[科普中国]-后向散射

简介

在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。通常散射截面积是入射方向和散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射。

基本系数吸收和散射都引起衰减。所以，衰减系数（attenuation coefficient）ka（λ）是吸收系数（absorption coefficient）kab （λ）和散射系数（scattering coefficient）ksc（λ）的总和。

衰减系数（attenuation coefficient）描述介质（medium）的固有光学性质（IOP：inherent optical properties）。它的值是由介质内部各个组份的物理吸收特性、几何散射特性以及各个组份的浓度决定的，与外部光源（或电磁波源）本身的强度无关。

辐照度（irradiance）和辐亮度（radiance）描述表观光学性质（AOP：apparent optical properties）的光学量，它们的初始值依赖于外部光源强度，它们在空间的分布取决于外部光源强度和介质内部衰减率这两个方面。

依据不同方法，测量的衰减系数可分为“漫衰减系数”（diffuse attenuation coefficient）和“光束衰减系数”（beam attenuation coefficient）两种。与漫衰减系数对应的透射率被称为漫透射率，与光束衰减系数对应的透射率被称为光束透射率。

体积散射函数（volume scattering function）β（λ，θ）描述散射衰减系数的立体角分布，它的单位是m-1﹒sr-1

体积散射系数（volume scattering coefficient）ksc（λ）的单位是m-1，它与体积散射函数β（λ,θ）之间的关系是

前向散射系数（forward scattering coefficient）ksc－f（λ）等于

后向散射系数（backscattering coefficient）ksc－b（λ）等于。

因素散射式光电感烟火灾探测器的检测室内装有发光元件（光发射器）和受光元件（接收器），发光元件现大多数采用发光效率高的红外发光二极管；受光元件大多采用半导体硅光电池（或光电二极管）。在正常无烟的情况下，受光元件接收不到发光元件发出的光，因此不产生光电流，在火灾发生时，当产生的烟雾进入探测器的检测室时，由于烟粒子的作用，使发光元件发射的光产生漫反射（散射），这种散射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流，将烟雾信号转变成电信号。电信号经过分析处理，从而实现火灾的探测报警。

火灾是在时间和空间上失去控制的燃烧过程，根据燃烧物的不同在燃烧的各个阶段会伴随着产生粒子直径在0.01µm～10µm液体或固体颗粒，称为烟雾。产生的烟雾有的是肉眼看不见的，有的是颜色较浅的白色或灰色烟雾，有的是颜色很深黑色烟雾。这种黑色烟雾（简称黑烟），吸收光线的能力很强，对于照射在其上的光辐射以吸收为主，散射光很弱，而且影响其他粒径烟粒子对光的散射。因此，采用光散射探测原理的光电感烟火灾探测器对这种黑烟探测能力较差。

散射光型光电感烟探测器的光电接收器输出信号,与光源辐射功率和波长、粒子浓度、粒径、散射角、散射体积和光敏元件的受光面积等有关。其粒径划分为瑞利散射区、米氏散射区、布里卡尔散射区。随着粒径增大,前向散射增大,侧向散射次之,后向散射减小。但无论粒径如何变化,前向散射信号总优于后向散射信号。相对于前向散射,后向散射的散射强度不如前向散射差别大。并据此设计散射光型光电感烟探测器。1

为了提高探测器的响应性能，在设计探测器的结构时，要考虑各种有关因素，协调他们之间互相矛盾的有关参数。探测器的入射光波长要根据粒径大小情况进行合理选择。大多数烟粒子的粒径范围为0.01µm～1µm。波长应尽可能的短到使大部分被测烟粒子都处在较强的散射性上。自从发光二极管广泛应用于探测器以来，由于较短波长的发光二极管量子效应降低，现较普遍采用的是红光和红外光波长。如果发光二极管效能允许，应尽量采用波长较短的发光元件。探测室的“迷宫”既要设计成抗环境光线干扰性强，又要考虑使烟雾进入的畅通性和各方位的均匀性。散射角是影响散射光接收的重要因素，很小粒径（比如波长的1/100）的前向散射光（与入射光束同一方向的散射）和后向散射光（与入射光束相反方向的散射）相差不大，随着粒径的逐渐增大，前向散射显著增大，后向散射减小。目前国内该类探测器普遍采用前向散射原理，它对于产生的粒径较大的灰烟（比如标准试验火SH1、SH2产生的烟）反应灵敏。

探测器的响应性能不同的厂家差别很大，不论是结构上、技术上还是算法上的稍微不同都能影响探测器的响应性能产生差别。建议产品开发商针对探测器的黑烟响应性进行大量试验，来探求合理的方式提高产品的质量。

结合散射式光电探测器根据散射角的大小分为前向散射、侧向散射和后向散射三种类型。散射角是光发射器与接收器在发射光线方向与接收的折射光线方向之间的夹角。前向散射就是采用散射角θ90°散射方式。2前向散射原理和后向散射原理各有自己的特点，可以考虑充分利用两者的探测优势，将他们组合起来实现感烟探测。其方法是在探测室内设置两个相对着的光发射器，光接收器选择合适的角度设置，构成探测结构。其中一个光发射器与光接收器构成前向散射探测结构，另一个光发射器与光接收器构成后向散射探测结构。光接收器将接收到烟粒子的两路散射光作用，加强了光散射效果，从而增大了光电接收器输出信号，达到对黑烟响应的目的。但是这种探测器探测室设计信号处理更为复杂，生产成本也随之增加。

云雾对激光后向散射特性在满足激光对距离的分辨率大于对云雾的有效穿透厚度的条件下，云雾对激光的后向散射信号会出现展宽的现象。

在试验环境相同的情况下，发射激光的脉冲宽度越大，云雾对激光的后向散射回波信号强度越强，反之，发射激光脉冲宽度越窄，强度就越弱。

云雾对激光的后向散射信号统计距离离散性很大，这与目标有很大区别。云雾后向散射信号回波率与云雾能见度有关，云雾能见度越大，回波率越低，云雾能见度越小，回波率越高。

在特定情况下，激光穿透云雾后入射到目标上，目标的发射回波信号与云雾的后向散射回波信号叠加会出现双峰现象。3