火灾烟颗粒偏振光散射特征的研究

论文摘要

火灾探测是感知火灾发生和减轻火灾损失的关键技术之一,光电感烟探测器在火灾探测中发挥着越来越重要的作用,然而光电感烟探测器存在着不能有效区分火灾烟颗粒与非火灾烟颗粒如粉尘等而发生误报的突出问题。常规的光电感烟探测器利用烟颗粒对非偏振光的散射原理进行火灾探测,而颗粒对偏振光散射包含颗粒性质更丰富的信息,因此,研究火灾烟颗粒与干扰源颗粒对偏振光的散射特征,并由散射特征估计颗粒的特征,对烟颗粒与干扰源颗粒加以区分,将可能在减少光电感烟探测器误报方面具有重要的应用价值,同时可以推动颗粒光散射理论及利用光散射特征估计颗粒特性方法的发展。论文从颗粒光散射的基本约束方程及解的表示形式分析颗粒偏振光散射特征的主要影响因素:颗粒的大小、形貌和折射率,而这些影响均可以使用颗粒对偏振光散射的Muller矩阵进行描述;利用分析颗粒SEM(Scanning ElectronMicroscopy)图像的方法,对烟颗粒及粉尘颗粒的大小、形貌特征进行研究,建立烟颗粒与粉尘颗粒的形貌模型,利用国内外已有对颗粒性质的研究成果分析烟颗粒与粉尘颗粒折射率的区别;根据烟颗粒与粉尘颗粒形貌特征及尺度大小,使用颗粒光散射计算的DDA(Discrete Dipole Approximation)方法,对不同形貌、大小、折射率的颗粒的光散射Muller矩阵进行计算,分析了颗粒不同特征引起的散射Muller矩阵元素随散射角分布的变化,由此分析利用颗粒光散射Muller矩阵差别估算颗粒性质差别的方法。改造和发展已有的基于电光调制器、波片、偏振片等光偏振态变换器件的烟颗粒光散射Muller矩阵测量系统,改进其光学系统与数据采集方式,提出使用偏振调制的光标定波片、偏振片等光学器件光轴方向的方法,对测量系统进行校准、测试与测量精度的估算,利用该测量系统,完成对典型烟与粉尘颗粒光散射Muller矩阵的实际实验测量。研究结果表明,烟颗粒与粉尘颗粒由于颗粒大小、形貌、折射率引起的对偏振光散射的Muller矩阵随散射角的分布不同可以通过理论计算得到,并可以被实验检测到;通过颗粒光散射Muller矩阵的不同元素随散射角的变化,可以估计颗粒大小、形貌、折射率等颗粒性质的差异。因此,若感烟探测器依据颗粒对偏振光散射原理工作,通过检测光散射Muller矩阵元素随散射角的变化对检测的颗粒做更细致的分类,有可能在有效降低光电探测器的误报率方面取得突破。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 烟颗粒与干扰源颗粒光散射特征与颗粒特征估计
• 1.2.2 相关领域的研究现状
• 1.3 研究内容与研究方法
• 第2章 颗粒光散射理论
• 2.1 颗粒光散射的描述
• 2.2 Stokes向量、光散射Muller矩阵与偏振光散射
• 2.2.1 Stokes向量与光散射Muller矩阵
• 2.2.2 偏振光散射
• 2.3 颗粒光散射的计算方法
• 2.3.1 Rayleigh散射
• 2.3.2 Rayleigh-Debye-Gans散射
• 2.3.3 Fraunhofer衍射
• 2.3.4 Lorenz-Mie散射理论
• 2.3.5 颗粒散射的数值计算方法
• 2.4 影响颗粒光散射特征的因素
• 2.4.1 颗粒大小对散射的影响
• 2.4.2 颗粒形貌对散射的影响
• 2.4.3 颗粒折射率对散射的影响
• 2.5 颗粒群光散射的计算
• 2.6 总结
• 第3章 烟颗粒与干扰源颗粒特征
• 3.1 烟颗粒与粉尘颗粒的形貌
• 3.1.1 烟颗粒凝团的分形结构模型
• 3.1.2 烟颗粒凝团模型参数的获取
• 3.1.3 烟颗粒形状模拟
• 3.1.4 粉尘颗粒形状模拟
• 3.1.5 颗粒形貌分析与模拟程序实现
• 3.2 烟颗粒与粉尘颗粒大小
• 3.3 烟颗粒与粉尘颗粒折射率差别
• 3.4 总结
• 第4章 颗粒光散射特征的计算与分析
• 4.1 计算模型的选择
• 4.2 DDA光散射计算方法原理
• 4.2.1 偶极子位置的指定
• j的指定'>4.2.2 极化率α_j的指定
• 4.2.3 散射计算约束方程
• 4.3 烟颗粒与粉尘颗粒光散射计算
• 4.3.1 计算环境
• 4.3.2 颗粒参数的选择
• 4.3.3 计算结果的表示
• 4.3.4 离散化参数选择
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 数据比较方法
• 4.4.2 DDA计算精度
• 4.4.3 颗粒形貌的影响
• 4.4.4 颗粒大小的影响
• 4.4.5 颗粒折射率的影响
• 4.4.6 烟颗粒与粉尘颗粒光散射特征差别与颗粒特征估计
• 4.5 总结
• 第5章 颗粒光散射Muller矩阵测量系统设计
• 5.1 颗粒光散射Muller矩阵测量原理
• 5.1.1 光散射Muller矩阵变换
• 5.1.2 光散射Muller矩阵的测量
• 5.2 测量系统设计
• 5.2.1 已有的测量系统
• 5.2.2 对已有测量系统的改进
• 5.2.3 测量系统的结构
• 5.3 系统校准与测量参数确定
• 5.3.1 光学系统的校准
• 5.3.2 机械系统的校准
• 5.3.3 信号测量系统参数确定与测量误差估计
• 5.4 系统测试
• 5.4.1 测量系统的稳定性与精度
• 5.4.2 散射测量角控制精度
• 5.4.3 Muller矩阵测量精度
• 5.5 总结
• 第6章 烟颗粒与粉尘颗粒光散射特征的测量
• 6.1 实验描述
• 6.1.1 实验的样本
• 6.1.2 实验设置
• 6.1.3 实验过程
• 6.2 测量结果分析
• 6.2.1 数据处理方法
• 6.2.2 测量结果讨论
• 6.3 总结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果