基于拉曼散射的分布式光纖火災預警方法、技術研究及實現(xiàn).pdf

1、傳統(tǒng)的火災探測器(如煙感式火災探測器、雙波長火焰探測器以及感溫電纜等)都是基于火災發(fā)生時的物理特征進行探測的，只能在火災發(fā)生后才能探測到，不具備事前監(jiān)測能力。這類探測器通常采用“點式”結(jié)構(gòu)，每個“點”覆蓋的區(qū)域有限，通過組網(wǎng)實現(xiàn)大空間區(qū)域的火災探測，每個“點”都需要電源和通訊接口，網(wǎng)絡布線復雜，工作量大。由于整個火災探測系統(tǒng)的平均無故障時間與構(gòu)成整個系統(tǒng)元件的數(shù)量呈反比，因此隨著探測空間的增大，系統(tǒng)的平均無故障時間將進一步縮短，可靠性也

2、將進一步降低。
　　用一根感溫光纖替代大量“點式”火災探測器實現(xiàn)分布式火災探測，將極大限度地減少火災探測系統(tǒng)的元件數(shù)量，充分提高系統(tǒng)可靠性，有效地延長系統(tǒng)的平均無故障時間。
　　分布式光纖溫度探測是實現(xiàn)分布式光纖火災探測的前提，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式光纖溫度探測的參量主要有布里淵散射和拉曼散射。由于布里淵散射同時與溫度和應力有關，布里淵散射的變化難以區(qū)分究竟是應力引起的還是溫度引起的，因此不適應將其作為分布式光纖溫度探測參量，而拉曼

3、散射卻只與溫度有關，將其作為分布式光纖溫度探測參量是很合適的。
　　石英光纖的拉曼散射十分微弱，不到瑞利散射的千分之一，約是入射光強度的百萬分之一。增大注入光功率可有效地增強拉曼散射，但布里淵反射鏡性效應和導火索現(xiàn)象限制了入射光強的上限。另外，火災探測系統(tǒng)應具備較高的空間分辨率，因此分布式光纖火災探測系統(tǒng)需要窄的激光脈沖作為探針，激光脈沖探針的能量有限，使得拉曼散射經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號水平接近光電轉(zhuǎn)換器件本身的噪聲水平，信噪比通常在

4、0 dB以下，微弱拉曼光信號的有效探測和提取是實現(xiàn)分布式光纖溫度探測的核心目標。
　　通過分析發(fā)現(xiàn)拉曼散射回波信號是由一個e指數(shù)衰減的信號乘以一個位置和寬度不確定的脈沖信號構(gòu)成的，這個信號具有較寬的頻帶，而且包含大量的散粒噪聲，由于散粒噪聲及其頻譜具有明顯的隨機特性，因此傳統(tǒng)的基于頻譜分解的降噪方法不適應于本研究。
　　對于含有大量隨機噪聲的信號，累加平均是有效的降噪手段。但在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，通常需要數(shù)萬次的累加平均才

5、能取得預期的信噪比，隨著探測距離的擴大，對于一個實時性要求較高的火災探測系統(tǒng)，這種降噪方法所花費的時間使得系統(tǒng)難以承受。論文通過對拉曼回波信號進行數(shù)學分析研究后，采用累加平均與小波變換相結(jié)合的降噪方法，實現(xiàn)了在較少累加次數(shù)下，低于APD暗電流2個數(shù)量級的高靈敏度探測，使系統(tǒng)的溫度測量精度在響應時間為4s的情況下達到了0.06℃(1σ)。
　　空間分辨率決定了分布式溫度傳感系統(tǒng)能夠識別的沿感溫光纖長度上的兩個溫度不同區(qū)域之間的最小距

6、離,是分布式測溫系統(tǒng)的一個關鍵技術指標，它由注入光纖中光脈沖的寬度決定。大電流、窄脈沖半導體激光器驅(qū)動技術是實現(xiàn)分布式火災探測系統(tǒng)高空間分辨率的一個難題。本研究利用LD逆向截止特性，采用雪崩驅(qū)動技術實現(xiàn)安培級大電流、納秒級單正弦脈沖半導體激光器的驅(qū)動，實現(xiàn)了峰值功率1W，10ns激光脈沖的輸出，使系統(tǒng)空間分辨率達到2.8米。
　　論文還研究了斯托克斯拉曼散射、反斯托克斯拉曼散射的溫度敏感性，導出了優(yōu)化的溫度解調(diào)表達式，采用該方法解

7、調(diào)出的溫度與注入激光脈沖探針的功率以及光纖的損耗無關，使得系統(tǒng)對于光源功率波動、光纖微彎損耗等難以克服的影響具有較強的免疫性。
　　本論文所進行的分布式光纖火災預警研究可廣泛用于煤礦、隧道、大型建筑物、輸電線纜、電纜橋架的溫度監(jiān)測及火災預警，也可用于傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)對難以實現(xiàn)的環(huán)境(如巨型混凝土澆筑過程)的溫度變化進行監(jiān)測；通過將探測光纖設計成一定的形狀也可探測化學反應釜、高溫窯爐的立體空間溫度場分布。本文研究的累加平均與小波聯(lián)合降噪