学术研究报告：基于光度测量法的真实尺度火灾烟雾遮光特性遥感研究

一、作者与发表信息

本研究由德国伍珀塔尔大学（University of Wuppertal）和于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的Kristian Börger、Alexander Belt、Thorsten Schultze及Lukas Arnold*（通讯作者）合作完成，发表于期刊Fire Technology（2024年，卷60，页19-45）。研究聚焦火灾烟雾的光学特性测量，旨在开发一种新型光度测量法，以高时空分辨率量化烟雾的消光系数（extinction coefficient）。

二、学术背景

科学领域与动机

研究属于火灾安全工程与计算流体力学（CFD）交叉领域。火灾烟雾是建筑 occupant（occupants）安全的主要威胁，其遮光性直接影响逃生时间（ASET/RSET）评估。现有数值模型（如FDS）依赖消光系数预测能见度，但实验数据稀缺且存在尺度效应误差（如Gottuk等报告的4-5倍偏差）。传统设备（如MIREX系统）仅提供局部红外波段数据，无法满足多波长、高分辨率需求。

关键背景知识

1. 消光系数：由Beer-Lambert定律定义，反映烟雾对光的吸收与散射（absorption and scattering），与波长强相关（Widmann公式：(k_m \propto \lambda^{-1.0088})）。
   
2. 烟雾特性： flaming燃烧产生的碳烟（soot）以吸收为主，smoldering（阴燃）烟雾以散射为主，粒子尺寸分布影响光学行为。
   
3. 技术瓶颈：现有多波长密度仪（densitometer）多限于实验室小尺度，且易受设备干扰（如风管扰动）。

研究目标

开发一种非侵入式、低成本的光度测量法，通过RGB-LED与数码相机捕获烟雾遮光动态，验证其时空分辨率与波长依赖性，并为CFD模型验证提供数据支持。

三、研究流程与方法

1. 实验设计

• 研究对象：10次实验（8次纯正庚烷（n-heptane）火灾，2次正庚烷-甲苯混合燃料），模拟EN 54 TF 5标准火灾。
  
• 装置：
  
  • 光源：7条RGB-LED strip（每条含141个LED），垂直与对角线布置，覆盖1-3.37 m高度。
    
  • 探测器：两台DSLR相机（Canon 80D/70D），手动模式固定参数（ISO 100，快门1/500-¹⁄₂₅₀ s）。
    
  • 对照：3台MIREX设备（红外波段880 nm）。
    

2. 数据采集与处理

• 原始数据：使用RAW图像（非JPEG）避免伽马校正（gamma correction）误差，通过Python库libraw提取14位传感器数据。
  
• LED强度计算：
  
  • ROI（感兴趣区域）：基于Bayer滤光片阵列（Bayer filter array）分离RGB通道，求和像素值（公式6）。
    
  • 初始校准：取10张预点火图像均值作为基准强度(I_0)。
    
• 消光系数反演：
  
  • 模型：基于Beer-Lambert定律与几何光学，假设水平层内烟雾均匀，通过成本函数（公式7）优化空间分层（20层）的消光系数。
    
  • 算法：开源工具LEDSA（LED Smoke Analysis）实现非线性优化，加权平滑约束（(\phi_s)）与边界约束（(\phi_a)）。
    

3. 创新方法

• 多波长分析：首次利用相机RGB通道对应LED的峰值波长（红630 nm、绿510 nm、蓝462 nm），同步获取多波段消光系数。
  
• 温度补偿：量化LED热衰减（公式9-11），发现红LED对温度最敏感（特性温度(T_1=199 K)）。
  

四、主要结果

1. 波长依赖性验证

• 与MIREX对比：在1.52 m与2.3 m高度，LEDSA消光系数显著高于MIREX（红外），比值符合Widmann理论预测（如红蓝比1.37）。
  
• 异常层：顶层（3.3 m）数据接近MIREX，可能与烟雾分层非均匀性或粒子尺寸效应有关（Jin理论：>1 μm粒子波长依赖性反转）。
  

2. 时空分辨率

• 空间分布：消光系数随高度递减，但近相机区域值偏高（图10），归因于LED热衰减的几何效应（公式11）。
  
• 时间动态：正庚烷火灾HRR（热释放率）峰值159 kW（145 s），消光系数同步上升（图7-8），混合燃料烟雾密度更高（图9）。
  

3. 重现性与误差

• 重现性：8次正庚烷实验标准差窄（图2），但红LED通道噪声较大（CV=11.6% vs 绿3.5%）。
  
• 系统误差：温度导致红LED强度衰减15-21%，需改进LED隔热设计。
  

五、结论与价值

科学价值

1. 方法学突破：首次实现基于消费级相机的多波长消光系数遥感，时空分辨率优于传统设备。
   
2. CFD验证：为FDS等模型的可见度预测提供高分辨率实验数据，揭示波长与燃料类型的影响。
   

应用价值

1. 火灾安全：优化烟雾探测器设计与逃生路线规划。
   
2. 低成本扩展：方法可适配常规监控相机，适用于大尺度火灾实验。
   

六、研究亮点

1. RAW图像分析：消除JPEG后处理误差，提升低光区精度（图5）。
   
2. 多相机验证：通过对称布置验证烟雾分层假设（图11）。
   
3. 开源工具：LEDSA代码与实验数据公开（Zenodo），推动方法复用。
   

七、其他价值

• 燃料差异：甲苯混合燃料的消光系数异常（图9）暗示粒子尺寸效应，需进一步研究。
  
• 未来方向：三维模型扩展、高温LED稳定性改进及多燃料测试（如阴燃火灾）。
  

（全文约2400字）