火灾环境对S波段生命探测雷达电波传播影响研究

Life detecting of fire is an important part in the fire rescue, compared with other life detecting technology, life detecting radar of fire has advantages such as penetrating nonmetallic wall, penetrating smoke and far effective line-of-sight etc. Restricting the development of the key issue is that the gas molecules, water vapor condensation, smoke particles and charged particles in the fire impact on Doppler Effect and Refraction Effect of radar propagation. Using electromagnetic wave propagation characteristics and microwave antenna experiment platform to establish a sealed standard experiment room for life detecting radar of fire research. Analyzing the variation of radar echo signal pulse delay and Doppler frequency data when the presence or absence of fire occurred, Revealing relevant law of four kinds of European standard fire and the refraction effect and Doppler effect of 2.45GHz S-band LFMCW (linear frequency modulated continuous wave) life detecting radar under nonmetallic building walls hinder condition. Creating a life detecting radar pulse delay and Doppler frequency correction model of four kinds of European standard fire, on this basis, using artificial neural network algorithm to obtain the functional relationship of the fuel type of the source of fire, smoke production rate, fire power and pulse delay, Doppler frequency. Understanding the theory of electromagnetic wave propagation characteristics under fire condition, Lay a solid theory foundation for the development of life detecting radar in the fire rescue.

火灾生命探测是火场救援中的重要环节，与其他生命探测技术相比，火灾生命探测雷达具有穿透非金属墙体探测、穿透烟雾探测和有效视距远等优点，制约其发展的关键问题在于火灾环境中气体分子、水汽凝结物、烟颗粒及带电粒子对雷达电波传播的多普勒效应和折射效应。 利用电磁波传播特性与微波天线实验平台，建立封闭式火灾生命探测雷达研究标准实验间。分析有无火灾发生时雷达回波信号脉冲时延和多普勒频率数据变化规律，揭示非金属建筑墙体阻碍条件下四种欧洲标准火与2.45GHz的S波段LFMCW（线性调频连续波）生命探测雷达电波折射效应和多普勒效应的相关规律，建立四种欧洲标准火的生命探测雷达脉冲时延和多普勒频率修正模型，在此基础上，采用人工神经网络算法得到火源燃料类型、产烟速率、火源功率与脉冲时延和多普勒频率的函数关系，获得火灾条件下电磁波传播特性的理论认识，为发展火场救援生命探测雷达奠定坚实的理论基础。

S波段微波具有穿透能力强、实时性好等优点， 被广泛应用于通信、 检测等多种科技领域中。在火场应急救援应用中（如无线通信、室内定位以及生命探测雷达），由于火场环境中烟雾、火焰等物质对微波传播产生散射和吸收作用的影响，可引发信号干扰、时延及中断等问题， 研究火场环境中烟雾和火焰对微波传播特性的影响规律，对发展火场环境中的通信和探测技术理论及其应用具有重要意义。. 本项目旨在研究火场烟雾及火焰对S波段微波传播特性的影响，建立相关的微波传播模型， 揭示烟雾和火焰特性参数对微波衰减特性影响规律，为解决火场环境中微波传输问题提供理论指导和技术支撑。主要的研究工作包括：. 火场烟雾对微波衰减机理研究。 从烟雾的物理特性和电磁波基础理论出发，针对S波段微波波长远大于烟颗粒粒径，采用Rayleigh近似理论计算烟颗粒的散射和吸收截面， 分析火灾烟颗粒引起微波衰减的主要原因；建立火场烟雾环境中的微波传播模型。火场烟雾对S波段微波衰减特性的实验研究。设计火场环境中的微波传播实验平台，测量棉绳阴燃、 聚氨酯明火、正庚烷明火、柴油明火四种火灾烟雾的烟雾浓度、微波衰减等相关特征参数。结果表明微波在火灾烟雾中传播有明显衰减，且衰减随着烟雾浓度的增大而增大；四种典型烟雾对微波传播特性的影响不同，正庚烷和柴油明火烟雾引起的微波衰减较大，对微波传播影响较为明显； 计算并修正了烟雾浓度衰减系数，获得特定工况下微波的衰减公式和传播公式。. 火焰对S波段微波衰减特性实验研究。基于火焰对微波的衰减机理，通过实验研究分析了酒精火焰对S波段微波衰减特性的影响规律，研究表明微波衰减特性取决于微波频率和火焰的电磁特性参数。当微波频率小于自由电子震荡频率和碰撞频率时，火焰对微波衰减随着微波频率的增大而增大；随着自由电子密度增大， 微波衰减单调增大； 随着电子-中性粒子碰撞频率增大，微波衰减表现为先增大后减小，当电子-中性粒子碰撞频率达到最佳碰撞频率时，微波衰减最大。