韓　玲，張永明，方　俊，王進(jìn)軍，胡海兵

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；

室內(nèi)火災(zāi)煙霧對微波衰減的影響研究

韓玲1，張永明1，方俊1，王進(jìn)軍1，胡海兵2*

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；

2.合肥工業(yè)大學(xué)智能交通與信息安全研究院，合肥，230009)

摘要：針對建筑室內(nèi)火災(zāi)煙霧環(huán)境對微波信號的干擾問題，利用火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)實驗間和微波實驗裝置，研究棉繩陰燃、聚氨酯明火等四種典型火災(zāi)煙霧對頻率分別為600 MHz和2.7 GHz微波衰減特性的影響規(guī)律。在有和無火災(zāi)煙霧環(huán)境下，對比分析入射波頻率、煙霧濃度、煙霧類型對微波衰減的影響。實驗結(jié)果表明，四種火災(zāi)煙霧對微波傳播有明顯衰減，且衰減量均隨煙霧濃度的增加而增加，而衰減速率逐漸減小。頻率以及不同特性類型的煙霧對微波衰減特性的規(guī)律不同。最后，計算并修正了室內(nèi)火災(zāi)煙霧環(huán)境下微波衰減因子模型的衰減因子，提高了該模型在火災(zāi)煙霧環(huán)境下的適用性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)煙霧；微波衰減；煙霧濃度；頻率；衰減因子

0引言

近年來建筑火災(zāi)頻發(fā)，火災(zāi)燃燒中產(chǎn)生的大量煙霧是大氣氣溶膠的主要來源之一，不僅污染環(huán)境、導(dǎo)致人體亞致死效應(yīng)昏迷死亡，而且對電磁波傳輸產(chǎn)生影響，造成移動通信、雷達(dá)等微波無線信號不同程度的干擾和破壞，給滅火救援工作和人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大威脅。

對于微波信號，火災(zāi)煙霧的吸收和散射會引起信號的衰減。衰減的大小與煙霧粒子的介電特性、粒徑分布、濃度以及系統(tǒng)所使用的工作頻率有關(guān)。國內(nèi)外關(guān)于火災(zāi)煙霧對微波傳播影響的研究從20世紀(jì)80年代開始的，主要是實驗研究[1-5]，如s波段煙塵的后向散射特性研究[1]。美國早期利用地面布設(shè)彈藥爆炸而產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行了傳播實驗[2]；1993年，中國電波傳播研究所發(fā)現(xiàn)柴草和汽油燃燒能引起毫米波信號強烈快速的電平變化，但是沒有具體研究煙霧和火焰的影響作用[3]；2014年趙[4]通過全尺寸實火實驗和計算機模擬，分析和研究地下工程火災(zāi)環(huán)境對無線信號傳輸效果的影響。研究均表明火災(zāi)煙霧會引起毫米波及微波信號的衰減。但是由于早期研究缺乏煙霧粒子特性理論和精密的測量設(shè)備，定量的分析和有效的實測數(shù)據(jù)非常少，沒有建立完善的火災(zāi)煙霧與微波信號傳播特性的關(guān)系。針對這些研究現(xiàn)狀和問題，本文從電磁波的Rayleigh散射和吸收損耗基礎(chǔ)理論出發(fā)，選取棉繩、聚氨酯、正庚烷、柴油作為實驗燃料，開展四種燃料煙霧條件下微波衰減特性的實驗研究，測量和分析微波衰減與煙霧粒子特性、煙霧濃度以及入射波頻率的關(guān)系，修正了火災(zāi)煙霧環(huán)境下微波傳輸?shù)乃p因子模型，為建筑室內(nèi)火災(zāi)中的無線信號傳輸問題提供基礎(chǔ)理論支撐。

1電磁波在火災(zāi)煙霧中傳播的衰減機理

火災(zāi)煙霧是材料燃燒或熱解過程中產(chǎn)生的懸浮在空氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒以及氣態(tài)物質(zhì)組成的混合物。它的物理特性主要依賴于可燃物性質(zhì)和燃燒狀況，不同可燃物燃燒產(chǎn)生的煙霧，其顆粒的組成成分、平均粒徑、粒徑分布、顆粒形狀和濃度是不同的, 對不同頻率的入射電磁波的衰減特性亦不相同[6,7]。

電磁波在火災(zāi)煙霧中的衰減主要由煙顆粒對電磁波的吸收和散射兩方面引起。

1.1Rayleigh散射理論

火災(zāi)煙顆粒的直徑絕大多數(shù)分布在0.01 μm～10 μm，在微波頻段，依據(jù)煙霧粒子的粒徑a相對于入射波波長λ的特征尺度參數(shù)2πa/λ遠(yuǎn)小于0.1，采用Rayleigh散射近似計算煙顆粒的散射截面，則煙顆粒的散射強度為[8]:

(1)

1.2電磁波的吸收損耗

在真空或理想絕緣介質(zhì)內(nèi)部，沒有能量損耗，電磁波可以無衰減地傳播。但在非絕緣介質(zhì)內(nèi)部傳播的電磁波是一種衰減波，在傳播過程中，電磁能量轉(zhuǎn)化為熱量等其他形式的能量，使通過其中的電磁波產(chǎn)生吸收損耗。任意傳播介質(zhì)的極化和導(dǎo)電特性都可用復(fù)介電常數(shù)ε來表示[9]，即:

(2)

它與傳播信號的頻率ω有關(guān)，它的實部ε′反映了介質(zhì)的極化特性，虛部ε″反映了介質(zhì)的導(dǎo)電特性，表示介質(zhì)對電磁波的吸收，其中σ是介質(zhì)的電導(dǎo)率。當(dāng)電磁波沿x軸方向傳播時，任意頻率條件下電磁波傳播的解析解為:

(3)

式中α為電磁波傳播的衰減常數(shù)，即:

(4)

其中μ是介質(zhì)的磁導(dǎo)率?？梢?，如果介質(zhì)內(nèi)部σ≠0，則電磁波在其中傳播時必定會產(chǎn)生吸收損耗。因此，若知道煙霧的等效介電常數(shù)ε′，利用公式(4)，即可定量求解出煙霧對穿過其中電磁波信號的吸收損耗大小。

在實際的火災(zāi)煙霧中，煙顆粒的組分和介電常數(shù)變化復(fù)雜，結(jié)合基礎(chǔ)理論，煙霧對微波信號衰減的理論計算只能在某些假設(shè)下給出近似值，較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)更多地依賴于實驗研究的結(jié)果。

2實驗系統(tǒng)及方法

實驗在火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室標(biāo)準(zhǔn)火實驗間進(jìn)行，內(nèi)部尺寸為 10 m×7 m×4 m，實驗布局如圖1所示，由微波信號源、Agilent N9000A信號分析儀、微波發(fā)射和接收天線、煙霧濃度采集設(shè)備、火源材料等組成。其中微波信號源的輸出功率范圍為-127 dBm～+13 dBm，實驗采用的輸出功率為+10 dBm。采用信號分析儀接收信號，可以檢測并顯示9 kHz～7.5 GHz頻段內(nèi)電磁波的功率值，它和微波信號源均放在燃燒室外面，以防儀器被污染。實驗選用兩套工作頻率分別為600 MHz和2.7 GHz的天線，增益都為14 dBi、功率輻射寬度都小于30°，且其他參數(shù)基本相同。收發(fā)天線放置在燃燒室的對角線位置，距離為10 m，中心位置高2 m?；鹪捶胖糜谑瞻l(fā)天線中間位置的地面上，使得發(fā)射的微波無線信號受周圍建筑等影響最小，且穿過大量煙霧。使用離子煙濃度計和掃描電遷移粒譜儀(SMPS)來測量微波路徑中的煙霧濃度，綜合分析得到最接近實際的煙霧濃度。實驗系統(tǒng)還包括溫度計、濕度計等各種測量環(huán)境參數(shù)的儀器。棚頂部安裝有排風(fēng)機，便于在實驗后期排凈室內(nèi)煙氣。

根據(jù)國標(biāo)試驗法和歐洲標(biāo)準(zhǔn)試驗方法(EN54/9)，分別選取棉繩陰燃(SH2/TF3)、聚氨酯明火(SH3/TF4)、正庚烷明火(SH4/TF5)，以及非標(biāo)準(zhǔn)火柴油明火等四種典型火災(zāi)煙霧作為實驗對象。燃燒過程按照標(biāo)準(zhǔn)火實驗方法布置，其中柴油燃燒與正庚烷燃燒的布置方法相同。

測量前，將儀器預(yù)熱30 min，使其輸出穩(wěn)定；準(zhǔn)備好燃料，關(guān)閉門窗，利用信號分析儀進(jìn)行初始標(biāo)定，記錄燃燒室無煙霧時接收信號功率P1(dBm)；然后點火燃燒產(chǎn)生煙霧，記錄煙霧濃度，這里用粒子數(shù)濃度(個/ cm3)表示，以及同時刻對應(yīng)的接收信號功率P2(dBm)。每組實驗至少重復(fù)3次至誤差相差很小。微波的衰減量A(dB) 為有、無煙霧時接收信號功率的差值，即:

(5)

實驗測量的A愈大，表明煙霧濃度對微波的衰減量愈大。

各組實驗之間，實驗參數(shù)均保持單一變量，從而保證測量四種火災(zāi)煙霧在不同的頻率或煙霧濃度時對微波傳播的影響規(guī)律。

圖1　火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)實驗間示意圖Fig.1　 Schematic of standard fire test room

3實驗結(jié)果與分析

分別對棉繩陰燃煙霧、聚氨酯明火煙霧、正庚烷明火煙霧和柴油明火煙霧四種火災(zāi)煙霧進(jìn)行頻率為600 MHz和2.7 GHz的微波傳輸實驗，測得其煙霧濃度與同時刻相對應(yīng)的微波衰減響應(yīng)值，如圖2～圖5所示。本文主要考察四種燃料煙霧的煙霧濃度、頻率和微波衰減量之間的關(guān)系，為了便于分析，我們忽略煙氣層分布的影響，且其他環(huán)境測量參數(shù)作為分析參考，這里不做重點研究。

3.1微波的衰減特性分析

實驗中四種火災(zāi)煙霧對微波傳播產(chǎn)生了不同程度上的衰減影響。從圖2～圖5可以看出，在無火災(zāi)煙霧的環(huán)境，即煙霧濃度為零時，微波接收信號強度基本保持恒定。點火后，棉繩陰燃、正庚烷明火等四種煙霧對微波傳播有明顯衰減，且衰減量均隨著煙霧濃度的增加而增加。實驗過程中，測量得到棉繩、聚氨酯、正庚烷、柴油四種煙霧引起的2.7 GHz微波最大衰減量分別為0.28 dB，0.6 dB，1.36 dB和1.62 dB，即微波接收信號最大衰減了原來信號強度的6.2%，12.9%，26.8%和31%。另一方面，分析微波衰減的趨勢變化，發(fā)現(xiàn)隨著煙霧濃度的增加，微波衰減速率不斷減小。圖2～圖5中四種火災(zāi)煙霧在濃度上升初期，微波衰減量迅速增大，當(dāng)煙霧濃度分別達(dá)到3.8×105/cm3、4×105/cm3、1×106/cm3和9.2×105/cm3左右時，其微波衰減速率逐漸減小。由于高濃度的煙顆粒從生成、擴散、凝并到沉積，煙顆粒粒徑和粒子數(shù)濃度會發(fā)生改變，因而煙顆粒與電磁場之間的作用關(guān)系也隨之改變。

圖2　棉繩陰燃煙霧對微波的衰減結(jié)果Fig.2　Microwave attenuation results of cotton smoldering smoke

圖3　聚氨酯明火煙霧對微波的衰減結(jié)果Fig.3　Microwave attenuation results of polyurethane flame smoke

圖4　正庚烷明火煙霧對微波的衰減結(jié)果Fig.4　Microwave attenuation results of n-heptane flame smoke

圖5　柴油明火煙霧對微波的衰減結(jié)果 Fig.5　 Microwave attenuation results of diesel flame smoke

比較圖2 ～圖5中兩個頻率的微波衰減量，在相同煙霧濃度條件下，頻率為2.7 GHz微波的信號衰減均明顯大于600 MHz微波，衰減量會增大0.12 dB～1.25 dB，從電磁波衰減原理可知，入射波頻率與微波功率衰減有關(guān)，在電磁波頻率沒有與粒子頻率接近發(fā)生共振，則入射波頻率越大，電磁波衰減量越大[9]。

在四種典型煙霧環(huán)境的微波傳播實驗過程中，不同類型的火災(zāi)煙霧對微波衰減特性的影響有所差異。相對于正庚烷和柴油明火煙霧，棉繩陰燃煙霧和聚氨酯明火煙霧對微波的衰減變化明顯較小。以頻率2.7 GHz為例，正庚烷和柴油明火煙霧引起信號的衰減最大值分別是棉繩陰燃煙霧的4.86倍和5.79倍。

不同煙霧粒子引起的微波衰減不同，首先是由于煙霧顆粒的粒徑、濃度以及介電常數(shù)等不同，則煙顆粒的Rayleigh散射作用不同。其次，火災(zāi)煙霧中的碳黑也會影響微波傳播，文獻(xiàn)[10]表明碳黑對電磁波有吸收作用，同時測得棉繩陰燃煙霧的碳含量低于50%，表明它不是以碳黑顆粒為主。而其他三種明火煙霧的碳含量都超過80%[10,11]，經(jīng)過成分分析可知，對于棉繩陰燃煙霧，正庚烷和柴油明火煙霧含碳黑顆粒成分較高，對微波吸收作用也較強。此外，火災(zāi)煙霧的成分比較復(fù)雜，燃燒時引起煙霧粒子的介電常數(shù)虛部不斷變化都對微波傳播產(chǎn)生不可忽視的影響。

3.2室內(nèi)火災(zāi)煙霧環(huán)境下微波的衰減因子

室內(nèi)無線信號傳播模型[12]有Chan傳播模型、衰減因子模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、Keenan-Motley模型等。結(jié)合實驗工況，本文采用衰減因子模型為：

(6)

其中L(d)表示信號損耗衰減；L(d0)為1 m處的信號衰減；d為信號傳播距離；d0為近地參考距離，取1 m；R表示由于樓板、墻壁等引起的附加損耗；n為衰減因子或路徑損耗指數(shù)，對不同的無線環(huán)境，衰減因子n的取值有所不同，對于封閉式建筑無煙環(huán)境，n的取值范圍為3.0～3.5。

圖6　柴油明火煙霧環(huán)境下2.7 GHz微波的衰減因子Fig.6　Microwave attenuation factor (f=2.7 GHz) of diesel flame smoke

點火燃燒前測量得到初始無煙環(huán)境的衰減因子n為3.14，處于n值范圍之內(nèi)。根據(jù)微波傳播實驗得到火災(zāi)煙霧環(huán)境下的n值，圖6為柴油明火煙霧環(huán)境中衰減因子n的變化。隨著柴油煙霧濃度增大，2.7 GHz微波信號的衰減因子n變化范圍為3.14～3.30，相對于無煙環(huán)境增大0～0.16，記為Δn。其他三種火災(zāi)煙霧環(huán)境中的n值隨著煙霧濃度的增加而增加，利用室內(nèi)無線信號的衰減因子模型計算，得到四種典型火災(zāi)煙霧環(huán)境下衰減因子n相較于無煙環(huán)境的增加值Δn，如表1所示。

Δn值反映了火災(zāi)煙霧對微波傳播的影響，Δn越大表明微波衰減越大。因此在火災(zāi)煙霧環(huán)境中微波信號傳播過程中，需要考慮火災(zāi)煙霧對其傳播影響，增強衰減因子模型在火災(zāi)煙霧環(huán)境下的適用性和準(zhǔn)確性。

表1　四種典型火災(zāi)煙霧環(huán)境下的衰減因子增加值Δn

4結(jié)論

本文采用棉繩、聚氨酯、正庚烷、柴油四種典型火災(zāi)實驗燃料，研究室內(nèi)火災(zāi)煙霧對微波的衰減特性影響，研究結(jié)果表明：

(1)棉繩陰燃、正庚烷明火等四種火災(zāi)煙霧對微波傳播有明顯衰減，且衰減量均隨煙霧濃度的增加而增加，而微波衰減速率逐漸減小。

(2)入射波頻率影響微波的衰減大小，在同種煙霧的相同煙霧濃度條件下，頻率為2.7 GHz的微波衰減影響均明顯大于600 MHz微波，衰減量會增大0.12 dB～1.25 dB。

(3)不同特性類型的火災(zāi)煙霧對微波傳播的影響不同，相對于正庚烷和柴油明火煙霧，棉繩陰燃煙霧和聚氨酯明火煙霧對微波的衰減變化明顯較小。在2.7 GHz微波實驗中測量得到正庚烷和柴油明火煙霧引起信號的衰減最大值分別是棉繩陰燃煙霧的4.86倍和5.79倍。

(4)計算并修正了室內(nèi)火災(zāi)煙霧環(huán)境下微波衰減因子模型的衰減因子n值，隨著煙霧濃度的增大，n值逐漸增大，增強了衰減因子模型的適用性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang MG, Cherry SM. Backscatter characteristics of burnt straw particles[A]. Antennas and Propagation Society International Symposium[C]. IEEE, 1983, 21:30-33.

[2] Knox JE. Millimeter wave propagation in smoke[C]. IEEE East, EASCON-79 Conference record, 1979, 2: 357-361.

[3] 董慶生, 等. 沙塵和煙霧中毫米波傳播特性的實驗研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 1993, 8(1):71-79.

[4] 趙詣. 地下工程火災(zāi)環(huán)境對無線信號傳輸?shù)挠绊慬J]. 武警學(xué)院學(xué)報, 2014, (6): 5-8.

[5] 閻毅, 等. 微波毫米波在戰(zhàn)場煙塵中的傳播[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2000, 27(4):433-436.

[6] Friedlander SK. Smoke, dust, and haze[M]. New York: Oxford university press, 2000.

[7] 趙建華, 等. 用消光系數(shù)比表征火災(zāi)煙霧的分類特征[J]. 物理學(xué)報, 2002, 51(3):700-704.

[8] 吳龍標(biāo), 等. 火災(zāi)探測與信息處理[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[9] 周希朗. 電磁場理論與微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].東南大學(xué)出版社, 2010.

[10] 張啟興. 火災(zāi)煙霧顆粒散射矩陣模擬測量與粒徑折射率反演研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[11] Butler KM, Mulholland GW. Generation and transport of smoke components[J]. Fire Technology, 2004, 40(2): 149-176.

[12] Tam WK, Tran VN. Propagation modelling for indoor wireless communication[J]. Electronics & Communication Engineering Journal, 1995, 7(5): 221-228.

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

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金項目(51304180)；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(U1233102)。

作者簡介：韓玲，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生，安全科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向為火災(zāi)探測與微波傳播。 通訊作者：胡海兵，E-mail: huhb@hfut.edu.cn

文章編號：1004-5309(2016)-0047-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.07

中圖分類號：X932，TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A