CN1877293A - 一种火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法及装置，特征是由激光器出射的激光经过偏振片与电光调制器后，入射至烟颗粒发生光散射，通过三维调节装置的调节，使烟颗粒位于转臂转动的圆心，转臂固定于转盘上，由计算机控制马达驱动转臂绕烟颗粒转动，在转臂上，依次安装准直小孔、1/4波片、偏振片和光电倍增管，在某一固定散射角度上，安装准直小孔和光电倍增管，两个光电倍增管所测得信号通过锁相放大器由计算机进行采集，电光调制器与锁相放大器之间通过信号发生器同步；本发明能够以较高的角度分辨率和精度测量火灾颗粒光散射的斯托克斯散射矩阵中所有元素的角度分布，大大推动烟颗粒光散射信息的挖掘。

Description

一种火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法及装置

技术领域：

本发明属于火灾探测技术领域，特别涉及火灾烟颗粒光散射的斯托克斯散射矩阵的测量方法及装置。

背景技术：

英国出版的《火灾安全期刊》(Fire Safety Journal，1997，第29卷，第77-85页)指出，烟颗粒是火灾早期的重要特征参量之一，烟颗粒光散射特征的测量与挖掘对于光电感烟火灾探测技术的发展具有重要的作用。而《火灾安全期刊》(Fire Safety Journal，1997，第29卷，第185-194页)提到的一种火灾烟颗粒光散射实验装置，在半圆环上安装多路光电倍增管测量烟颗粒的光散射特征，该装置只能够测量散射光的光强与线偏振度，这2项参量仅仅是详细描述烟颗粒光散射信息的斯托克斯散射矩阵中的2个元素，无法对斯托克斯散射矩阵中所有16个元素进行测量而损失了大量的烟颗粒光散射信息；此外，该装置的圆环上安装的光电倍增管数目有限，只能测量相应离散角度上的散射光，粗略分析散射信号的角度分布趋势，而无法以较小的角度步长细致地测量散射光信号的角度分布特征，即该装置测量的散射光信号的角度分辨率较低，精度较差。

发明内容：

本发明的目的是提出一种火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法及装置，能够以较高的精度与角度分辨率测量烟颗粒的斯托克斯散射矩阵中所有16个元素。

本发明的火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量装置，包括在激光器1出射的激光束入射至喷烟头7喷出的烟颗粒6而形成的散射光点周围安装接收散射光信号的第一光电倍增管16；其特征在于：由激光器1出射的激光束在入射至烟颗粒6之前先经过第一偏振片2，并经由电光调制器3进行调制；用于安装光学与机械器件的光学平台22的中心开有孔5，具有开孔的转盘4置于光学平台22的正中心，喷烟头7通过三维调节部件8固定于光学平台22的中心位置上，转臂17固定于转盘4上，马达18驱动转臂17绕烟颗粒6转动，在第一光电倍增管16前方的光路上依次设有第二偏振片15、1/4波片14和准直小孔13，这四个器件封装于盒子12里并通过三维调节部件11安装于转臂17上，在烟颗粒光散射的另一半圆周的某一固定散射角度上，沿着散射光的光路依次安装准直小孔9和第二光电倍增管10，所述第二光电倍增管10和第一光电倍增管16的信号输出端接锁相放大器21的信号输入端，计算机20的并口输出信号端与马达18的信号输出端连接，计算机20的串口与锁相放大器21的串口连接，信号发生器19的信号输出端接光电调制器3与锁相放大器21的信号输入端。

本发明的火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法，包括对激光束入射至烟颗粒形成的散射光进行光电倍增测量；其特征在于：激光束经过第一偏振片后用电光调制器进行调制，然后入射至烟颗粒发生光散射，光电倍增测量器件前端装有1/4波片和第二偏振片，使第一偏振片、电光调制器、1/4波片和第二偏振片的光轴方向分别为：(a)“0°，-45°，--，--”；

(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符号“--”表示该器件不用，在上述8个组合条件下，分别测量散射光信号的直流、一阶谐波和二阶谐波分量在半圆周上的分布；在某一固定散射角度上测量散射光强度随时间的变化曲线，将在半圆周上测量的各阶散射光信号除以该固定散射角度上测得曲线对应时刻的光强值得到矫正的各阶散射光信号分量；直接从第(a)和第(e)组合条件下测得的经矫正后的直流、一阶谐波和二阶谐波信号，得到4个矩阵元素F₁₁(θ)、F₁₂(θ)、F₁₃(θ)和F₁₄(θ)，将第(b)、(c)和(d)组合条件下测量的经矫正后的的各阶信号减去第(a)组合条件下的相应测量值，以及将第(f)、(g)和(h)组合条件下测量的经矫正后的的各阶信号减去第(e)组合条件下的相应测量值，从而得到烟颗粒斯托克斯散射矩阵中其余12个元素的角度分布特征；所述测量的烟颗粒斯托克斯散射矩阵是指下式所示的4×4的矩阵F(θ)：

$\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ Q^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ U^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ V^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]=\frac{1}{r^2}\frac{1}{k^2}\·\left[\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{13}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{14}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{21}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{23}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{24}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{31}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{32}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{41}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{42}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{43}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{inc}}\\ Q^{\mathrm{inc}}\\ U^{\mathrm{inc}}\\ V^{\mathrm{inc}}\end{array}\right].$

现有装置只能够测出散射光的光强与线偏振度，而本发明由于对入射激光采用偏振片与电光调制器进行了调制，并在接收散射光信号的第一光电倍增管前端安装1/4波片与第二偏振片，利用锁相放大器采集散射光的直流信号与谐波信号，通过转臂围绕烟颗粒散射光点转动，从而可测量烟颗粒斯托克斯散射矩阵中的所有元素的角度分布曲线，因此，本发明能够测量出丰富得多的烟颗粒光散射信息，为光电感烟火灾探测器的设计挖掘出更多新判据。

现有装置散射光信号测量的角度分辨率较低，该装置在一个直径为0.3米的半圆周上安装了14个光电倍增管，整个装置已相当拥挤，此时对应的角度分辨率仅为12°，即每隔12°测量一个角度上的散射光信号，只能由这几个离散角度上测量值粗略分析散射信号的角度分布趋势。而本发明通过马达控制转臂围绕烟颗粒散射光点转动，由安装于转臂之上始终对准散射光点的第一光电倍增管测量散射光的角度分布，通过马达控制转臂的转动能够达到很高的精度，例如马达每走一步转臂仅仅转动0.0045°，故本发明能够以很小的角度步长详细测量散射光的角度分布特征。

针对实际测量的烟颗粒浓度略有变化，而某一固定散射角度的上的散射光强值由烟颗粒浓度决定，本发明采取在圆周上的某一固定散射角度上采用第二光电倍增管测量散射光强随时间的变化曲线，将第一倍增管测得的散射光信号除以第二倍增管测得的相应时刻上的散射光强，从而消除了烟颗粒浓度变化带来的影响，提高了测量精度。

与现有通过在半圆周上安装多个光电倍增管测量烟颗粒散射光的光强与线偏振度的装置相比，本发明能够以较高的角度分辨率和精度测量烟颗粒的斯托克斯散射矩阵中所有元素的角度分布，从而为光电感烟火灾探测器的设计挖掘出更多的信息。

附图说明：

图1为本发明火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法及装置的结构原理示意图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

本实施例烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量装置中的各光学与机械部件安装于一个1.4×1.6米的光学平台22之上，该光学平台的中心位置开有一个直径为0.1米的圆孔5。一个横截面尺寸为0.25×0.25米、中心具有直径为0.08米的开孔的正方形旋转台4安装于光学平台的正中心，使旋转台的开孔与光学平台的开孔彼此中心重合。喷烟头7自下而上穿过光学平台与旋转平台的开孔，并通过一个三维调节部件8安装于光学平台之上，喷烟头喷射出的烟颗粒流直接进入位于其正上方的排烟管道，喷烟头与排烟管之间只暴露出一段约3厘米长的竖直烟柱6进行光散射测量，从而确保烟颗粒不会溢出弥漫于测量室。如附图1所示，从激光器1出射激光经过第一偏振片2并经过电光调制器3调制之后，入射至烟颗粒流6发生光散射，一个具有滑动导轨、长度为1米的转臂17一端固定于旋转平台4之上，通过计算机20控制马达18驱动旋转平台4转动，从而带动该转臂围绕烟颗粒散射光点转动。沿着散射光路，依次将准直小孔13、1/4波片14、第二偏振片15以及第一光电倍增管16封装于一个盒子12里，该盒子通过一个三维调节部件11安装于转臂17上，该盒子可沿转臂的导轨前后滑移，从而调整第一光电倍增管与烟颗粒散射光点之间的距离。以入射激光束为界，整个旋转平台的转动平面可分为上半周与下半周，其中转臂17在下半周范围内转动，在上半周的某一固定散射角位置安装准直小孔9与第二光电倍增管10。光电倍增管10与16测得的散射光信号接入锁相放大器21并通过计算机20进行数据采集，电光调制器3与锁相放大器21之间通过信号发生器19进行同步。

所述需测量的烟颗粒斯托克斯散射矩阵是下式(1)所示的4×4的矩阵F(θ)：

$\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ Q^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ U^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ V^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]=\frac{1}{r^2}\frac{1}{k^2}\·\left[\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{13}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{14}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{21}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{23}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{24}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{31}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{32}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{41}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{42}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{43}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{inc}}\\ Q^{\mathrm{inc}}\\ U^{\mathrm{inc}}\\ V^{\mathrm{inc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

本实施例中的激光器1采用的是西安华科光电有限公司生产的红光DD-635-5-型半导体激光器；电光调制器3采用的是美国Conoptics公司生产的350-50型产品；光电倍增管10和16采用的是日本滨松公司生产的H5784-20型产品；锁相放大器21采用的是美国Signal Recovery公司生产的7265型产品。

所述马达18每走200步，转臂16相应转动0.9°，即马达18走1步，装臂17仅仅转动0.0045°，可见马达可以精确控制转臂的转动，计算机每向马达发送一个脉冲，马达相应走1步。

所述准直小孔9与13都具有前后两个小孔，两个小孔间的距离为80毫米，孔径均为1毫米，靠近烟颗粒散射中心的小孔距离中心80厘米，即小孔直径长度相对于散射中心的夹角为0.225°。

实验开始前，通过装置中的两个三维调节部件8和11，调整喷烟头7的空间位置，并调节封装准直小孔13和光电倍增管16等的盒子12的空间取向，使转盘4带动转臂17转动过程中，准直小孔13始终对准烟颗粒散射中心。这样，进行烟颗粒散射光的角度分布进行测量时，才能确保以较高的精度测量不同角度上的散射光信号。

为了测量烟颗粒光散射的整个斯托克斯散射矩阵，在本发明装置中，入射光先经过第一偏振片2后采用电光调制器3进行调制，然后再入射至烟颗粒6发生光散射，而在接收散射光的第一光电倍增管16前端安装1/4波片14与第二偏振片15。

下面对装置中的该光路进行光学传递方程分析：

以光学平台所在平面为参考平面，入射光和散射光都采用相应的斯托克斯向量描述，而装置中的各光学器件的作用可用相应的穆勒矩阵描述，其中各个光学器件的穆勒矩阵主要与其光轴方向相对于参考平面的夹角有关。针对散射光信号的直流分量和2阶以内的谐波分量，则光电倍增管16接收到的散射光信号为如下式(2)所示：

I^sca(θ)＝c₂[DC(θ)+2J₁(φ₀)S(θ)sinωt+2J₂(φ₀)C(θ)cos2ωt]         (2)

测量时，通过调节加在电光调制器3上的调制电压幅值，使得J₁(φ₀)＝0，即φ₀＝2.40483，因而有2J₁(φ₀)＝1.03830，2J₂(φ₀)＝0.86350。由式(2)可见，第一光电倍增管16所接收的散射光信号中包含3个分量，即直流分量DC(θ)、1阶谐波分量S(θ)与2阶谐波分量C(θ)。在烟颗粒散射光路中第一偏振片2、电光调制器3、1/4波片14和第二偏振片15的不同光轴取向角条件下，第一光电倍增管16所测量的散射光3个信号分量与斯托克斯散射矩阵中各元素之间具有不同的对应关系。

表1给出了第一偏振片2、电光调制器3、1/4波片14和第二偏振片15的不同光轴取向角组合时，第一光电倍增管16测量的直流、1阶谐波和2阶谐波分量与斯托克斯散射矩阵中各元素的对应关系：

                                            表1

组合	γ2	γ3	γ9	γ10	DC(θ)	S(θ)	C(θ)
								abcdefgh	0°0°0°0°45°45°45°45°	-45°-45°-45°-45°0°0°0°0°	------0°------0°	--0°45°45°--0°45°45°	F11F11+F21F11+F31F11+F41F11F11+F21F11+F31F11+F41	-F14-(F14+F24)-(F14+F34)-(F14+F44)-F14-(F14+F24)-(F14+F34)-(F14+F44)	F12F12+F22F12+F32F12+F42F13F13+F23F13+F33F13+F43

表1中，γ₂表示装置中第一偏振片2的光轴方向相对于参考平面的取向角度，γ₃表示电光调制器3的光轴取向角度，γ₉表示1/4波片14的光轴取向角度，γ₁₀表示第二偏振片15的光轴取向角度；使第一偏振片、电光调制器、1/4波片和第二偏振片的光轴方向分别为：(a)“0°，-45°，--，--”；(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符号“--”表示该器件不用，在上述这8个组合条件下，分别测量散射光信号的直流、一阶谐波和二阶谐波分量在半圆周上的分布；从而获得烟颗粒光散射的斯托克斯散射矩阵中所有16个元素。

随转臂17一起绕烟颗粒散射光点转动的第一光电倍增管16测量的散射光信号中的谐波分量直接由锁相放大器21采集，而其直流分量可接锁相放大器的ADC输入端进行采集。此外，由于烟颗粒光散射测量过程中无法确保烟颗粒流完全恒定不变，这里采用第二光电倍增管10在某一固定散射角度上实时跟踪采集该角度上散射光强，该光强的变化即反映了烟颗粒流的变化，因而可用该光强变化曲线对于第一光电倍增管16测量的信号进行归一，从而消除烟颗粒流不稳定带来的影响，提高测量的精度。对于第二光电倍增管10接收的散射光信号，只需测量其光强，即直流分量，因此也将该直流分量接锁相放大器的ADC输入端进行同步采集。

为了实现表1所示的8个组合，装置中相应光学器件的光轴取向角度必须可以调节。其中，第一偏振片2与电光调制器3的光轴取向角度相对不变，由组合1～4切换到组合5～8时，需要将它们的光轴取向角度同时改变45°，因此，在本发明装置中，将第一偏振片2与电光调制器3放置于一个圆筒中，该圆筒能够以其自身的中心线为轴旋转，通过转动该圆筒，从而调节第一偏振片2与电光调制器3的光轴方向。由表1可见，对于1/4波片14与第二偏振片15，在某些组合必须是“空”的状态，此时需将相应光学器件移开。其中，1/4波片14需要在“0°”与“空”的状态之间进行切换。如附图1所示，本发明装置中，通过拉杆的移动来实现1/4波片在这2个状态之间切换，即将1/4波片安装于拉杆的末端后调节其光轴方向为0°，当通过拉杆将1/4波片移至准直小孔13对准位置时，即对应该1/4波片的光轴方向为0°状态，而将1/4波片移开时，此时散射光不经过1/4波片，即对应1/4波片为“空”的状态。类似地，第二偏振片15需要在“45°”、“0°”及“空”的状态之间切换，也采用拉杆的方式实现，这里采用2个相同的偏振片，将其安装于拉杆上，两个偏振片之间具有一定间距，将它们的光轴取向角分别调至“45°”与“0°”，当通过拉杆将某一偏振片推至准直小孔13对准的位置时，即对应于该偏振片的光轴取向角度状态，而当准直小孔13对准2个偏振片中间时，光电倍增管接收的散射光不经过任何偏振片，此时对应偏振片为“空”的状态。

综上所述，整个测量步骤为：在表1所示4个光学器件的每个组合条件下，由计算机20控制马达18驱动转臂17围绕烟颗粒光散射点6转动，该转臂每隔一定的角度步长暂停，此时通过锁相放大器21采集由第一光电倍增管16接收的烟颗粒散射光信号的直流、1阶谐波与2阶谐波分量，同时采集第二光电倍增管10接收的散射光的直流分量即光强。例如，若转臂转动的角度步长为0.9°，即马达每走200步停一次，从初始角度为5°开始测量，则相应地，在5.0°、5.9°、6.8°、7.7°……这些离散角度上采集由第一光电倍增管16接收到的散射光信号的各阶分量，从而得到烟颗粒散射光的角度分布趋势，同时，利用所采集的第二光电倍增管10接收的散射光强相应的随时间变化趋势，对由第一光电倍增管16接收到的信号分量进行归一，消除烟颗粒流的不稳定性带来的影响。通过如表1所示的8个组合条件下，在相同的离散角度上的测量，即可最终测得烟颗粒光散射的斯托克斯散射矩阵中所有16个元素随角度分布曲线。

与现有在半圆周上安装多个光电倍增管测量烟颗粒散射光信号的角度分布曲线的装置相比，本发明装置利用电光调制器对入射光进行调制，通过单路光电倍增管随转臂围绕烟颗粒散射光点转动，利用锁相放大器测量散射光信号的多阶分量，从而以较高的角度分辨率测得烟颗粒的斯托克斯散射矩阵中所有元素的角度分布，大大促进了烟颗粒光散射信息的挖掘。

现有装置中采用偏振方向分别为水平与垂直的两束入射激光进行烟颗粒光散射的测量，没有对入射光进行调制，并直接用光电倍增管测量散射光信号的直流分量，该装置只能够测量散射光的光强与线偏振度的角度分布曲线。而本发明装置中，入射激光经过第一偏振片2之后，采用电光调制器3将其调制成具有1KHz的频率，并在接收散射光的第一光电倍增管16前端安装1/4波片与偏振片，通过锁相放大器21采集光电倍增管接收的散射光信号的直流、1阶谐波与2阶谐波分量；测量时，在表1所示的各个组合条件下，由马达18驱动转臂17围绕烟颗粒散射中心转动，从而测量烟颗粒散射光信号在圆周上的分布，并针对实际烟颗粒无法确保完全恒定不变，因而采用在某一固定散射角度上，由第二光电倍增管10测量该固定角度上散射光强随时间变化趋势，用于对第一光电倍增管16测量信号的归一处理，从而消除烟颗粒不稳定的影响。这样，通过表1所示的8个组合条件下的测量，根据表1中给出的烟颗粒散射光信号的3个分量与斯托克斯散射矩阵中各个元素之间的关系，即可得到烟颗粒光散射的斯托克斯散射矩阵中的16个元素，各元素都描述了烟颗粒光散射过程中的一项信息特征。现有装置所能够测量的烟颗粒散射光的光强与线偏振度仅仅是16个矩阵元素中的其中2个，即F₁₁(θ)与F₂₁(θ)。可见，本发明装置能够测量与挖掘出烟颗粒光散射过程中更加丰富的信息特征，从而为新型光电感烟火灾探测器的设计提供出更多的判据，推动光电感烟火灾探测技术的快速发展。光电感烟火灾探测的原理在于通过接收烟颗粒的散射光信息达到对火灾烟颗粒进行早期探测的目的，然而，由于粉尘、油烟及水蒸气等干扰源颗粒也会产生类似的光散射，若仅仅简单地通过测量散射光的光强信息从而作出是否发生火灾的判断，则容易发生误报警。这些干扰源颗粒的存在，也很大程度上限制了光电感烟火灾探测器响应灵敏度的进一步提高。为了减少各种干扰源颗粒导致的光电感烟探测器的误报警，同时提高其响应灵敏度，必须分析出真实火灾烟颗粒区别于各种干扰源颗粒的光散射特征，而仅仅根据烟颗粒散射光的光强与线偏振度这2项信息很难准确与可靠地寻找到相应的判据，因而必须进一步挖掘烟颗粒光散射过程中的更多信息，本发明装置正是针对火灾烟雾探测技术攻关的迫切需求，测量烟颗粒光散射对应的斯托克斯散射矩阵中的所有元素。

现有装置中，通过在半圆周上安装多个光电倍增管测量烟颗粒散射光的角度分布特征，尽管可以在圆周上紧凑地安装尽可能多的光电倍增管从而测量更多角度上的散射光信号，但是这些光电器件毕竟具有一定的体积，因而只能以较大的角度间隔测量圆周上散射光信号的角度分布，即测量的角度分辨率较低。例如，现有装置在直径为0.3米的半圆周上安装14个光电倍增管，此时装置已经很拥挤，在半圆周上只能测量14个离散角度对应的散射光信号，测量的角度分辨率仅为12°，这样只能粗略地得到散射光的角度分布特征。而本发明装置中，通过马达驱动转臂围绕烟颗粒散射光点转动，由转臂上的光电倍增管测量散射光的角度分布。这种通过单路光电倍增管围绕烟颗粒散射中心转动从而测量散射光角度分布的方式，能够实现很高的测量角度分辨率，转臂的转动是由计算机程序通过马达驱动的，马达每走200步对应转臂转动0.9°，计算机对马达发送一个脉冲，则马达走一步，即转臂转动0.0045°；此外，准直小孔13的直径长度只有1毫米，相对于烟颗粒散射中心的夹角仅为0.225°。可见，本发明装置能够以很小的角度间隔、细致地测量烟颗粒散射光的角度特征，例如，该角度间隔可设为0.45°，即马达每走100步，第一光电倍增管16测量一个散射角度上的数据，测量的角度分辨率远远高于现有装置。因此，通过本发明装置能够测量出烟颗粒光散射各参量的详细角度分布曲线，该曲线更加具体、翔实地反映了散射参量在不同角度上的分布特征，更有利于寻找烟颗粒区别于其余干扰源颗粒的光散射特征，为降低光电感烟火灾探测器的误报警提供判据，并进一步提高探测器的响应灵敏度，推动光电感烟火灾探测技术的发展。

对于烟颗粒散射光的角度分布特征测量，在各个角度的光电倍增管对于散射中心的准直度直接影响其测量精度。现有装置中，前文已提到，为了在圆周上测得尽量多的离散角度上的散射光信号，在圆周上尽量多装光电倍增管，因而各光电倍增管之间彼此拥挤，已无法在各光电倍增管上安装三维调节部件，这样，各光电倍增管相对于烟颗粒散射中心的准直度无法进行细微调节，该装置测量的散射光信号角度分布曲线的精度较差。而本发明装置中，利用刚性转臂围绕烟颗粒散射中心转动，由转臂上的单路光电倍增管测量烟颗粒散射光的角度分布特征，通过在喷烟头7上与装有准直小孔13、第一光电倍增管16等的盒子12上各安装一个三维调节部件8和11，从而确保转臂转动过程中，准直小孔13始终对准烟颗粒散射光点，这样即保证了在不同散射角度上，光电倍增管始终以较高的精度测量烟颗粒的散射光，确保了实验测量的精度。

本发明装置中，所述第一光电倍增管16前端的1/4玻片14与第二偏振片15的光轴取向角度的调节，依据表1所示的不同组合，其特征在于先将其安装于拉杆上，并将其光轴取向角度调节到相应值，然后通过拉杆推移的方式，从而形成表1中的各项组合。

本发明装置中，在某一固定散射角度上采用准直小孔9与第二光电倍增管10测量该角度上烟颗粒散射光强随时间变化曲线，用于监视烟颗粒流是否稳定，所测量散射光强随时间的变化曲线用于对第一光电倍增管16测量的散射光信号进行归一化处理，从而消除烟颗粒流的不稳定性的影响，进一步提高测量精度。

Claims (2)

1、一种火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量装置，包括在激光器(1)出射的激光束入射至喷烟头(7)喷出的烟颗粒(6)而形成的散射光点周围安装接收散射光信号的第一光电倍增管(16)；其特征在于：由激光器(1)出射的激光束在入射至烟颗粒(6)之前先经过第一偏振片(2)，并经由电光调制器(3)进行调制；用于安装光学与机械器件的光学平台(22)的中心开有孔(5)，具有开孔的转盘(4)置于光学平台(22)的正中心，喷烟头(7)通过三维调节部件(8)固定于光学平台(22)的中心位置上，转臂(17)固定于转盘(4)上，马达(18)驱动转臂(17)绕烟颗粒(6)转动，在第一光电倍增管(16)前方的光路上依次设有第二偏振片(15)、1/4波片(14)和准直小孔(13)，这四个器件封装于盒子(12)里并通过三维调节部件(11)安装于转臂(17)上，在烟颗粒光散射的另一半圆周的某一固定散射角度上，沿着散射光的光路依次安装准直小孔(9)和第二光电倍增管(10)，所述第二光电倍增管(10)和第一光电倍增管(16)的信号输出端接锁相放大器(21)的信号输入端，计算机(20)的并口输出信号端与马达(18)的信号输出端连接，计算机(20)的串口与锁相放大器(21)的串口连接，信号发生器(19)的信号输出端接光电调制器(3)与锁相放大器(21)的信号输入端。

2、一种火灾烟颗粒斯托克斯散射矩阵测量方法，包括对激光束入射至烟颗粒形成的散射光进行光电倍增测量；其特征在于：激光束经过第一偏振片后用电光调制器进行调制，然后入射至烟颗粒发生光散射，光电倍增测量器件前端装有1/4波片和第二偏振片，使第一偏振片、电光调制器、1/4波片和第二偏振片的光轴方向分别为：(a)“0°，-45°，--，--”；(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符号“--”表示该器件不用，在上述这8个组合条件下，分别测量散射光信号的直流、一阶谐波和二阶谐波分量在半圆周上的分布；在某一固定散射角度上测量散射光强度随时间的变化曲线，将在半圆周上测量的各阶散射光信号除以该固定散射角度上测得曲线对应时刻的光强值得到矫正的各阶散射光信号分量；直接从第(a)和第(e)组合条件下测得的经矫正后的直流、一阶谐波和二阶谐波信号，得到4个矩阵元素F₁₁(θ)、F₁₂(θ)、F₁₃(θ)和F₁₄(θ)，将第(b)、(c)和(d)组合条件下测量的经矫正后的的各阶信号减去第(a)组合条件下的相应测量值，以及将第(f)、(g)和(h)组合条件下测量的经矫正后的的各阶信号减去第(e)组合条件下的相应测量值，从而得到烟颗粒斯托克斯散射矩阵中其余12个元素的角度分布特征；所述测量的烟颗粒斯托克斯散射矩阵是指下式所示的4×4的矩阵F(θ)：

$\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ Q^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ U^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ V^{\mathrm{sca}}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]=\frac{1}{r^2}\frac{1}{k^2}\·\left[\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{13}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{14}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{21}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{23}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{24}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{31}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{32}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ F_{41}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{42}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{43}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}^{\mathrm{inc}}\\ Q^{\mathrm{inc}}\\ U^{\mathrm{inc}}\\ V^{\mathrm{inc}}\end{array}\right].$