室内火灾烟雾对微波衰减的影响研究

韩　玲，张永明，方　俊，王进军，胡海兵

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；

室内火灾烟雾对微波衰减的影响研究

韩玲1，张永明1，方俊1，王进军1，胡海兵2*

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；

2.合肥工业大学智能交通与信息安全研究院，合肥，230009)

摘要：针对建筑室内火灾烟雾环境对微波信号的干扰问题，利用火灾标准实验间和微波实验装置，研究棉绳阴燃、聚氨酯明火等四种典型火灾烟雾对频率分别为600 MHz和2.7 GHz微波衰减特性的影响规律。在有和无火灾烟雾环境下，对比分析入射波频率、烟雾浓度、烟雾类型对微波衰减的影响。实验结果表明，四种火灾烟雾对微波传播有明显衰减，且衰减量均随烟雾浓度的增加而增加，而衰减速率逐渐减小。频率以及不同特性类型的烟雾对微波衰减特性的规律不同。最后，计算并修正了室内火灾烟雾环境下微波衰减因子模型的衰减因子，提高了该模型在火灾烟雾环境下的适用性和准确性。

关键词：火灾烟雾；微波衰减；烟雾浓度；频率；衰减因子

0引言

近年来建筑火灾频发，火灾燃烧中产生的大量烟雾是大气气溶胶的主要来源之一，不仅污染环境、导致人体亚致死效应昏迷死亡，而且对电磁波传输产生影响，造成移动通信、雷达等微波无线信号不同程度的干扰和破坏，给灭火救援工作和人民的生命财产安全带来极大威胁。

对于微波信号，火灾烟雾的吸收和散射会引起信号的衰减。衰减的大小与烟雾粒子的介电特性、粒径分布、浓度以及系统所使用的工作频率有关。国内外关于火灾烟雾对微波传播影响的研究从20世纪80年代开始的，主要是实验研究[1-5]，如s波段烟尘的后向散射特性研究[1]。美国早期利用地面布设弹药爆炸而产生的烟雾进行了传播实验[2]；1993年，中国电波传播研究所发现柴草和汽油燃烧能引起毫米波信号强烈快速的电平变化，但是没有具体研究烟雾和火焰的影响作用[3]；2014年赵[4]通过全尺寸实火实验和计算机模拟，分析和研究地下工程火灾环境对无线信号传输效果的影响。研究均表明火灾烟雾会引起毫米波及微波信号的衰减。但是由于早期研究缺乏烟雾粒子特性理论和精密的测量设备，定量的分析和有效的实测数据非常少，没有建立完善的火灾烟雾与微波信号传播特性的关系。针对这些研究现状和问题，本文从电磁波的Rayleigh散射和吸收损耗基础理论出发，选取棉绳、聚氨酯、正庚烷、柴油作为实验燃料，开展四种燃料烟雾条件下微波衰减特性的实验研究，测量和分析微波衰减与烟雾粒子特性、烟雾浓度以及入射波频率的关系，修正了火灾烟雾环境下微波传输的衰减因子模型，为建筑室内火灾中的无线信号传输问题提供基础理论支撑。

1电磁波在火灾烟雾中传播的衰减机理

火灾烟雾是材料燃烧或热解过程中产生的悬浮在空气中的固态和液态颗粒以及气态物质组成的混合物。它的物理特性主要依赖于可燃物性质和燃烧状况，不同可燃物燃烧产生的烟雾，其颗粒的组成成分、平均粒径、粒径分布、颗粒形状和浓度是不同的, 对不同频率的入射电磁波的衰减特性亦不相同[6,7]。

电磁波在火灾烟雾中的衰减主要由烟颗粒对电磁波的吸收和散射两方面引起。

1.1Rayleigh散射理论

火灾烟颗粒的直径绝大多数分布在0.01 μm～10 μm，在微波频段，依据烟雾粒子的粒径a相对于入射波波长λ的特征尺度参数2πa/λ远小于0.1，采用Rayleigh散射近似计算烟颗粒的散射截面，则烟颗粒的散射强度为[8]:

(1)

1.2电磁波的吸收损耗

在真空或理想绝缘介质内部，没有能量损耗，电磁波可以无衰减地传播。但在非绝缘介质内部传播的电磁波是一种衰减波，在传播过程中，电磁能量转化为热量等其他形式的能量，使通过其中的电磁波产生吸收损耗。任意传播介质的极化和导电特性都可用复介电常数ε来表示[9]，即:

(2)

它与传播信号的频率ω有关，它的实部ε′反映了介质的极化特性，虚部ε″反映了介质的导电特性，表示介质对电磁波的吸收，其中σ是介质的电导率。当电磁波沿x轴方向传播时，任意频率条件下电磁波传播的解析解为:

(3)

式中α为电磁波传播的衰减常数，即:

(4)

其中μ是介质的磁导率。可见，如果介质内部σ≠0，则电磁波在其中传播时必定会产生吸收损耗。因此，若知道烟雾的等效介电常数ε′，利用公式(4)，即可定量求解出烟雾对穿过其中电磁波信号的吸收损耗大小。

在实际的火灾烟雾中，烟颗粒的组分和介电常数变化复杂，结合基础理论，烟雾对微波信号衰减的理论计算只能在某些假设下给出近似值，较为准确的数据更多地依赖于实验研究的结果。

2实验系统及方法

实验在火灾科学国家重点实验室标准火实验间进行，内部尺寸为 10 m×7 m×4 m，实验布局如图1所示，由微波信号源、Agilent N9000A信号分析仪、微波发射和接收天线、烟雾浓度采集设备、火源材料等组成。其中微波信号源的输出功率范围为-127 dBm～+13 dBm，实验采用的输出功率为+10 dBm。采用信号分析仪接收信号，可以检测并显示9 kHz～7.5 GHz频段内电磁波的功率值，它和微波信号源均放在燃烧室外面，以防仪器被污染。实验选用两套工作频率分别为600 MHz和2.7 GHz的天线，增益都为14 dBi、功率辐射宽度都小于30°，且其他参数基本相同。收发天线放置在燃烧室的对角线位置，距离为10 m，中心位置高2 m。火源放置于收发天线中间位置的地面上，使得发射的微波无线信号受周围建筑等影响最小，且穿过大量烟雾。使用离子烟浓度计和扫描电迁移粒谱仪(SMPS)来测量微波路径中的烟雾浓度，综合分析得到最接近实际的烟雾浓度。实验系统还包括温度计、湿度计等各种测量环境参数的仪器。棚顶部安装有排风机，便于在实验后期排净室内烟气。

根据国标试验法和欧洲标准试验方法(EN54/9)，分别选取棉绳阴燃(SH2/TF3)、聚氨酯明火(SH3/TF4)、正庚烷明火(SH4/TF5)，以及非标准火柴油明火等四种典型火灾烟雾作为实验对象。燃烧过程按照标准火实验方法布置，其中柴油燃烧与正庚烷燃烧的布置方法相同。

测量前，将仪器预热30 min，使其输出稳定；准备好燃料，关闭门窗，利用信号分析仪进行初始标定，记录燃烧室无烟雾时接收信号功率P1(dBm)；然后点火燃烧产生烟雾，记录烟雾浓度，这里用粒子数浓度(个/ cm3)表示，以及同时刻对应的接收信号功率P2(dBm)。每组实验至少重复3次至误差相差很小。微波的衰减量A(dB) 为有、无烟雾时接收信号功率的差值，即:

(5)

实验测量的A愈大，表明烟雾浓度对微波的衰减量愈大。

各组实验之间，实验参数均保持单一变量，从而保证测量四种火灾烟雾在不同的频率或烟雾浓度时对微波传播的影响规律。

图1　火灾标准实验间示意图Fig.1　 Schematic of standard fire test room

3实验结果与分析

分别对棉绳阴燃烟雾、聚氨酯明火烟雾、正庚烷明火烟雾和柴油明火烟雾四种火灾烟雾进行频率为600 MHz和2.7 GHz的微波传输实验，测得其烟雾浓度与同时刻相对应的微波衰减响应值，如图2～图5所示。本文主要考察四种燃料烟雾的烟雾浓度、频率和微波衰减量之间的关系，为了便于分析，我们忽略烟气层分布的影响，且其他环境测量参数作为分析参考，这里不做重点研究。

3.1微波的衰减特性分析

实验中四种火灾烟雾对微波传播产生了不同程度上的衰减影响。从图2～图5可以看出，在无火灾烟雾的环境，即烟雾浓度为零时，微波接收信号强度基本保持恒定。点火后，棉绳阴燃、正庚烷明火等四种烟雾对微波传播有明显衰减，且衰减量均随着烟雾浓度的增加而增加。实验过程中，测量得到棉绳、聚氨酯、正庚烷、柴油四种烟雾引起的2.7 GHz微波最大衰减量分别为0.28 dB，0.6 dB，1.36 dB和1.62 dB，即微波接收信号最大衰减了原来信号强度的6.2%，12.9%，26.8%和31%。另一方面，分析微波衰减的趋势变化，发现随着烟雾浓度的增加，微波衰减速率不断减小。图2～图5中四种火灾烟雾在浓度上升初期，微波衰减量迅速增大，当烟雾浓度分别达到3.8×105/cm3、4×105/cm3、1×106/cm3和9.2×105/cm3左右时，其微波衰减速率逐渐减小。由于高浓度的烟颗粒从生成、扩散、凝并到沉积，烟颗粒粒径和粒子数浓度会发生改变，因而烟颗粒与电磁场之间的作用关系也随之改变。

图2　棉绳阴燃烟雾对微波的衰减结果Fig.2　Microwave attenuation results of cotton smoldering smoke

图3　聚氨酯明火烟雾对微波的衰减结果Fig.3　Microwave attenuation results of polyurethane flame smoke

图4　正庚烷明火烟雾对微波的衰减结果Fig.4　Microwave attenuation results of n-heptane flame smoke

图5　柴油明火烟雾对微波的衰减结果 Fig.5　 Microwave attenuation results of diesel flame smoke

比较图2 ～图5中两个频率的微波衰减量，在相同烟雾浓度条件下，频率为2.7 GHz微波的信号衰减均明显大于600 MHz微波，衰减量会增大0.12 dB～1.25 dB，从电磁波衰减原理可知，入射波频率与微波功率衰减有关，在电磁波频率没有与粒子频率接近发生共振，则入射波频率越大，电磁波衰减量越大[9]。

在四种典型烟雾环境的微波传播实验过程中，不同类型的火灾烟雾对微波衰减特性的影响有所差异。相对于正庚烷和柴油明火烟雾，棉绳阴燃烟雾和聚氨酯明火烟雾对微波的衰减变化明显较小。以频率2.7 GHz为例，正庚烷和柴油明火烟雾引起信号的衰减最大值分别是棉绳阴燃烟雾的4.86倍和5.79倍。

不同烟雾粒子引起的微波衰减不同，首先是由于烟雾颗粒的粒径、浓度以及介电常数等不同，则烟颗粒的Rayleigh散射作用不同。其次，火灾烟雾中的碳黑也会影响微波传播，文献[10]表明碳黑对电磁波有吸收作用，同时测得棉绳阴燃烟雾的碳含量低于50%，表明它不是以碳黑颗粒为主。而其他三种明火烟雾的碳含量都超过80%[10,11]，经过成分分析可知，对于棉绳阴燃烟雾，正庚烷和柴油明火烟雾含碳黑颗粒成分较高，对微波吸收作用也较强。此外，火灾烟雾的成分比较复杂，燃烧时引起烟雾粒子的介电常数虚部不断变化都对微波传播产生不可忽视的影响。

3.2室内火灾烟雾环境下微波的衰减因子

室内无线信号传播模型[12]有Chan传播模型、衰减因子模型、对数距离路径损耗模型、Keenan-Motley模型等。结合实验工况，本文采用衰减因子模型为：

(6)

其中L(d)表示信号损耗衰减；L(d0)为1 m处的信号衰减；d为信号传播距离；d0为近地参考距离，取1 m；R表示由于楼板、墙壁等引起的附加损耗；n为衰减因子或路径损耗指数，对不同的无线环境，衰减因子n的取值有所不同，对于封闭式建筑无烟环境，n的取值范围为3.0～3.5。

图6　柴油明火烟雾环境下2.7 GHz微波的衰减因子Fig.6　Microwave attenuation factor (f=2.7 GHz) of diesel flame smoke

点火燃烧前测量得到初始无烟环境的衰减因子n为3.14，处于n值范围之内。根据微波传播实验得到火灾烟雾环境下的n值，图6为柴油明火烟雾环境中衰减因子n的变化。随着柴油烟雾浓度增大，2.7 GHz微波信号的衰减因子n变化范围为3.14～3.30，相对于无烟环境增大0～0.16，记为Δn。其他三种火灾烟雾环境中的n值随着烟雾浓度的增加而增加，利用室内无线信号的衰减因子模型计算，得到四种典型火灾烟雾环境下衰减因子n相较于无烟环境的增加值Δn，如表1所示。

Δn值反映了火灾烟雾对微波传播的影响，Δn越大表明微波衰减越大。因此在火灾烟雾环境中微波信号传播过程中，需要考虑火灾烟雾对其传播影响，增强衰减因子模型在火灾烟雾环境下的适用性和准确性。

表1　四种典型火灾烟雾环境下的衰减因子增加值Δn

4结论

本文采用棉绳、聚氨酯、正庚烷、柴油四种典型火灾实验燃料，研究室内火灾烟雾对微波的衰减特性影响，研究结果表明：

(1)棉绳阴燃、正庚烷明火等四种火灾烟雾对微波传播有明显衰减，且衰减量均随烟雾浓度的增加而增加，而微波衰减速率逐渐减小。

(2)入射波频率影响微波的衰减大小，在同种烟雾的相同烟雾浓度条件下，频率为2.7 GHz的微波衰减影响均明显大于600 MHz微波，衰减量会增大0.12 dB～1.25 dB。

(3)不同特性类型的火灾烟雾对微波传播的影响不同，相对于正庚烷和柴油明火烟雾，棉绳阴燃烟雾和聚氨酯明火烟雾对微波的衰减变化明显较小。在2.7 GHz微波实验中测量得到正庚烷和柴油明火烟雾引起信号的衰减最大值分别是棉绳阴燃烟雾的4.86倍和5.79倍。

(4)计算并修正了室内火灾烟雾环境下微波衰减因子模型的衰减因子n值，随着烟雾浓度的增大，n值逐渐增大，增强了衰减因子模型的适用性和准确性。

参考文献

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Effect of indoor fire smokes on microwave attenuation

HAN Ling1, ZHANG Yongming1, FANG Jun1, WANG Jinjun1, HU Haibing2

(1. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;2. Intelligent Transportation and Information Security Institute ,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:To study the disturbance of microwave signal in fire smokes, experiments for microwave propagation with the frequencies of 600 MHZ and 2.7 GHz in fire smokes generated by typical fuels (cottons, polyurethane, n-heptane and diesel) are conducted in the standard fire test room. The objective is to analyze the effect of parameters on microwave attenuation in the fire smoke, including incident wave frequency, smoke particle number concentration and type of smoke. The experimental results show that the microwave attenuation increases obviously with the rising of smoke particle concentration for the typical fire smokes, while the speed of attenuation gradually decreases. Moreover, the microwave attenuation also varies with different frequencies and different characteristics of fire smoke particles. Finally, the attenuation factor value of wireless signal attenuation factor model by building fire smokes is calculated, which enhances the applicability and accuracy of the model in complicated fire environment.

Keywords:Fire smoke; Microwave attenuation; Smoke particle number concentration; Frequency; Attenuation factor

收稿日期：2016-01-13；修改日期：2016-02-26

基金项目：国家自然科学青年基金项目(51304180)；国家自然科学基金联合基金(U1233102)。

作者简介：韩玲，中国科学技术大学硕士研究生，安全科学与工程专业，研究方向为火灾探测与微波传播。 通讯作者：胡海兵，E-mail: huhb@hfut.edu.cn

文章编号：1004-5309(2016)-0047-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.07

中图分类号：X932，TN92

文献标识码：A