後向散射

在兩個均勻介質的分界面上，當電磁波從一個介質中入射時，會在分界面上產生散射，這種散射叫做表面散射。在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是鏡面的情況下必須使用能夠計算的量來衡量。通常散射截面積是入射方向和散射方向的函式，而在合成孔徑雷達及散射計等遙感器中，所觀測的散射波的方向是入射方向，這個方向上的散射就稱作後向散射。

基本介紹

• 中文名：後向散射
• 外文名：backscattering
• 前提：兩個均勻介質的分界面
• 過程：電磁波從一個介質中入射時
• 形成：在分界面上產生散射

簡介

在兩個均勻介質的分界面上，當電磁波從一個介質中入射時，會在分界面上產生散射，這種散射叫做表面散射。在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是鏡面的情況下必須使用能夠計算的量來衡量。通常散射截面積是入射方向和散射方向的函式，而在合成孔徑雷達及散射計等遙感器中，所觀測的散射波的方向是入射方向，這個方向上的散射就稱作後向散射。

基本係數

吸收和散射都引起衰減。所以，衰減係數（attenuation coefficient）ka（λ）是吸收係數（absorption coefficient）kab （λ）和散射係數（scattering coefficient）ksc（λ）的總和。

衰減係數（attenuation coefficient）描述介質（medium）的固有光學性質（IOP：inherent optical properties）。它的值是由介質內部各個組份的物理吸收特性、幾何散射特性以及各個組份的濃度決定的，與外部光源（或電磁波源）本身的強度無關。

輻照度（irradiance）和輻亮度（radiance）描述表觀光學性質（AOP：apparent optical properties）的光學量，它們的初始值依賴於外部光源強度，它們在空間的分布取決於外部光源強度和介質內部衰減率這兩個方面。

依據不同方法，測量的衰減係數可分為“漫衰減係數”（diffuse attenuation coefficient）和“光束衰減係數”（beam attenuation coefficient）兩種。與漫衰減係數對應的透射率被稱為漫透射率，與光束衰減係數對應的透射率被稱為光束透射率。

體積散射函式（volume scattering function）β（λ，θ）描述散射衰減係數的立體角分布，它的單位是m-1﹒sr-1

體積散射係數（volume scattering coefficient）ksc（λ）的單位是m-1，它與體積散射函式β（λ,θ）之間的關係是

前向散射係數（forward scattering coefficient）ksc－f（λ）等於

後向散射係數（backscattering coefficient）ksc－b（λ）等於。

因素

散射式光電感煙火災探測器的檢測室內裝有發光元件（光發射器）和受光元件（接收器），發光元件現大多數採用發光效率高的紅外發光二極體；受光元件大多採用半導體矽光電池（或光電二極體）。在正常無煙的情況下，受光元件接收不到發光元件發出的光，因此不產生光電流，在火災發生時，當產生的煙霧進入探測器的檢測室時，由於煙粒子的作用，使發光元件發射的光產生漫反射（散射），這種散射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗發生變化，產生光電流，將煙霧信號轉變成電信號。電信號經過分析處理，從而實現火災的探測報警。

火災是在時間和空間上失去控制的燃燒過程，根據燃燒物的不同在燃燒的各個階段會伴隨著產生粒子直徑在0.01µm～10µm液體或固體顆粒，稱為煙霧。產生的煙霧有的是肉眼看不見的，有的是顏色較淺的白色或灰色煙霧，有的是顏色很深黑色煙霧。這種黑色煙霧（簡稱黑煙），吸收光線的能力很強，對於照射在其上的光輻射以吸收為主，散射光很弱，而且影響其他粒徑煙粒子對光的散射。因此，採用光散射探測原理的光電感煙火災探測器對這種黑煙探測能力較差。

散射光型光電感煙探測器的光電接收器輸出信號,與光源輻射功率和波長、粒子濃度、粒徑、散射角、散射體積和光敏元件的受光面積等有關。其粒徑劃分為瑞利散射區、米氏散射區、布里卡爾散射區。隨著粒徑增大,前向散射增大,側向散射次之,後向散射減小。但無論粒徑如何變化,前向散射信號總優於後向散射信號。相對於前向散射,後向散射的散射強度不如前向散射差別大。並據此設計散射光型光電感煙探測器。

為了提高探測器的回響性能，在設計探測器的結構時，要考慮各種有關因素，協調他們之間互相矛盾的有關參數。探測器的入射光波長要根據粒徑大小情況進行合理選擇。大多數煙粒子的粒徑範圍為0.01µm～1µm。波長應儘可能的短到使大部分被測煙粒子都處在較強的散射性上。自從發光二極體廣泛套用於探測器以來，由於較短波長的發光二極體量子效應降低，現較普遍採用的是紅光和紅外光波長。如果發光二極體效能允許，應儘量採用波長較短的發光元件。探測室的“迷宮”既要設計成抗環境光線干擾性強，又要考慮使煙霧進入的暢通性和各方位的均勻性。散射角是影響散射光接收的重要因素，很小粒徑（比如波長的1/100）的前向散射光（與入射光束同一方向的散射）和後向散射光（與入射光束相反方向的散射）相差不大，隨著粒徑的逐漸增大，前向散射顯著增大，後向散射減小。目前國內該類探測器普遍採用前向散射原理，它對於產生的粒徑較大的灰煙（比如標準試驗火SH1、SH2產生的煙）反應靈敏。

探測器的回響性能不同的廠家差別很大，不論是結構上、技術上還是算法上的稍微不同都能影響探測器的回響性能產生差別。建議產品開發商針對探測器的黑煙回響性進行大量試驗，來探求合理的方式提高產品的質量。

結合

散射式光電探測器根據散射角的大小分為前向散射、側向散射和後向散射三種類型。散射角是光發射器與接收器在發射光線方向與接收的折射光線方向之間的夾角。前向散射就是採用散射角θ<90°的散射方式，現大多數光電感煙探測器都是採用這種散射形式。後向散射就是採用散射角θ>90°散射方式。前向散射原理和後向散射原理各有自己的特點，可以考慮充分利用兩者的探測優勢，將他們組合起來實現感煙探測。其方法是在探測室內設定兩個相對著的光發射器，光接收器選擇合適的角度設定，構成探測結構。其中一個光發射器與光接收器構成前向散射探測結構，另一個光發射器與光接收器構成後向散射探測結構。光接收器將接收到煙粒子的兩路散射光作用，加強了光散射效果，從而增大了光電接收器輸出信號，達到對黑煙回響的目的。但是這種探測器探測室設計信號處理更為複雜，生產成本也隨之增加。

雲霧對雷射後向散射特性

在滿足雷射對距離的解析度大於對雲霧的有效穿透厚度的條件下，雲霧對雷射的後向散射信號會出現展寬的現象。

在試驗環境相同的情況下，發射雷射的脈衝寬度越大，雲霧對雷射的後向散射回波信號強度越強，反之，發射雷射脈衝寬度越窄，強度就越弱。

雲霧對雷射的後向散射信號統計距離離散性很大，這與目標有很大區別。雲霧後向散射信號回波率與雲霧能見度有關，雲霧能見度越大，回波率越低，雲霧能見度越小，回波率越高。

在特定情況下，雷射穿透雲霧後入射到目標上，目標的發射回波信號與雲霧的後向散射回波信號疊加會出現雙峰現象。