基于拉曼散射的分布式光纖火災(zāi)預(yù)警方法、技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn).pdf

1、傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器(如煙感式火災(zāi)探測(cè)器、雙波長(zhǎng)火焰探測(cè)器以及感溫電纜等)都是基于火災(zāi)發(fā)生時(shí)的物理特征進(jìn)行探測(cè)的，只能在火災(zāi)發(fā)生后才能探測(cè)到，不具備事前監(jiān)測(cè)能力。這類探測(cè)器通常采用“點(diǎn)式”結(jié)構(gòu)，每個(gè)“點(diǎn)”覆蓋的區(qū)域有限，通過組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大空間區(qū)域的火災(zāi)探測(cè)，每個(gè)“點(diǎn)”都需要電源和通訊接口，網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜，工作量大。由于整個(gè)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間與構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)元件的數(shù)量呈反比，因此隨著探測(cè)空間的增大，系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間將進(jìn)一步縮短，可靠性也

2、將進(jìn)一步降低。
　　用一根感溫光纖替代大量“點(diǎn)式”火災(zāi)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)分布式火災(zāi)探測(cè)，將極大限度地減少火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的元件數(shù)量，充分提高系統(tǒng)可靠性，有效地延長(zhǎng)系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間。
　　分布式光纖溫度探測(cè)是實(shí)現(xiàn)分布式光纖火災(zāi)探測(cè)的前提，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式光纖溫度探測(cè)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(shí)與溫度和應(yīng)力有關(guān)，布里淵散射的變化難以區(qū)分究竟是應(yīng)力引起的還是溫度引起的，因此不適應(yīng)將其作為分布式光纖溫度探測(cè)參量，而拉曼

3、散射卻只與溫度有關(guān)，將其作為分布式光纖溫度探測(cè)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(qiáng)度的百萬分之一。增大注入光功率可有效地增強(qiáng)拉曼散射，但布里淵反射鏡性效應(yīng)和導(dǎo)火索現(xiàn)象限制了入射光強(qiáng)的上限。另外，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備較高的空間分辨率，因此分布式光纖火災(zāi)探測(cè)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(hào)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(hào)的有效探測(cè)和提取是實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度探測(cè)的核心目標(biāo)。
　　通過分析發(fā)現(xiàn)拉曼散射回波信號(hào)是由一個(gè)e指數(shù)衰減的信號(hào)乘以一個(gè)位置和寬度不確定的脈沖信號(hào)構(gòu)成的，這個(gè)信號(hào)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(jī)特性，因此傳統(tǒng)的基于頻譜分解的降噪方法不適應(yīng)于本研究。
　　對(duì)于含有大量隨機(jī)噪聲的信號(hào)，累加平均是有效的降噪手段。但在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，通常需要數(shù)萬次的累加平均才

5、能取得預(yù)期的信噪比，隨著探測(cè)距離的擴(kuò)大，對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，這種降噪方法所花費(fèi)的時(shí)間使得系統(tǒng)難以承受。論文通過對(duì)拉曼回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)了在較少累加次數(shù)下，低于APD暗電流2個(gè)數(shù)量級(jí)的高靈敏度探測(cè)，使系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度在響應(yīng)時(shí)間為4s的情況下達(dá)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(shí)別的沿感溫光纖長(zhǎng)度上的兩個(gè)溫度不同區(qū)域之間的最小距

6、離,是分布式測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，它由注入光纖中光脈沖的寬度決定。大電流、窄脈沖半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)高空間分辨率的一個(gè)難題。本研究利用LD逆向截止特性，采用雪崩驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)安培級(jí)大電流、納秒級(jí)單正弦脈沖半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(dá)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(dǎo)出了優(yōu)化的溫度解調(diào)表達(dá)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(guān)，使得系統(tǒng)對(duì)于光源功率波動(dòng)、光纖微彎損耗等難以克服的影響具有較強(qiáng)的免疫性。
　　本論文所進(jìn)行的分布式光纖火災(zāi)預(yù)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(cè)及火災(zāi)預(yù)警，也可用于傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境(如巨型混凝土澆筑過程)的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)；通過將探測(cè)光纖設(shè)計(jì)成一定的形狀也可探測(cè)化學(xué)反應(yīng)釜、高溫窯爐的立體空間溫度場(chǎng)分布。本文研究的累加平均與小波聯(lián)合降噪