论文速览 | IEEE TIM, 2024 | Radar-Enabled Millimeter-Wave Sensing of Fire Interactions 基于毫米波雷达的火灾感知
论文综述 | IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024 | Millimeter-Wave Radar-Based Fire Interaction Sensing 基于毫米波雷达的火灾相互作用感知
1 引言
针对火灾探测与火灾互动感知两个领域而言，在实际应用中传统的热成像技术以及激光诊断等手段虽能取得一定成效，在极端环境条件下往往会出现一定的局限性。相比之下毫米波雷达作为一种新兴技术凭借其高频率工作原理以及良好的穿透性能展现出在火灾检测中具有广阔的前景
在本文中，研究者们进行了对70-90 GHz频段内电磁波与火灾相互作用的深入研究。他们主要目标是通过精确的相位评估来揭示火焰对电磁波传播的影响，并对毫米波雷达在复杂火灾环境中的有效应用进行技术验证。
2 动机
由于火灾具有复杂性和危害性特征,因此构建高效精准且快速检测系统变得尤为关键.
3 方法
3.1 电磁波与火焰的相互作用
研究者提出了三种主要机制来解释火焰对电磁波传播的影响：
- 折射现象表明，在火焰环境中（如CO2和H2O等反应产物），空气介质的相对介电常数发生了变化。这种变化会导致电磁波传播方向发生偏移或转向。
- 吸收过程显示，在带电粒子密集的离子化气体中存在电磁场时，在这种介质中会接收到来自外部电磁场的一部分能量。
- 散射与衰减机制指出，在由不完全燃烧产生的颗粒物质中存在大量小尺寸颗粒时，在这些颗粒表面会发生散射作用并伴随能量衰减。
3.2 实验设计
实验按照欧洲标准EN54 在火灾模拟实验室中开展，并采用频率调制连续波（FMCW）雷达 传感器完成测量过程。具体操作流程包括以下几点：
在无火焰环境下实施固定目标的定位与测定
4 实验和结果
在本节中, 我们计划深入分析这一部分的结果. 为了更好地理解这些数据特征, 我们将在后续章节系统性地考察这两个特定的测试火焰, 并对其进行系统性的对比分析.
4.1 TF5 测试火焰
4.1.1 数据概览
在TF5实验中，650克的正庚烷燃烧，雷达测得的数据如下表所示：
| 时间段 | 时间 (s) | 相位最大值 | 相位最小值 | 平均相位 | 相位标准差 |
|---|---|---|---|---|---|
| TF5-1 | 5 - 55 | -56.57° | -63.32° | -60.06° | 1.02° |
| TF5-2 | 74 - 129 | -25.20° | -64.31° | -52.82° | 4.37° |
| TF5-3 | 149 - 199 | -23.88° | -63.14° | -49.16° | 4.66° |
| TF5-4 | 213 - 268 | -17.30° | -61.12° | -45.84° | 5.58° |
| TF5-5 | 276 - 326 | -28.89° | -58.87° | -46.17° | 3.87° |
| TF5-6 | 343 - 398 | -45.94° | -55.17° | -50.04° | 1.31° |
| TF5-7 | 407 - 462 | -46.34° | -57.10° | -51.84° | 2.00° |
| TF5-8 | 487 - 537 | -47.06° | -53.97° | -50.84° | 1.06° |
| TF5-9 | 582 - 632 | -47.20° | -54.43° | -51.01° | 1.04° |
4.1.2 结果分析
在燃烧全过程中观察到相位平均值持续上升，在燃烧最为活跃的阶段（TF5-4）尤其明显。这表明该火焰对电磁波传播速度的影响尤为显著。
相位标准差（STD） 表明，在火焰燃烧过程中
在约316秒时至TF5-5后期阶段出现火源消失的现象，在此时刻点伴随相关参数急剧减小。值得注意的是此现象可直接观察到火源变化情况，并可据此判断火源是否存在
4.2 TF4 测试火焰
4.2.1 数据概览
在TF4实验中，400克的聚氨酯泡沫燃烧，雷达测得的数据如下表所示：
| 时间段 | 时间 (s) | 相位最大值 | 相位最小值 | 平均相位 | 相位标准差 |
|---|---|---|---|---|---|
| TF4-1 | 23 - 73 | -51.97° | -58.92° | -55.50° | 1.02° |
| TF4-2 | 100 - 150 | -44.61° | -60.65° | -53.59° | 2.21° |
| TF4-3 | 168 - 218 | -13.37° | -58.33° | -41.35° | 6.40° |
| TF4-4 | 233 - 283 | -25.34° | -59.62° | -45.94° | 4.42° |
| TF4-5 | 301 - 351 | -47.44° | -56.73° | -52.52° | 1.14° |
| TF4-6 | 392 - 442 | -46.32° | -56.48° | -51.73° | 1.79° |
| TF4-7 | 463 - 513 | -46.93° | -54.15° | -50.37° | 1.04° |
| TF4-8 | 528 - 578 | -47.42° | -54.48° | -50.77° | 1.01° |
| TF4-9 | 600 - 650 | -47.57° | -54.03° | -51.01° | 1.00° |
4.2.2 结果分析
相位变化趋势 ：如同在TF5实验中那样，在TF4实验过程中观察到相位平均值呈现出明显上升趋势。值得注意的是，在火焰最活跃的状态（即TF4-3阶段），相位变化达到最大幅度。这一发现进一步揭示了不同类型火焰对电磁波传播特性的影响机制。
相位标准差（STD）：在TF4-3阶段进行测试时，在该阶段测得的相位标准差 STD 达到了 6.40°, 其值较基准测试 TF4-1 的结果高出约 6 倍之多。这一数值表明，在聚氨酯燃烧过程中, 介电常数的变化幅度较大对其电磁波传播产生了显著影响。
在火焰被扑灭之后（TF4-5时段），观察到相位噪声和相位变化均呈现快速下降趋势。这一现象表明，在火焰消失的过程中（即当温度降至足以抑制燃烧时），电磁波传播系统的恢复过程得以加速
4.3 对比分析
通过对比分析TF5和TF4的实验结果，我们可以得出以下结论：
不同火焰类型对电磁波传播的特性影响呈现显著差异性。具体而言，在正庚烷燃烧过程中所引发的电磁波传播特性与聚氨酯燃烧具有显著区别。研究表明，在正庚烷燃烧时出现较为明显的相位变化现象，并且其幅度较之于聚氨酯燃烧所引起的高阶相位噪声以及较大的相位标准差 STD 值有所提升。
温度与相位关系 ：尽管火焰温度的变化对相位有一定影响,但不同燃烧产物对介电常数的变化更为显著.
火焰熄灭的标志 ：在正庚烷和聚氨酯两种物质的燃烧过程中，在火焰停止燃烧时（也就是当火焰熄灭发生时），其相位特性和相位噪声都会迅速下降。这一现象对于实现可靠的火焰监测和早期预警至关重要。
5 不足和未来展望
5.1 不足
- 实验环境限制 ：本研究的实验设置于实验室环境中，在真实火灾场景中实施测试显得更具挑战性。未来建议将实验拓展至更贴近现实的火灾情境以作验证。
- 火焰类型有限 ：目前的研究主要关注两种特定类型的火焰，在木材燃烧和汽油蒸发等其他类别火焰的影响上仍需进一步探究。
- 测量距离影响 ：测量距离对结果产生了一定程度的影响，在提升长距离测量精确度方面仍需采取更多优化措施。
5.2 未来展望
多物理场耦合研究：深入探究火焰所呈现的热、化学与电磁三重属性之间的相互作用机制，并以此为基础建立更为完整的火势演变模型。
2. 实时监测与预警系统：基于毫米波雷达技术研制的实时火灾监控系统，在确保检测灵敏度的同时显著提升了火灾报警响应速度。
3. 多元感知整合：通过科学配置与优化各类辅助感知设备（包括但不限于光学测温仪与红外成像装置），构建多层次感知阵列以实现精准火情评估。
6 总结
本文利用毫米波雷达技术对火焰相对介电常数与电磁波传播之间的关系进行了深入探讨，并展现了该技术在火灾探测领域的巨大潜力。尽管当前研究仍面临诸多挑战性问题的制约，在未来有望为提升火灾预防体系提供创新思路与可行方案。
研究表明, 采用FMCW雷达传感器能够实现火焰状态的高精度检测, 并不仅限于火灾检测这一领域, 在工业燃烧监测方面也展现了巨大潜力. 期待未来能有更多研究及实际应用来进一步推动毫米波雷达技术在火灾检测中的发展.