烟雾粒子检测与识别系统的蒙特—卡罗模拟

提出了一种基于粒子激光散射的多传感器阵列的烟雾检测与识别系统，可识别的烟雾粒径范围为0.01-100μm，粒子浓度要求减光度为5%。并用蒙特卡罗方法模拟了在不同粒径、折射率和入射角情况下烟雾粒子散射光强的角分布情况。     

基于粒子受激散时的烟雾粒子的检测与识别

本文提出了一种基于粒子激光散射来检测和识别非火灾烟雾的吸气式多传感器阵列烟雾探测系统,详细阐述了该系统的结构和信号处理方法;同时提出了利用计算机求解不同物质粒子Mie散射系数的实际计算公式并推导出典型物质粒子的散射光强分布。     

光散射法在电子烟气溶胶测量中的应用

为了能够确定电子烟烟雾量的准确定义,并实现电子烟烟雾量的在线、定量测量的目标,文中对10种样品按照HCI深度抽吸模式,通过光透射和散射理论研究光强与粒度的关系,进行实验验证并对结果进行分析,解决了光强与粒径、粒子数的非线性化问题,建立了粒子与光强之间的数学模型,使粒子与光强线性化,便于研究测量。该测量方法以光透射和散射为基本原理,以粒子质量为中间变量,为电子烟烟雾量提供了一种在线实时检测的方法,能够更全面的表达烟雾量指标。     

球形粒子的散射特性分析

在Mie散射和瑞利散射理论的基础上 ,模拟了单个粒子的散射图象 ,然后对粒子的散射光强进行了讨论。介绍了粒子的多次散射理论研究动态 ,建立了多次散射的传输方程     

激光在烟雾中传输特性的数值模拟分析

为了解决激光驾束制导中发动机烟雾对制导激光场信号的衰减问题,采用van de Hulst近似计算方法,模拟研究了烟雾对1.06μm,1.55μm,10.6μm波长的激光在不同复折射率参量下的吸收、散射、衰减效应。结果表明,复折射率不变时,烟雾对长波长激光的吸收衰减较小;烟雾对激光的衰减峰值随着折射率虚部的增大而变小;峰值的位置随着激光波长的增加向粒子半径增大的方向移动。该研究结果对激光驾束制导武器的研制具有较大的参考价值。     

粗糙面上混杂非球形粒子层全极化散射数值模拟

推导了随机取向有限细长圆柱的散射振幅函数,构造了粗糙面上非球形粒子层的矢量辐射传输方程的一阶Mueller矩阵解,包含了粗糙面面散射和粒子层体散射的五种散射机制.建立了粗糙面上混杂非球形粒子层的植被模型,其中垂直地面的有限长圆柱模拟树干,随机取向的有限细长圆柱模拟树枝,针状盘状粒子模拟针叶阔叶等.数值计算了粗糙面上混杂非球形粒子层的全极化散射,分析了各种散射机制的贡献,并与植被层散射的实验数据作了对比和分析.     

椭球形粒子浓度对激光偏振传输特性的影响

采用随机抽样拟合相函数的蒙特卡罗仿真方法,模拟了偏振光经过椭球形粒子发生多次散射后的偏振特性,并通过实验验证了其正确性。以长、短轴比为1.5的椭球形酵母菌粒子为研究对象,研究了激光在椭球形粒子烟雾中传输时的偏振特性。研究了波长为532 nm的0°线偏振光、45°线偏振光以及左旋圆偏振光在椭球形粒子烟雾扩散过程中偏振态的变化情况。结果表明,椭球形粒子的浓度越高,偏振度变化的随机性越大,且圆偏振光的保偏性优于线偏振光。在相同浓度下,不同起偏角度的线偏振光对偏振态的影响差别不大。     

可见光波段非球形沙尘气溶胶散射和辐射特性的理论模拟

将非球形沙尘气溶胶视为具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子群,利用T矩阵和改进几何光学方法（IGOM）模拟了非球形沙尘气溶胶粒子在可见光波段（0.47 ）的散射特性,并与实验室测量结果和等体积球形粒子的计算结果进行了比较。结果表明：利用具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子模拟自然界中的非球形沙尘粒子散射特性是行之有效的;用等体积球形粒子得到的单散射相矩阵（特别是单散射相函数）与椭球粒子相比,具有明显的差异,而粒子形状对单散射反照率、不对称因子和消光效率的影响明显偏小。通过比较椭球和球形沙尘气溶胶在可见光波段的辐射特性说明在计算非球形沙尘气溶胶辐射特性过程中应考虑粒子形状对其单散射特性的影响。     

一种三维森林场景极化SAR数据的快速模拟方法

该文提出了一种针对3维森林场景极化SAR数据模拟的快速模拟方法,解决了由于散射粒子数量巨大导致SAR回波模拟过程难以应用于大范围、高密度3维森林场景的问题。该方法通过将3维森林场景划分为子场景、场景块和场景带,构造出一系列虚拟散射粒子,在斜距误差较小的前提下将多个真实散射粒子对SAR回波信号的综合贡献用单个虚拟散射粒子等效,从而达到降低散射粒子数量,提高SAR回波信号模拟效率的目的。该文推导了3维森林场景切分各控制参数之间的被约束关系,分析了各参数的误差敏感度,得到了模拟精度和效率的优化组合准则。2.5105 m2阔叶林场景的数据域相关性验证表明,该文提出的方法相比传统方法在保持较高模拟精度的前提下可以将模拟效率提高1个数量级。1.0106 m2阔叶林场景的森林高度反演结果表明了该方法进行大范围森林场景SAR遥感数据模拟的有效性。     

多分散气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

基于簇团-簇团(Cluster-Cluster Aggregation,CCA)模型,结合气溶胶谱分布函数,模拟了多分散气溶胶凝聚粒子.利用离散偶极子近似方法,数值计算了多分散气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,对比分析了多分散和单分散气溶胶凝聚粒子散射特性的差别,并讨论了散射强度随入射波波长和入射角变化的规律.结果显示:多分散和单分散气溶胶凝聚粒子的散射特性截然不同,凝聚粒子中原始微粒的粒径、入射波长、入射波的入射角等因素都将影响气溶胶粒子的散射特性.多分散凝聚粒子模型更接近实际气溶胶粒子,结果可为全面理解和研究气溶胶粒子散射特性提供参考和有效的计算方法.     

火灾烟颗粒Stokes散射矩阵的实验研究

针对火灾烟颗粒的Stokes散射矩阵,利用电光调制器、1/4波片、偏振片及锁相放大器等设计与搭建了火灾烟颗粒光散射实验平台;并基于该平台测量了棉绳阴燃、正庚烷明火及檀香阴燃生成的3种烟颗粒的Stokes散射矩阵中16个元素的角度分布.实验结果表明,这些烟颗粒在光散射过程中都体现出明显的非球形效应,尤其是阴燃过程生成的灰烟颗粒.这说明基于球形模型的Lorenz-Mie散射理论对于分析烟颗粒光散射特征存在一定的局限性,而为了进一步挖掘火灾烟颗粒光散射过程中的光强与偏振等信息,需要建立合理的非球形模型,从而为光电感烟火灾探测技术的发展提供指导与支撑.     

火灾烟颗粒群多分散与单分散光散射模型的比较研究

基于T矩阵法,取入射激光的波长分别为300、633、800nm,对正庚烷火烟颗粒群分形结构的多分散模型、单分散模型以及等体积的球形模型的光散射Muller矩阵元素随散射角的分布特性进行了详细的比较分析。结果表明,当λ=300nm时,散射光能很好地反映正庚烷火烟颗粒凝团的分形结构及凝团中基本颗粒的分布特性;当λ=633nm时,正庚烷火烟颗粒群分形结构的多分散模型和单分散模型的光散射特性基本一致;当λ=800nm时,正庚烷火烟颗粒群3种模型的光散射特性趋于一致。     

基于蒙特卡罗方法的烟幕透过率计算与分析

烟幕透过率是表征烟幕干扰性能的重要参数。以等效粒径为0.1μm的石墨为例,就不同形状的石墨粒子组成的烟幕,基于蒙特卡罗方法对烟幕透过率进行了数值计算。利用Mie散射理论和离散偶极子近似(DDA)方法分别计算了球形粒子、椭球形粒子和圆柱形粒子对1.06μm波长的入射光单次散射的消光参量。对于入射光在烟幕中的传输,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序,给出了不同纵横比的椭球形粒子和圆柱形粒子相应的烟幕透过率计算结果,并和等体积球粒子相应的烟幕透过率进行了比较分析。结果表明:透过率与烟幕中粒子形状、粒子数密度、入射光的入射角度及烟幕厚度有关,粒子形状越偏离球形,对应透过率越小。     

激光后向散射式烟幕粒子测量方法研究

烟幕干扰是光电对抗防御来袭光电精确制导武器的重要手段,烟幕干扰对抗效能与实际气象条件、布放密度、防御目标特性等密切相关,实时测量烟幕的消光特性是评估烟幕干扰对抗效能的基本要求。本文对烟幕粒子的激光Mie散射机理进行了分析,建立了激光后向散射层析断层反演烟幕消光系数模型,通过试制的激光后向散射层析断层测量系统对三种典型烟剂发烟后烟幕消光系数进行了测量,结果表明该激光后向散射层析断层可有效对烟幕消光特性进行遥感测量,可为光电对抗烟幕干扰效果实时测量及效能评估提供支撑。     

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.     

烟幕粒子粒度的分形特征及红外消光性能研究

以分形理论为基础,提出了一种表征烟幕粒子粒度特征的指标——粒度分形维数(D),研究了烟幕粒子粒度的分形特征。研究表明,烟幕粒子的粒度分布是分形的,烟幕中大颗粒占的比例越高,粒度分形维数越小,基于米氏理论的红外消光性能也越好。粒度分形维数(D)可用于表征烟幕粒子粒度分布的特征,为烟幕系统的研究提供了一种新思路。     

激光关联成像在烟幕条件下的实验研究

烟幕是一种复杂且特殊的散射介质,穿透烟幕成像是一项具有广阔应用前景的课题。为探究计算关联成像技术在烟幕环境下的抗散射性,设计烟幕箱结合计算关联成像的实验系统,在静态与动态散射的环境下进行了实验,得出了计算关联成像在探测路径存在静态与缓慢变化的动态烟幕情况下可实现成像的结论;针对快速动态烟幕条件下的成像降质问题,提出了逐点补偿方法。由于在动态散射的情况下光强涨落掺入了额外的衰减因素,利用获得的以特定频率投影特定帧的强度值可追踪衰减系数的变化,将原始光强值除以衰减系数得到校正后的光强值。该方法在低投影频率的条件下具有优势,通过对比得到了该方法的适用条件。     

低信噪比激光引信回波幅值提取技术

在对激光引信回波进行信噪比分析的基础上,针对低信噪比时峰值检测法在回波幅值提取中相对误差较大的问题,提出了一种采用小波阈值去噪提高幅值提取精度的方法。基于Mallat算法对回波信号进行快速分解与重构,并实际计算了峰值检测法在低信噪比回波幅值提取中的相对误差。研究结果表明,小波阈值去噪能较好地分离回波信号中的高频噪声,减小低信噪比回波幅值提取的相对误差,从而提高了回波幅值提取的精度。     

红磷烟幕对10.6 μm激光的消光系数测试研究

论述了红磷烟幕的成烟过程与遮蔽特性。在烟幕试验柜中测试了红磷烟幕对两种入射功率10．6μm激光的质量消光系数和红磷烟幕的粒度分布规律;根据米氏散射理论计算了单个红磷烟幕粒子对10．6μm激光的吸收效率因子、散射效率因子和消光效率因子。结果表明：红磷烟幕对入射功率分别为0．552、1．032W的10．6μm激光的平均质量消光系数分别为0．6027、0．5739m^2／g。成烟5min时红磷烟幕粒子的平均直径为2．47μm。研究表明,红磷烟幕对10．6μm激光的消光作用以吸收效应为主,其质量消光系数随浓度的增加而下降。同等条件下入射光的功率越大或空气的相对湿度越小．则红磷烟幕的消光系数就越小。