烟颗粒对太赫兹波衰减特性的影响研究

2021-03-11屈敬朝冯春勇宋寅卯

安全与环境工程 2021年1期

张单，屈敬朝，冯春勇，李森，宋寅卯

(1.郑州轻工业大学建筑环境工程学院，河南郑州 450002；2.河南省智慧建筑与人居环境工程技术研究中心，河南郑州 450002)

建筑火灾烟气环境下，能见度较低，消防人员不能及时、准确地确定火场环境及被困人员的位置，导致火场环境侦测及人员搜救困难，而太赫兹波是频率位于电波与光波之间(0.1～10 THz)的电磁波，与其他波段的成像技术一样，太赫兹成像技术也是利用太赫兹射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。且与太赫兹波长相比，燃烧产生的烟雾颗粒很小。太赫兹成像系统相对于普通红外线成像系统而言，其受温度和烟雾密度的影响较小，可在不同程度的环境下清晰地获得目标物体的图像，且对人体没有伤害。因其兼顾透过性和高空间分辨率，将太赫兹成像技术引入到火场环境侦测之中，可以较好地解决火场环境能见度低的问题，实现火灾现场人员的快速搜救。太赫兹波在医学成像、雷达、安全检查、通信等领域备受关注。国内中国科学院、北京大学、首都师范大学等多家单位对太赫兹成像及产生源进行了相关研究。山东省科学院自动化研究所研发出太赫兹探测成像仪，该仪器小巧，可清晰地呈现人员的轮廓、位置及运动情况；日本于2016年开发出了能穿透火灾烟雾的太赫兹波照明器。但目前尚未见有学者系统地开展建筑火灾烟气环境对太赫兹波传播特性的影响研究。

已有学者对太赫兹波在气溶胶、沙尘等介质中的传播特性进行了研究，结果表明气溶胶、沙尘等介质会对太赫兹波造成一定程度的衰减。而火灾烟气环境是由材料燃烧或热解过程中产生的烟颗粒和空气组成的颗粒介质环境，会对入射光产生散射和吸收，造成光波特性发生变化，因此太赫兹成像技术不能直接应用于火场成像。烟颗粒为分形凝聚体结构而非球形，其颗粒形貌会影响其对太赫兹波散射场的分布，直接影响烟颗粒的消光特性。Kahnert、胡帅等对比分析了球形与非球形假设的颗粒散射特性，结果表明在考虑非球形模型的基础上得到的颗粒散射特性更为准确。因此，若要将太赫兹成像技术应用于火场侦测，则需要研究太赫兹波在火场烟气环境下的传播特性。故本文开展了烟颗粒对太赫兹波的衰减特性，以及烟颗粒分形凝聚体结构对太赫兹波散射场分布的影响研究。

1 烟颗粒分形结构与模拟方法

1.1 离散偶极子近似法

由于烟颗粒具有分形凝聚体结构，本文采用离散偶极子近似法(DDA法)对其消光特性进行求解。离散偶极子近似法是研究气溶胶、尘埃等介质的吸收和散射性质时常用的数值计算方法，其基本思想是使用大量偶极子组成的阵列模仿连续的物体，通过求解偶极子在入射电磁波照射下的极化度，获得物体的吸收和散射特性，该方法可以计算任意形状烟颗粒的吸收和散射特性。

采用离散偶极子近似法计算烟颗粒对太赫兹波的吸收和散射特性时，首先需要确定烟颗粒的有效半径和形态，即确定构成烟颗粒的各粒子尺寸和坐标；其次，需要计算不同太赫兹波入射波长下烟颗粒的复折射率，见表1。本文在求解烟颗粒的衰减系数时对烟颗粒进行多次旋转并求平均值。

表1 不同太赫兹波入射波长下烟颗粒的复折射率

为了保证在对烟颗粒吸收和散射特性进行计算时的精度，计算时输入的模型必须满足以下公式要求：

′|

<0.5

(1)

式中：

′为不同太赫兹入射波长下烟颗粒的复折射率，其值参考表1；

为相邻的两个偶极子间的距离(μm);

=2π/

，

为太赫兹波入射波长(μm)。若要满足上述公式(1)，

需要足够小，即偶极子数量

要足够大，才能很好地描述烟颗粒的形貌特征。

1.2 火灾烟颗粒的分形结构

火灾烟颗粒具有独特的分形凝聚体结构，乔立峰等、张青等采用高分辨场发射扫描电子显微镜拍摄了不同燃烧条件下的烟颗粒图像，如图1所示为聚氨酯明火烟颗粒和重构的烟颗粒形态。火灾烟颗粒并非标准的球形，而是由不同数量的基本粒子凝聚而成，基本粒子的外形接近球体，整个烟颗粒凝团的形态在学术上称为分形凝聚体。烟颗粒的分形凝聚体结构使散射场分布具有特殊的规律，同时形貌会影响烟颗粒粒径和体积的等效精度。

图1 聚氨酯明火烟颗粒和重构的烟颗粒形态 (Nf=100,Df=1.8,kf=2.3)Fig.1 Polyurethane open fire smoke particles and reconstructed smoke particle morphology (Nf=100,Df=1.8,kf=2.3)

烟颗粒分形凝聚体这种结构可以通过以下公式进行描述：

(2)

式中：

为凝聚体回转半径；

为凝聚体中基本粒子的数量；

为基本粒子半径；

为前置因子；

为分形维数。

1.3 光散射矩阵

烟颗粒对太赫兹波的散射特性可以用Stokes向量来表征，其变换关系如下：

(3)

式中:

为光强;

、

为光波的极化状态;矩阵{

(

)(

=1,2,3,4)}为光散射的Muller矩阵，可以完整地描述散射光的强度与偏振特征，本文只对光散射强度(

)进行分析。

2 模拟工况

2.1 烟颗粒相关参数

张延岗、谢启源、Cai等通过采用扫描电子显微镜拍摄大量烟颗粒凝团的图像得出，燃烧产生的烟颗粒分形参数的范围分别为：分形维数

=1.7±0.15，前置因子

=2.4±0.4，凝团基本粒子数量

分布在0～600之间，平均数约为110。本文烟颗粒形态参数取值分别为

=100,

=1.8,

=2.3，有效半径

选取范围设置为 0.05～3 μm，如表2所示取7个有效半径，如表1所示取8个太赫兹波波长，共56个工况。重构的烟颗粒形态如图1(b)所示。各粒子的坐标文件及有效半径为模拟计算时的输入参数。每个工况均采用3 294个偶极子对烟颗粒的形态进行拟合，在不同工况情况下均能满足公式(1)的要求。

表2 太赫兹波入射波长λ为31.25 μm时烟颗粒的尺寸参数

2.2 太赫兹波段烟颗粒的复折射率

烟颗粒的复折射率是太赫兹波入射波长的函数，波长的大小会影响烟颗粒尺度参数

(

=2π

)的大小以及复折射率的大小，表1 列举了从HITRAN数据库中获得的对应部分太赫兹波入射波长

下烟颗粒的复折射率的实部

和虚部

，为模拟计算时的输入参数。

3 结果与分析

3.1 烟颗粒对太赫兹波的衰减特性

烟颗粒的消光截面(

)随太赫兹波入射波长和有效半径的变化见图2，其中太赫兹波入射波长分别为31.25～55.55 μm 8种情况，烟颗粒的有效半径

为 0.05～3 μm。

图2 不同波长太赫兹波消光截面随烟颗粒有效半径的变化曲线Fig.2 Variation of terahertz extinction cross sections with effective radius of smoke particles at different wavelengths

由图2可见，烟颗粒的消光截面随太赫兹波入射波长的增加而减小，随烟颗粒有效半径的增加而增大。

不同太赫兹波入射波长下，烟颗粒的消光截面(

)、吸收截面(

)和散射截面(

)随烟颗粒有效半径的变化曲线，见图3。

图3 不同太赫兹波入射波长下烟颗粒的消光截面(Qext)、吸收截面Qabs、散射截面Qsca随有效半径aeff的变化曲线Fig.3 Variation of extinction cross sectionQext,absorption cross sectionQabs and scattering cross sectionQsca of smoke particles with aeff at different incident wavelengths of terahertz wave

由图3可见，同一太赫兹波入射波长下，烟颗粒有效半径越大，散射越强；当入射波长增加至50 μm时，烟颗粒对太赫兹波散射的影响基本可以忽略。

3.2 烟颗粒对太赫兹波的散射特性

太赫兹波入射波长

为31.25 μm时，不同烟颗粒有效半径条件下

随散射角分布的极坐标图见图4，烟颗粒的尺寸参数

见表2。由图4和表2可见，当烟颗粒的尺寸参数

≤0.3时，烟颗粒对太赫兹波的散射基本可以忽略。太赫兹波入射波长

为31.25 μm时，不同纵坐标范围条件下光散射强度

随散射角分布的极坐标图，见图5。由图5可见，在

=0.05 μm时，烟颗粒的前向散射和后向散射基本呈对称分布；随着

的增大，前向散射逐渐增大；当

=3.00 μm时，烟颗粒分形凝聚体结构下，

整体呈不对称分布，即烟颗粒形貌会影响其对太赫兹波散射场的分布。

图4 太赫兹波入射波长λ为31.25 μm，不同烟颗粒有效半径条件下S11随散射角分布的极坐标图Fig.4 Distribution of S11 with scattering angle under different effective radius of smoke particles with incident wavelength of terahertz wave λ=31.25 μm

图5 太赫兹波入射波长λ为31.25 μm时，不同纵坐标范围条件下S11随散射角分布的极坐标图Fig.5 Incident length of terahertz wave λ=31.25 μm,the polar map of S11 distribution with scattering angle under different ordinate range conditions