火灾烟雾颗粒532 nm光散射矩阵实验研究

基于自主研制的结合偏振调制和锁相检测技术的光散射实验装置,测量了两种典型火灾烟雾颗粒(棉绳阴燃烟雾和正庚烷池火烟雾)及超声雾化水滴颗粒的532 nm光散射矩阵元素随散射角的分布. 通过水滴颗粒测量结果与数值计算结果的比较验证了实验装置的可靠性. 对比分析了棉绳阴燃烟雾和正庚烷池火烟雾光散射矩阵元素随散射角的分布特征,讨论了该特征在颗粒区分上的应用. 研究了烟雾颗粒微观形貌特征对光散射矩阵的影响,发现可以利用Lorenz-Mie理论描述棉绳阴燃烟雾的光散射,表明其形貌为球形,并利用模拟退火拟合的方法得到了棉 关键词： 光散射 散射矩阵 烟雾     

火灾烟颗粒分形模型和球形模型光散射的比较研究

对烟颗粒的光散射进行模拟计算是研究火灾烟颗粒光散射特性的重要手段,目前对于火灾烟颗粒光散射的数值计算多采用球形或椭球模型.实际上,火灾烟颗粒的形貌与球形和椭球均存在着显著差异.扫描电子显微镜图像表明,烟颗粒具有近似分形的结构.本文利用离散偶极近似方法计算了随机取向的火灾烟颗粒分形凝团以及同体积的球形颗粒的光散射Muller矩阵,并对两者的归一化Muller矩阵元素随散射角的分布进行了比较.研究表明:火灾烟颗粒分形模型和球形模型的归一化矩阵元素F₁₁(θ)/     

基于光散射的火灾烟雾粒子激光图像探测技术研究

本文结合火灾探测领域的特点,分析了火灾烟雾粒子的光散射特性。通过与其他类型的光电感烟火灾烟雾探测技术的比较,阐述了基于光散射的火灾烟雾粒子激光图像探测技术的原理、特点和技术优势。     

基于神经网络的火灾烟雾识别方法

提出了一种基于神经网络的火灾烟雾识别方法，以波长为670nm、1060nm、1550nm的三束激光的三对消光系数比作为网络的输入，网络的输出为“火灾烟雾”和“非火灾因素”，从典型火灾烟雾和非火灾因素对多波长激光的衰减实验中选取数据，组成26种网络样本模式定义表，经391次仿真训练后，输出误差小于0．0001，并经验证实验表明，本方法对火灾烟雾和非火灾因素能进行有效的识别，是处理烟雾识别等非结构问题的一种行之有效的方法。     

相位光栅分离双波长宽角度光线的理论分析

使用衍射光栅的分色分光方式一般以平行光入射情况为讨论基础,对于非平行光入射的情况讨论较少.本文基于菲涅尔衍射理论和角谱理论,将球面波与平面波的衍射波场联系起来,从而在传播函数中引入角度参量,结合分数泰伯效应的理论基础,推导出双波长宽角度入射光线经相位光栅衍射后的波场分布函数,并对推导出的函数进行数值模拟,得到像面不同位置衍射波场分布.与平行光入射时的标准波场分布相比较,得到宽角度入射时的衍射波场的横向展宽量和偏移量.通过调节光栅台阶的宽度,改变衍射场的展宽和偏移,使各个单一波长的衍射波场宽度小于光栅周期的一半,从而减少双波长光衍射波场的混叠.同时本文给出波场宽度与光栅台阶宽度的变化关系,选取光栅面上多个位置作为台阶宽度的计算点,并对整个光栅的台阶宽度进行曲线拟合,得到可以使双波长宽角度入射光实现良好空间分离的光栅参量.该结果可用于各类宽角度入射光线的光谱分离场合,如双波长成像、液晶显示和液晶投影等.     

用消光系数比表征火灾烟雾的分类特征

提出了一种表征火灾烟雾分类特征的方法,采用两个已知波长的消光系数的比值表征火灾烟雾的本质特征.研究表明:两个已知波长的消光系数比仅与烟雾粒子群的粒径分布、平均粒径和折射率有关,排除了烟雾粒子浓度的影响,通过对火灾烟雾进行简单的光学测量和计算,即可得到火灾烟雾的分类特征 关键词： 消光系数比 火灾烟雾 分类特征     

火灾烟雾颗粒凝并分形特性研究

火灾烟雾颗粒因布朗运动由初期的主粒子凝并形成大颗粒的凝团结构，其外形呈现出分形特征，根据分形理论对火灾烟雾颗粒凝团结构进行分析研究，采用场发射扫描电镜对多种材料的烟雾颗粒图像进行测试，通过对烟雾凝团图像进行处理，获得了火灾探测中常见的多种材料的分形维数和分形系数，给出了烟雾颗粒的主粒子粒径，并对其影响因素进行了对比分析，为火灾烟雾探测中颗粒凝并分形特性研究提供有益的探索. 关键词： 火灾 烟雾 颗粒 凝并 分形     

一维反激光器完美相干吸收理论分析

利用传输矩阵和散射矩阵方法, 具体计算了单通道和双通道结构完美相干吸收效应的产生条件, 并分析了其之间的相关性.结果表明, 单、双通道结构各自都有大量可选条件能促 使完美相干吸收效应的发生, 且在入射波长及其相应介质折射率等参数不变的情况下, 双通道完美相干吸收效应产生所对应的介质长度与单通道完美相干吸收效应产生所对应的 介质长度具有二倍关系.如波长为756 nm的光入射Si介质,完美相干吸收可以在介质长度分别为3.701 和7.402 μm的单通道结构和双通道结构中发生. 该研究对促进完美相干吸收效应在光调制、光开关、光学探测等方面应用以及光学通 信和计算领域的硅基集成光子器件设计都具有积极意义.     

电子双势垒量子隧穿的散射矩阵方法及其数值模拟

采用散射矩阵的方法研究了电子在由两个方势垒组成的双势垒结构中的隧穿特性.将电子在双势垒中的隧穿过程分为相干输运和非相干输运两部分来研究,相干输运导致了隧穿透射系数随中间层厚度变化产生量子振荡,而非相干输运导致了振荡振幅的衰减.双势垒总的透射系数与势垒高度、入射和出射波矢的匹配性有关,数值计算的结果证实了相关结论.     

外腔共振和频系统中阻抗匹配的理论研究

外腔共振是提高和频效率的有效方法. 实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中, 因此系统要达到阻抗匹配. 本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型, 分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系, 通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率, 使系统达到阻抗匹配, 提高和频效率. 研究表明, 无论双波长还是单波长外腔共振和频系统, 共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小, 而其本身的入射功率变化则影响较小; 进一步分析表明, 若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值, 和频光功率将会迅速减小, 而小于阻抗匹配值时, 和频光功率减少速度相对较慢, 因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现. 本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.     

Characteristics of light scattering by smoke particles based on spheroid models

Light scattering models of smoke particles play an important role on the development of photoelectric smoke detection. Aiming at the influence of morphology of smoke particles, spheroid models are introduced to analyze the Stokes scattering matrix of smoke particles, which are lognormal size distributions. Under the condition of random orientations, the effects of refractive indexes and mean size of smoke particles are considered. The results show that after averaging of the orientation and size, the nonsphericity of smoke particles has a considerable effect on their light scattering. Additionally, the nonsphericity of gray smoke particles generated from smoldering fires is more important than soot from flaming fires for analyzing the light scattering.     

Discrimination of Smoke Particles Using Infrared Photoelectrical Detection

A method of discrimination of smoke particles using infrared photoelectrical detection is proposed in this paper. Principle of the method is that smoke particles of different materials have different scattering light intensities at same scattering angle according to Mie Theory. Facility used to realize the method includes an infrared laser as light source and an array of avalanche photodiodes distributed at assigned angles as sensing devices. Scattered light signal at these angles are collected and processed. Categories of smoke particle are discriminated by signal processing results. Experiments show that by using this method cigarette smoke, kerosene smoke and water vapor can be discriminated with rate of discrimination of greater than 95%. Application of this technology in the field of fire detection will eliminate some effects of human activities such as cigarette smoking and steam on smoke detection, and improve sensitivity as well as reliability of smoke detection.     

火灾烟颗粒的分形结构形状模拟与光散射计算

针对火灾烟颗粒的形状特点，提出并建立火灾烟颗粒分形结构凝团的形状模型，并对烟颗粒扫描电镜(SEM)图像进行分析，获取分形结构模型中的单个凝团中基本颗粒个数、凝团分形维数、基本颗粒半径等参数.利用该模型对火灾烟颗粒的形状进行模拟的结果表明，该模型能够较好反映出烟颗粒的形貌特征.利用形状模型对火灾烟颗粒散射进行初步计算表明，在其他参数相同的情况下，相对于同体积的球形颗粒，分形凝团具有前向散射较弱，后向散射较强的特征.     

Multiple scattering of light transmission in a smoke layer

The visibility in a fire scene decreases because of the existence of smoke produced by the flammable materials. With the growth of smoke concentration, the relationship between light and smoke becomes complicated due to the multiple scattering. In this paper, the radiative transfer equation (RTE) that considers the multiple scattering was applied to calculate the light transmission in a smoke layer. As input parameters of RTE, the single scattering albedo, asymmetry parameter and extinction cross section of single smoke agglomerate were calculated by the discrete dipole approximation (DDA) method. The effects of smoke agglomerate diameter, number density of smoke layer, and the incident light wavelength were considered. The results show that the light transmitted flux decreases with the growth of smoke diameter and number density, and increases with the growth of wavelength. The smoke diameter is dominant among the three parameters, and the light transmitted flux tends to be stable when the wavelength reaches a certain value.     

非球形粒子散射光的去偏振特性研究

目标对入射偏振光的散射特性反映了目标的属性信息。在Rayleigh散射理论的基础上，通过单层非球形粒子对入射偏振光的散射数学模型，应用矢量传输方程来计算非球形粒子散射的Mueller矩阵元，求解散射介质的偏振度，讨论在不同介质层厚度、粒子半径和探测角的条件下，非球形粒子散射光去偏振度的变化特性，给出了模拟仿真结果。该方法为研究目标的内部结构、厚度和粗糙度等特征以及目标的探测和识别提供了一种新的途径。     

气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由相同数目球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子．根据物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,结合离散偶极子近似方法,在获得每一个偶极子的电偶极矩之后,数值计算了气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,并分析了散射强度随入射光入射角度和气溶胶凝聚粒子尺寸参数变化的规律．结果显示：当散射角较小时,气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度对散射强度影响不大,当散射角增大时,散射强度则明显依赖于气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,在同一角度入射情况下,随尺寸参数的增加,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射．     

Symmetry relations revealed in Mueller matrix hemispherical maps

The hemispherical Mueller matrix map for light reflected from a plane-parallel planetary atmosphere is shown to obey several symmetry properties that provide a straightforward method to check their physical realizability. The mirror scattering relation and the reciprocity relation are employed to support the symmetry rules for hemispherical Mueller matrix maps. Additionally, two classes of experiments are identified in which the symmetry rules can be applied, namely, when the incident beam is at zenith and off-zenith angles and the scattering particles are spheres and randomly oriented hexagonal particles.