散射的烟雾检测和识别系统。其中详细的介绍了系统的烟雾产 生部分和探测部分。 第四章详细阐述了蒙特卡罗方法并具体模拟了光子在散射介质中的传输过程。分 别模拟了粒子单次散射和多次散射的散射特性。描述了不同物质粒子的散射光强角度 分布特性和极化特性并与理论计算结果进行比较。给出粒子的尺寸、折射率和粒子的 入射角对粒子散射特性模拟结果的影响。 第五章研究了烟雾粒子检测与识别系统中的光束扩散问题。在理论上推导出有限 直径光束作用下，散射光强分布的公式。并利用蒙特卡罗方法模拟了光束的扩散，分 析光束扩散对散射光强角分布的影响，总结光束扩散的一般规律。 最后总结了毕业设计的工作，并对下一步可开展的工作进行展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 烟雾粒子激光散射原理 光通过除了真空以外的任何介质时，都有一部分的能量偏离预定传播方向而向空 间其他任意方向弥散的现象，称为光的散射。在激光技术出现以后，以高单色、高亮 度的激光辐射作为入射光束，使人们更易于对光散射现象进行观测和研究。对激光散 射理论和应用的研究，是光学领域内最活跃的研究分支之。 2 i 光散射现象的起因和分类 2 1 1 光散射现象的起因 光散射现象的表现形式和种类多种多样，造成这些散射现蒙的物理原因也各不相 同。往往对于同一种散射现象，也可以用不同的理论模型从不同的角度加以描述。 粗略的说，引起光散射的原因1 2 4 心j ，是由于传播介质中的光学不对称性或折射率 不均匀性所导致的，也就是由于介质感应电极化特性的时空起伏或周期性变化所引起 的。假设某种介质的光学性质( 折射率等) 是绝对均匀的，或者说它的感应电极化特 性按时空分布而言是绝对均匀的，则一定方向的光束通过这种介质( 实际上是不存在的) 时，是不会产生光的散射现象的。反之，作为一种常见的例子，当介质内某些局部区 域的光学性质与周围大部分区域的光学性质有一定差异时，则这些局部区域就形成了 散射光的中心。 在经典光学的范畴内，利用介质在入射作用下产生感应电极化效应的观点，可以 对光散射的起因给出简单而直观的解释。在入射光作用下，介质内产生感应电偶极矩， 它们成为次级电磁波的辐射源。当介质内的感应电偶极矩的空间分布是完全均匀时， 这些次波辐射的合成干涉结果，是使介质内沿原前进方向上的光辐射强度为最大，而 沿其他所有方向上的次波辐射则由于彼此产生相消干涉而光强趋于零( 不考虑入射光 在边界上的反射情况) ，也就是不产生光的散射现象；当介质内的折射率分布的均匀 性受到一定程度的破坏时，这意味着不同介质区域内的感应电极化特性有所差异，因 此次波辐射的干涉合成结果，使得沿其他空问方向上的光强不再为零，这就形成了光 的散射。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 光散射现象的分类 从散射介质本身的组成特性来看，可以首先从总的方面分为两大类。 第一类：非纯净介质中的光散射。这是指介质中由外来杂质质点、颗粒、包容物 以及介质本身结构缺陷等因素造成的光散射。其特点是，散射现象不是为介质本身所 固有的，而强烈依赖于外部掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯洁程度。以常 用的固体光学介质( 如玻璃和晶体) 为例，在玻璃和晶体制造工艺过程中形成的结石、 气泡、条纹、杂质颗粒、位错和局部应变区域等，都可以形成对入射光的散射中心。 另外，空气和液体中悬浮的杂质微粒、微尘和微滴等散射中心所产生的散射行为，也 属于此类现象。 第二类：纯净介质中的光散射。即使所考虑的介质是由成份相同的纯净物质所组 成，其中不含有外来的掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现 象，并且这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净程度没有本质上的关 系。属于这类散射现象的主要有以下几种： l 、瑞利散射 介质由相同的原子或分子组成。由于这些原子或分子空间分布的随机性和统计起 伏( 密度起伏) ，造成电极化特性的相应随机性起伏，因而形成对入射光的散射。这 种散射现象的特点是散射光的频率与入射光的频率相同，在散射前后原子或分子的内 能不发生变化；此外则是散射光强于入射光波长的四次方成反比。 2 、拉曼散射 这种散射现象主要发生在由分子组成的纯净介质中。组成介质的分子，是由一定 的原子或离子组成，它们在分子内部按一定方式进行运动( 振动或转动) 。分子内部 粒子问的这种相对运动，导致分子感应电偶极矩随时间的周期性调制，从而可产生对 入射光的散射作用。在单色光入射的情况下，由于分子感应电极化特性随时间周期性 变化的结果，使散射光的频率相对于入射光而言发生一定的移动，这种频率量的大小， 正好等于上述调制频率，也就是说只与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3 、布罩渊散射 对任何纯净的介质来说，由于组成介质的质点群连续热运动的结果，在介质内始 终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动， 意味着介质密度( 从而也是折射率) 随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产 生散射作用。布里渊散射的特点是：散射光的频率与入射光的频率不同，散射光的频 移大小与散射角及介质声波场弹性有关。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 烟雾粒子激光散射强度的计算 激光通过烟雾粒子时也会发生散射，但烟雾粒子的尺寸不同，其散射行为也有所 不同。为了划分不同尺寸的烟雾粒子，本文引入粒子尺寸参数口= z r d 2 ，其中d 为粒 子直径，a 为入射光在粒子周围介质中的波长。根据口的大小，可以把烟雾粒子划分 为三类：6 t - a o3 ，为中等粒径烟雾粒子；口1 0 ，则 为大粒径烟雾粒子。 一般的烟雾粒径分布在0 0 0 1 1 0 0 p r n 之问，变化范围为1 0 5 ，但在上述范围内并 不是平均分布的。在6 5 0 n m 9 0 0 n m 的波长范围内，绝大多数烟雾粒子属于中等粒径 粒子，只有极少量属于小粒径和大粒径粒子。 大粒径粒子的散射服从几何光学，在大粒径粒子几何横截面所确定的面积内通过 的光，一部分被粒子表面反射，一部分入射粒子内部，入射粒子的光线经过若干次内 反射和折射后，一部分重新射出，一部分被吸收。整个过程非常复杂，这里不进行定 量分析，但从分布形式上，其分布特点是：整体的散射能力很强，绝大部分散射集中 在向前的一瓣，但在其他不同的角度上，可出现次级的极大与极小值。其相应的散射 图如下： 图2 - 1人粒子散射光强角分布 中小粒径粒子的散射用m i e 散射原理及瑞利散射原理来解释。下面将分别介绍瑞 利散射和m i e 散射。 22 1 瑞利散射光强度 小粒径粒子的散射为瑞利散射【2 4 】【”1 。对于比波长小得多的粒子，波的局部电场在 任何时刻都可视为是均匀的。外加电场在粒子中感生一个偶极子。该感生偶极子随外 加电场振荡而振荡，并向所有方向散射。 设散射粒子的相对折射率为1 3 3 ，形状为球形且各向同性，其直径为d ；并设散射 粒子与接收点或观察点的距离为r ，入射光波波长为 ，光强为i o ，则由电磁场理论 华中科技大学硕士学位论文 可推导出在r 处的接收点接收到的散射光强i 的表达式如下 疗4 d 6m2 1， 。2 。而( i ；雨) 8 i n 2 妒( 2 - 1 其中妒为入射波电场矢量与观察方向即散射光方向的夹角。 可以看出，散射光强的角分布取决于s i n 2 p ，在入射光波电矢量方向或散射粒子 的偶极子方向上的散射光强最小，等于零；在垂直于电矢量方向的散射光强最大。图 2 - 2 ( a ) 给出了散射光强的角分布。图中入射光束的方向沿x 轴的正方向，e 点为散射点， e 为电矢量方向。如果此时入射光是线偏振光，则其电矢量是在垂直入射方向平面的 某个方向上。这种情况下的散射光也是线偏振光，其偏振方向由横波性决定，它处在 散射方向和偶极子方向构成的平面内，并垂直于散射光的方向。 当入射光是自然光时，利用公式( 2 1 ) 对角度妒进行平均，得到的角分布为1 2 ( 1 + c o s 20 ) ，如图2 2 ( b ) 所示。图中入射光束的方向沿x 轴的正方向，e 点为散射 点。垂直于入射光方向的散射光强是沿着入射光方向散射光强的一半。只有垂直于入 射方向的散射光是线偏振的，而在原入射方向或逆方向上的散射光仍是自然光，其它 方向的散射光是部分偏振光，光强介于两者之间。 书带 ( a )( b ) 图2 2 瑞利散射光强角分布 ( a ) 入射光为偏振光( b ) 入射光为自然光 定义粒子散射的能量与粒子几何横截面所获能量之比为散射系数q ；粒子吸收能 量与粒子几何横截面所获能量之比为吸收系数q o ；入射光中减少的能量与粒子几何横 截面所获能量之比为消光系数q 。很明显q 。= q 。+ q 。可以证明，瑞利散射的散射 系数可表示为 华中科技大学硕士学位论文 ”8 d 4 r e 【崧】2 ( 2 - 2 ) 式中，r e 表示取实数部分；而瑞利散射的吸收系数可以表示为 q o = - 4 d 4 i m 署毫 2 ( 2 - 3 ) 式中i m 表示取虚数部分。 从前面的分析可得到，当入射光是线偏振光时，散射光也是线偏振光；而当入射 - 光为自然光时，散射光在不同的观测角呈现出偏振光和非偏振光不同程度的混合。 令散射光中的两个偏振分量分别为i v 和1 h ，其c a 矢量分别垂直和平行于观测平 面。则偏振度p 为 肚糕 a ， 对于各向同性的小粒子，由于不存在退偏振，其偏振度为 尸= 羔 协s ， 而对于非各向同性的粒子，由于存在退偏振度，上式并不成立，定义退偏振度因 子p 。 只：! h 型堡旦( 2 - 6 ) “ ，y 协2 ) 1 + v 再定义相函数p ( o ) 为“在某个给定方向上单位立体角中散射的能量和在所有方向 上平均的单位立体角中散射能量之比”。则各向异性小粒子的相函数为 尸( 口) 2 百石j 矗【( 1 + 3 y ) + ( 1 一y ) c o s 2 】 ( 2 7 ) 2 2 2 m i e 散射光强度 中等粒径粒子的散射光强度可由m i e 散射理论2 6 1 【2 9 1 得到近似解。m i e 散射理论 将粒子理想近似为球形，然后从电磁理论导出粒子对单色平面波产生扰动的严格表达 式。对于给定折射率的单一色散的粒子系，m i e 假设：散射光与入射光波长相同：粒 子| 日j 的距离至少在粒子直径的三倍以上；单个粒子散射的强度具有可加性；由于不考 华中科技大学硕士学位论文 虑多次散射，总散射率与粒子数目成正比。 根据m i e 理论，当光强为i o 的自然光入射到各向同性的球形微粒时，其散射光强 为 ，( 以矾川) = 嘉 f l ( 鼠以脚) + i 2 ( 0 ，哟】，o ( 2 8 ) 而当入射光为一平面偏振光时，在散射面上的散射光强为 ( 妒) 2 百善母( 7 l s i n 2 妒+ 7 tc 。s2 妒) ，。 ( 2 9 ) 散射光是部分偏振光时，定义偏振度为 p ：! l 二蔓( 2 1 0 ) i l + i 2 上式中，0 为散射角，m = m + j m 2 为粒子相对于周围介质的折射率，虚部不为零， 表示粒子有吸收，r 为观察点至散射粒子的距离，驴为入射光的电矢量相对于散射面 的夹角，而i l 、i z 则分别为垂直及平行于散射面的散射强度函数分量。 根据m i e 理论，i 卜i 2 有如下形式i l = i s l f 2 ，i z = s 2 1 2 ，式中s l 、s 2 称为幅值函数，可表 示为下列无穷级数： s 2 篙h 2 ( n ”+ + 1 1 ) a 7 r 一( c o s o ) + b ”r ( c o s 0 1 ) ( 2 一i i ) 耻砉云糟”小刚巾o s 别 式( 2 1 1 ) 中的a n 和b 。称n m i e 系数，其计算式为【3 0 1 1 3 1 】【3 2 1 n =p ( 口) 缈。( m a ) 一肌y 。( 口) 少。( m a ) ( a ) v 。( 埘口) 一m e 。( a ) f r 。( m a ) b ：竺竺! ! 竺! 竺! ! 竺竺! 二竺! ! 竺! 坚! ! ! 竺! 。 m 己( 口) 。( 肌口) 一专，( 口) 。( 卅a ) 式中v ( z ) ，( z ) 含有半奇阶贝塞尔函数 勒让德函数，其计算式为 f 2 1 2 ) ( c o s0 ) ，t ( c o se ) 含有 华中科技大学硕士学位论文 州z ) = ( 罢) jl ，( z ) 4 ”2 “z ) = ( 要) z h ( z ) ”+ i 引c o s l 9 ) = 磊胪( c o s l 9 ) ( 2 - 1 3 1 “= 娑笋 p , i j l ( c 。s 臼) = 一s i n 护d l o 只( c 。s 曰) 式中l 。! ( z ) 为半整数阶第类贝摩尔函数，h 。! 。( z ) 为半整数阶第二类汉克尔函 数。n ( z ) 为n 阶勒让德多项式。 若要定量计算单个粒子的散射极化模型，首先需计算m i e 系数a n 和b 。利用贝塞尔 函数的递推公式和相应的简化算法，得到实用的计算公式 。f h n u n + p n 6 l “一了一广 “j 】十r j ， 口j ，：型尝 扩+ n( 2 1 4 ) “，f u ，7 + v ，t ( ) d 。2 _ 一 “ + v 6 j = 塑粤掣! 式中a 和a 1 表示a 的实部和虚部，b 和b 表示b 的实部和虚部。u 、v 、u 、6 和 u 、v 、u 、6 为递推系数。 图( 2 3 ) 和图( 2 4 ) 分别给出两种不同物质粒子( m = 1 3 3 和m = ls 5 ) 散射光强的两个 偏振分量和偏振度随散射角度和粒子尺寸参数变化的情况。从图中可以看出，不同粒 f 的散射光强度和偏振度的角分布是完全不同的，即使是同一种粒子，某一散射角度 的散射光强度与另一散射角度的散射光强度也可能完全不同，这时必须考虑粒子的大 小、形状、介电常数和粒予的吸收性。粒f 的尺寸参数a 和折射率m 决定了粒子所有 的消、圯、散射和极化特性。而不同物质燃烧放出的烟雾粒子，口值和m 值遵循一定的 统h 特- 陀。 华中科技大学硕士学位论文 散射强度 m = i3 j极化度 散射角度 a _ _ 4 i ：a 、 、一一 _- m 厂 v 一 一 叫净 o6 01 2 01 8 0 散射角度 幽2 - 3散射光强分封和极化度的角分布图( m = 1 3 3 ) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 散射强度 m 4 j 5 5 扭化度 o 6 0f 2 0 敢射鲰度 o 0 o 。稍八 ，。 卜、7 ：v 3 厂 ，j 呵、v 葡八夕 o o 1 8 006 0 2 0l 散射伟度 幽2 - 4 散射光强分苗午极化度的角分布幽( m = 1 5 5 ) l5 华中科技大学硕士学位论文 从陶2 5 中，可以更清楚地看到粒，尺寸参数“和折射率m 变化时，散射光强度 随散射角度变化的典型情况。从图2 - 5 ( a ) 中可以看到不同a 值的粒子在各个散射角 度的光强都不同。而且中等粒径粒子的散射图和小粒径粒子不同，出现了不对称性， 随着a 值的增大，不对称性进一步明显，主要是前向散射加强，有时在一些散射角度 t 会出现散射光强度的极大值点。尽管与粒子的尺寸参数相比，粒子的折射率对散射 光强度的影响要小些，但从图2 5 ( b ) 中，可看到粒子的折射率实部越大，对应散射 角度上的光强越大：而粒子折射率的虚部越大，则散射角度上的光强越小，因为粒子 折射率的虚部代表着粒子的吸收性。图2 。3 至图2 5 部表明，粒子尺寸参数a 和折射 率n 1 均引起散射强度的明显不同，这浣明粒子识别的实现是可能的。 s c a t t e ra n 百e s c a t e ra 埘e 幽2 - 5 不同角度对应的散射光强度分布 ( a ) 尺寸参数口的影响( b ) 折射率i l l l 的影响 2 3 火灾粒子识别依据及实现方法 i b 卜一节的粒子散射强度计算公式可知，粒子的尺寸参数甜和折射率1 1 3 决定了粒 ，激光散射强度的角分布情况和散射光的偏振特性。一般来说，不同种类的烟雾粒子， 尺寸参数口和折射率m 都遵循各自的统汁特性，这样就使他们整体上对激光的散射特 7 怍具有一定的统计规律。下面来比较一f 几种标准测试火烟雾的情况。 标准测试火型是，人们为了便于考察各种探测器对各种火灾的适应能力，根据实 华中科技大学硕士学位论文 际的常见典型情况，定义了若干中实验用的火型。如我国标准定义了四种火 3 3 】，欧洲 标准定义了六种火( t f i t f 6 ) ，如表2 1 所示。 表2 - 1 标准测试火类掣 火型描述烟颗粒 t f l 纤维质明火( 木材)主要为不可见黑烟 t f 2高湿阴燃火( 木材)主要为可见白烟，高度离散 t f 3灼红阴燃火( 棉)主要为可见白烟，高度离散 t f 4 塑料燃烧明火( 聚氨基甲酸脂)部分可见，深黑烟 t f 5燃烧液体( 正庚烷)主要为不可见深黑烟 t f 6燃烧液体( 甲基化酒精)无烟 山表2 】可以看出，几种标准测试火型的烟雾颗粒颜色不同。实际上烟雾颗粒的 颜色本质i ：也是山其大小和折射率所决定的，大小和折射率决定了散射光的特性，我 们观察到的颜色又取决于散射光特性。 从统计_ ：来说，白烟的烟雾颗粒大，散射光很强且几乎不吸收光能，这意味着在 光接收器。川哿产生很大的光电子流；而对于黑烟，烟雾颗粒小，光或者被大量吸收或 者被反射网光发射器的方向。 l ：述啊实说明了，只要存不同的散射角度上安装光接收器件，获取散射光的强度 和偏振情况，然后分析出这几个散射角度上敞射光的