火灾烟颗粒光散射模型的研究

论文摘要

烟雾颗粒是早期火灾探测的重要特征参量，目前基于颗粒光散射原理的光电感烟探测器正逐渐取代离子感烟探测器。光电感烟探测技术的迅猛发展，迫切需要适用于火灾烟颗粒的光散射模型对其进行指导与支撑。 本文从烟颗粒凝团的微观形貌入手，建立各种形貌模型，并基于Maxwell电磁传播理论，围绕Stokes散射矩阵，采用T矩阵法全面地分析了烟颗粒的光散射特征。首先根据“局部法”建立了凝团详细光散射模型，以凝团中各球形主粒子为最小光散射单元，并考虑主粒子间的多次散射。运用本文构建的烟颗粒凝团模拟生成器，基于该散射模型，分析了烟颗粒凝团的分形维数、分形前因子、主粒子个数以及折射率对其光散射特征的影响。接着，根据“整体法”建立了烟颗粒凝团的回转椭球模型，针对单个烟颗粒与对数正态分布的烟颗粒群，基于“长圆形”与“扁圆形”回转椭球模型，详细分析了烟颗粒的折射率与尺度参数对其光散射特征的影响。 针对烟颗粒的Stokes散射矩阵，采用电光调制器、1／4波片、偏振片以及旋转台等，成功设计与搭建了实验装置，对烟颗粒散射光的直流、1阶谐波与2阶谐波分量进行测量。通过生烟装置，对于棉绳阴燃、正庚烷明火与檀香阴燃生成的烟颗粒，分别实验测量了其Stokes散射矩阵中各元素的角度分布曲线。 实验测量结果表明，这三种烟颗粒的光散射过程都体现出显著的非球形效应，尤其是两种阴燃火生成的灰烟颗粒。此外，实验测量的灰烟颗粒与黑烟颗粒的光散射特征，包括光强分布与偏振等存在多方面的显著差异。而实验测量与理论计算的对比表明，基于回转椭球模型的颗粒光散射理论较适用于实际火灾烟颗粒群的各项光散射特征分析。该模型不仅能够体现烟颗粒群光散射的非球形效应，而且能够反映黑烟与灰烟颗粒之间不同折射率的影响。因此，基于回转椭球模型，可以进一步挖掘火灾烟颗粒光散射的各项特征信息，为发展新型、高灵敏度的光电感烟火灾探测技术提供有益的指导。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 重要符号表
• 论文中专业词汇中英文对照
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 前人工作
• 1.3 研究内容与全文结构
• 第二章 微小颗粒光散射基础理论
• 2.1 概述
• 2.2 平面波的偏振特性与Stokes向量
• 2.3 Stokes相矩阵与散射矩阵
• 2.3.1 Stokes相矩阵
• 2.3.2 Stokes散射矩阵
• 2.4 T矩阵法
• 2.5 尺度不变规则
• 2.6 颗粒群光散射的系综平均
• 2.7 散射、消光与吸收截面积等综合散射参数
• 2.8 本章小结
• 第三章 烟颗粒凝团详细光散射模型
• 3.1 概述
• 3.2 烟颗粒凝团的微观形貌特征
• 3.3 烟颗粒凝团模拟生成器
• 3.3.1 烟颗粒凝团模拟构造的递推算法
• f与前因子k_f对凝团形貌的影响'>3.3.2 分形维数D_f与前因子k_f对凝团形貌的影响
• 3.4 烟颗粒凝团详细光散射模型
• f的影响'>3.4.1 分形维数D_f的影响
• f的影响'>3.4.2 分形前因子k_f的影响
• 3.4.3 主粒子个数N的影响
• 3.4.4 折射率m的影响
• 3.4.5 与球形模型的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 烟颗粒凝团的回转椭球模型
• 4.1 烟颗粒凝团形貌模型的“整体法”
• 4.2 基于回转椭球与球形模型的单颗粒光散射
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 烟颗粒折射率m的影响
• s的影响'>4.2.3 尺度参数x_s的影响
• 4.3 基于回转椭球与球形模型的颗粒群光散射
• 4.3.1 火灾烟颗粒的粒径分布特征
• 4.3.2 折射率m的影响
• 4.3.3 粒径分布的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 火灾烟颗粒光散射实验平台的研制
• 5.1 概述
• 5.2 实验平台的测量原理
• 5.2.1 光路与光传递方程
• 5.2.2 光学器件的Muller矩阵
• 5.2.3 光学器件光轴取向角组合
• 5.3 实验平台的构成
• 5.3.1 实验平台的总体架构
• 5.3.2 主要器件及其使用
• 5.4 实验平台的调试
• 5.4.1 波片与偏振片的光轴取向角度组合
• 5.4.2 转臂的“零位”
• 5.4.3 散射中心与“探测器”准直调节
• 5.5 实验步骤
• 5.5.1 实验前的调节步骤
• 5.5.2 实验过程中的操作步骤
• 5.6 实验数据处理方法
• 5.6.1 原始数据的预处理
• 5.6.2 Stokes散射矩阵的求解
• 5.7 本章小结
• 第六章 烟颗粒光散射实验数据分析与讨论
• 6.1 实验概述
• 6.2 结果分析与讨论
• 6.2.1 烟颗粒光散射特征及其非球形效应分析
• 6.2.2 实验结果与基于不同形貌模型的理论计算结果的对比
• 6.2.3 三种烟颗粒光散射的特征差异分析
• 6.3 实验误差分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文、专利及编著
• 作者简介