基于拉曼散射的分布式光纖定溫與差溫探測方法

費 芹，秦 俊

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026）

0 引言

人類十分重視火災(zāi)的監(jiān)測。過高的溫度和過快的溫升速率往往是火災(zāi)發(fā)生的重要特征。傳統(tǒng)的感溫探測器就是利用火災(zāi)這一特性進行火災(zāi)預(yù)警，但感溫探測器布置安裝較為復(fù)雜，在發(fā)生火災(zāi)預(yù)警時要準(zhǔn)確找到預(yù)警的位置也比較耗時。

基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術(shù)彌補了感溫探測器的不足，它不僅可以實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)對異常溫度及溫升速率進行預(yù)警和準(zhǔn)確定位。分布式光纖測溫系統(tǒng)布線簡單，適用于長距離及大空間的火災(zāi)監(jiān)測，測溫系統(tǒng)不受電磁干擾，使得它的適用場所更加廣泛［1］。目前，分布式光纖測溫系統(tǒng)已經(jīng)成功運用于隧道、大壩、電纜等處的火災(zāi)監(jiān)測［2，3］。

1 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

1.1 基于拉曼散射的光纖測溫原理

光在光纖中傳播，由于光子與介質(zhì)中的固體分子發(fā)生非彈性碰撞，會產(chǎn)生拉曼散射現(xiàn)象［1］。拉曼散射光中含有stokes散射光和anti－stokes散射光。stokes散射光和anti－stokes散射光都對溫度敏感，利用它們可以解調(diào)出溫度信息。

當(dāng)激光器向光纖中注入激光后，后向散射的stokes和anti－stokes光強與溫度存在以下關(guān)系［4］：

式中：h為普朗克常數(shù)，Δv為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，T 絕對溫度值，λas、λs分別為anti－stokes和stokes光的中心波長。

室溫條件下?lián)芥N光纖中anti－stokes光對溫度敏度約為0.8%／K，而stokes對溫度的靈敏度只有約0.1%／K［4］，但為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們用stokes光作為參考信號來解調(diào)溫度［5］：

圖1為R（T）與溫度的關(guān)系曲線圖。從圖1中可以看出，在0℃～120℃范圍內(nèi)溫度與R（T）近似線性關(guān)系。所以在0℃～120℃范圍內(nèi)可認(rèn)為［6］：

式中：k與m為常量。

圖1 R（T）與溫度的關(guān)系Fig.1 Relationship between R（T）and temperature

將采集得到的信號與對應(yīng)的溫度進行線性擬合，求得k與m的值，即可得到溫度與R（T）之間的關(guān)系，解調(diào)出溫度信號。

1.2 基于光時域技術(shù)的空間定位［7］

光在光纖中的散射是各向同性的，激光器的注入光在光纖中發(fā)生散射時，部分光會沿著原路返回，此時測得返回的光信號在光纖中往返所用時間τ，即可計算出該點的位置X：

式中：c為真空中的光速，n為光纖的折射率。

1.3 分布式光纖測溫系統(tǒng)的構(gòu)成

分布式光纖測溫系統(tǒng)由脈沖激光器、雪崩二極管（ADP）、光纖、波分復(fù)用器（WDM）、采集卡、計算機等硬件設(shè)備構(gòu)成。其基本結(jié)構(gòu)見圖2。激光器以一定頻率發(fā)射一個光脈沖，該脈沖光通過WDM耦合進入光纖，在光纖中傳播時會發(fā)生散射。后向散射光經(jīng)過 WDM分光濾出anti－stokes光和stokes光，將得到的兩路光信號通過ADP轉(zhuǎn)換成電信號，再利用采集卡采集此電信號，最后將得到的信號傳入計算機進行進一步處理得出溫度信號。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)空間分辨率主要受到激光脈沖寬度、ADP響應(yīng)時間及采集卡采樣頻率三者的影響［8］，空間分辨率取決于三者影響最大者，即：

圖2 分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Distributed fiber optic temperature sensor system structure diagram

式中，?L為系統(tǒng)的空間分辨率，?L1、?L2、?L3分別為激光器、ADP及采集卡決定的空間分辨率，v為光纖中激光的傳播速度，Δt、τ、f分別為激光脈沖寬度、ADP響應(yīng)時間及采集采樣頻率。

選取激光器的中心脈寬為10ns，雖然減小激光器脈沖寬度可以增加系統(tǒng)空間分辨率，但會使耦合進光纖的能量減小，導(dǎo)致后向拉曼散射信號減弱。選取AD采集卡采樣頻率為100MHz，ADP選用InGaAs型，其響應(yīng)時間典型值為0.3ns。根據(jù)式（6）計算得，系統(tǒng)空間分辨率為1m。

測溫精度主要受到雙通道不等衰減、接收機噪聲、A／D轉(zhuǎn)換、標(biāo)定精度的影響［9］。通過對兩路信號進行衰減補償、累加及小波去噪、采用高采樣位數(shù)的采集卡及溫度精度為0.1℃的水槽進行溫度標(biāo)定等方法提高系統(tǒng)的測溫精度，使系統(tǒng)測溫精度達到1℃。

系統(tǒng)選用性能良好的光纖激光器作為脈沖光源，在長時間的使用后其中心波長及輸出功率仍保持不變，使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

對系統(tǒng)的測溫性能進行測試，取測溫光纖第270m到295m段放入78℃的水槽中，圖3為光纖距離為200m到400m的溫度曲線圖，可見系統(tǒng)性能良好，測溫精度達到1℃，空間分辨率達到1m，具有良好的穩(wěn)定性。

3 定溫預(yù)警與差溫預(yù)警實驗

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)除了測溫這一基本功能外，還可以實現(xiàn)定溫火災(zāi)預(yù)警和差溫火災(zāi)預(yù)警功能。

圖3 光纖溫度曲線Fig.3 The curve of optical fiber temperature

參照感溫探測器的預(yù)警溫度，設(shè)置本系統(tǒng)的定溫預(yù)警溫度54℃，并參照差溫探測器的預(yù)警溫升速率，設(shè)置本系統(tǒng)差溫預(yù)警溫升速率為8℃／min。

為了對兩種報警方式進行測試，用0.5m×0.5m的油池火作為模擬火源進行實驗，火源功率約為0.45MW。將一段測溫光纖布置于建筑物頂部，在光纖長度X＝10m處的正下方距光纖h處點燃油池火，考慮到建筑物高度一般不小于3m，所以h取值從3m～13m，每隔1m取一個值。點燃油池火后系統(tǒng)測得的溫度不斷升高，達到最高溫度時記錄測溫光纖1m～20m段的溫度曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同火源位置光纖達到的最高溫度Fig.4 Highest temperature of optic fiber with different fire positions

從圖4中可知不同高度的火源作用下，光纖都在X＝10m處達到該段光纖的最高溫度，這是由于第10m處的光纖位于火源正上方，距離火源最近，在無風(fēng)條件下，煙氣垂直向上蔓延，最先達到10m處的光纖測點，所以測得的溫度也最高。不同火源位置在X＝10m處測得的最高溫度值見表1，可見隨著h的增加，測得的最高溫度不斷降低，這是因為熱煙氣層在上升過程中不斷向四周擴散，當(dāng)h較小時，熱煙氣層很快到達光纖處，向四周擴散的煙氣較少，到達頂棚處的煙氣較為集中，此時光纖測得的溫度也較高，而h較大時，熱煙氣擴散導(dǎo)致在頂棚下方熱量散失較多，所以光纖測得的最高溫度也大大降低。

表1 各火源位置在X＝10m處達到的最高溫度Table 1 Highest temperature of X＝10m with different fire positions

在無風(fēng)條件下，煙氣層向各個方向擴散的速率相同，所以圖4中不同高度h光纖溫度都是在X＝10m處向兩邊呈對稱分布，并且隨著火源與光纖距離h的增加，光纖沿線溫度變化趨于平緩，這是由于高度較大時，上升過程中煙氣向四周擴散的同時也向上運動，將一部分熱量帶到了距離中心火源較遠的光纖測點，使頂棚處煙氣熱量分布更加均勻，但光纖溫度在X＝10m處向兩邊仍呈下降分布，可見擴散煙氣的較多熱量損失在頂棚下方，只有少部分到達頂棚處，所以火源與光纖的高度差對定溫預(yù)警影響較大。當(dāng)h大于7m時系統(tǒng)測得的最高溫度已經(jīng)低于設(shè)置的定溫報警溫度，定溫預(yù)警失效。

利用定溫和差溫兩種預(yù)警方式對不同高度處的火源進行預(yù)警，分別記錄兩種預(yù)警方式的最小響應(yīng)時間及發(fā)生預(yù)警的測點，其結(jié)果見表2。

表2顯示，火源高度小于等于6m時，差溫預(yù)警的最小響應(yīng)時間都是12s，高度大于6m后響應(yīng)時間隨高度h的增加而增加，這是因為差溫預(yù)警響應(yīng)時間主要由系統(tǒng)響應(yīng)時間即系統(tǒng)對信號的采集處理所需的時間和達到預(yù)警溫升速率所用時間共同決定?；鹪锤叨刃∮诘扔?m時，熱煙氣很快到達頂棚且光纖所受熱輻射也較強，測溫光纖達到預(yù)警溫升速率所用時間小于系統(tǒng)響應(yīng)時間，所以差溫預(yù)警最小響應(yīng)時間由系統(tǒng)響應(yīng)時間決定。當(dāng)火源高度大于6m后，差溫預(yù)警時間主要由到達預(yù)警溫升速率所用時間決定，隨著高度差的增大，煙氣上升所用的時間增加，煙氣熱量散失導(dǎo)致溫升速率降低，所以差溫預(yù)警響應(yīng)增加。

表2 預(yù)警響應(yīng)時間及預(yù)警測點Table 2 Warning response time and warning points

定溫預(yù)警響應(yīng)時間一直隨著高度h的增加而增加?？梢娤到y(tǒng)響應(yīng)時間對定溫預(yù)警響應(yīng)時間影響不大，其響應(yīng)時間主要由達到預(yù)警溫度所用時間決定，而隨著高度h的增加，頂棚處獲得的熱量不斷減小，所以達到預(yù)警溫度所需時間不斷增加。

對于同一火源高度，差溫預(yù)警響應(yīng)時間遠小于定溫預(yù)警響應(yīng)時間，這是因為熱煙氣層達到頂棚時很快使測溫光纖獲得較大的溫升速率，而煙氣需在頂棚聚集使頂棚持續(xù)升溫直至溫度達到設(shè)置的預(yù)警溫度才會發(fā)生定溫預(yù)警，所以定溫預(yù)警時間遠大于差溫預(yù)警時間。

火源與光纖高度差超過6m時，雖然頂棚處溫度無法達到定溫預(yù)警溫度，但溫升速率仍然可以達到差溫預(yù)警的預(yù)警閾值，所以h超過6m時定溫預(yù)警失效，但差溫預(yù)警仍能對火源做出響應(yīng)，其最大響應(yīng)高度達到12m。

試驗時，發(fā)生預(yù)警的測點在X＝10m兩邊呈對稱分布。由表2可知，兩種預(yù)警響應(yīng)的測點個數(shù)都是隨高度差的增大而減小，這是由于當(dāng)高度差較小時，煙氣迅速達到頂棚，并在頂棚處發(fā)生射流，到達各測點的熱量比較集中，各測點溫度迅速升高。此外，高度差較小，火源對頂棚的熱輻射更強，所以較多測點均可達到定溫及差溫預(yù)警的預(yù)警閾值，但高度差較大時，煙氣熱量在頂棚下方散失較多，頂棚處的溫度分布也較為均勻，較少測點可以達到定溫預(yù)警的響應(yīng)溫度，同時頂棚射流造成的溫升也不足以使較遠測點達到差溫預(yù)警閾值。

對于同一火源高度，差溫預(yù)警響應(yīng)測點遠多于定溫預(yù)警，因為系統(tǒng)探測到最大溫升速率達到預(yù)警閾值時，就會發(fā)處差溫預(yù)警，對于距離火源較遠的測點，雖然獲得較大溫升速率，但溫度不會一直升高，最高溫度不能達到定溫預(yù)警溫度。

4 結(jié)論

1.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)可以很好的對溫度進行實時監(jiān)控及火災(zāi)預(yù)警。以0.5m×0.5m的油池火作為模擬火源，設(shè)置定溫預(yù)警響應(yīng)溫度為58℃，差溫預(yù)警響應(yīng)溫升速率為8℃／min，當(dāng)建筑物高度不超過6m時，定溫預(yù)警可對火源做出響應(yīng)，建筑物高度不超過12m時，差溫預(yù)警可對火源做出響應(yīng)。

2.對于同一火源，差溫預(yù)警相對于定溫預(yù)警響應(yīng)時間更短，能夠更快的對火源做出預(yù)警，且差溫預(yù)警響應(yīng)的測點更多，對火源的探測范圍也更廣，所以分布式光纖測溫系統(tǒng)在建筑物火災(zāi)探測中，差溫預(yù)警相對于定溫預(yù)警具有更高的探測效率，更低的漏報率。

3.隨著火源與頂棚高度差的減小，定溫及差溫預(yù)警響應(yīng)時間都呈減小趨勢，即火源距光纖越近，火災(zāi)預(yù)警時間越短，所以在高度較低的建筑物火災(zāi)探測中，分布式光纖測溫系統(tǒng)可以更及時的進行火災(zāi)預(yù)警，但預(yù)警時間不會小于系統(tǒng)的最小響應(yīng)時間。

4.兩種預(yù)警方式探測范圍都隨建筑物高度的增加而減小，所以分布式光纖測溫系統(tǒng)在實際的安裝中，要根據(jù)現(xiàn)場情況考慮光纖布置的間距，感溫光纖的布置間距要隨建筑物高度的增加而減小，確保光纖間距小于該高度下的最大探測范圍。

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