費(fèi) 芹，秦 俊

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

人類十分重視火災(zāi)的監(jiān)測(cè)。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(cè)器就是利用火災(zāi)這一特性進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，但感溫探測(cè)器布置安裝較為復(fù)雜，在發(fā)生火災(zāi)預(yù)警時(shí)要準(zhǔn)確找到預(yù)警的位置也比較耗時(shí)。

基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)彌補(bǔ)了感溫探測(cè)器的不足，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異常溫度及溫升速率進(jìn)行預(yù)警和準(zhǔn)確定位。分布式光纖測(cè)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(cè)，測(cè)溫系統(tǒng)不受電磁干擾，使得它的適用場(chǎng)所更加廣泛［1］。目前，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于隧道、大壩、電纜等處的火災(zāi)監(jiān)測(cè)［2，3］。

1 基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理

1.1 基于拉曼散射的光纖測(cè)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(huì)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(duì)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(qiáng)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(duì)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(duì)溫度敏度約為0.8%／K，而stokes對(duì)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(hào)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(hào)與對(duì)應(yīng)的溫度進(jìn)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(hào)。

1.2 基于光時(shí)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(shí)，部分光會(huì)沿著原路返回，此時(shí)測(cè)得返回的光信號(hào)在光纖中往返所用時(shí)間τ，即可計(jì)算出該點(diǎn)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(cè)溫系統(tǒng)的構(gòu)成

分布式光纖測(cè)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(jì)算機(jī)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(gè)光脈沖，該脈沖光通過WDM耦合進(jìn)入光纖，在光纖中傳播時(shí)會(huì)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(hào)通過ADP轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再利用采集卡采集此電信號(hào)，最后將得到的信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理得出溫度信號(hào)。

2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)空間分辨率主要受到激光脈沖寬度、ADP響應(yīng)時(shí)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(cè)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(shí)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(huì)使耦合進(jìn)光纖的能量減小，導(dǎo)致后向拉曼散射信號(hào)減弱。選取AD采集卡采樣頻率為100MHz，ADP選用InGaAs型，其響應(yīng)時(shí)間典型值為0.3ns。根據(jù)式（6）計(jì)算得，系統(tǒng)空間分辨率為1m。

測(cè)溫精度主要受到雙通道不等衰減、接收機(jī)噪聲、A／D轉(zhuǎn)換、標(biāo)定精度的影響［9］。通過對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行衰減補(bǔ)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(jìn)行溫度標(biāo)定等方法提高系統(tǒng)的測(cè)溫精度，使系統(tǒng)測(cè)溫精度達(dá)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(shí)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(duì)系統(tǒng)的測(cè)溫性能進(jìn)行測(cè)試，取測(cè)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(cè)溫精度達(dá)到1℃，空間分辨率達(dá)到1m，具有良好的穩(wěn)定性。

3 定溫預(yù)警與差溫預(yù)警實(shí)驗(yàn)

基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)除了測(cè)溫這一基本功能外，還可以實(shí)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(cè)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(cè)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(duì)兩種報(bào)警方式進(jìn)行測(cè)試，用0.5m×0.5m的油池火作為模擬火源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，火源功率約為0.45MW。將一段測(cè)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(diǎn)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(gè)值。點(diǎn)燃油池火后系統(tǒng)測(cè)得的溫度不斷升高，達(dá)到最高溫度時(shí)記錄測(cè)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(dá)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(dá)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(dá)到10m處的光纖測(cè)點(diǎn)，所以測(cè)得的溫度也最高。不同火源位置在X＝10m處測(cè)得的最高溫度值見表1，可見隨著h的增加，測(cè)得的最高溫度不斷降低，這是因?yàn)闊釤煔鈱釉谏仙^程中不斷向四周擴(kuò)散，當(dāng)h較小時(shí)，熱煙氣層很快到達(dá)光纖處，向四周擴(kuò)散的煙氣較少，到達(dá)頂棚處的煙氣較為集中，此時(shí)光纖測(cè)得的溫度也較高，而h較大時(shí)，熱煙氣擴(kuò)散導(dǎo)致在頂棚下方熱量散失較多，所以光纖測(cè)得的最高溫度也大大降低。

表1 各火源位置在X＝10m處達(dá)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(gè)方向擴(kuò)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(duì)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(shí)，上升過程中煙氣向四周擴(kuò)散的同時(shí)也向上運(yùn)動(dòng)，將一部分熱量帶到了距離中心火源較遠(yuǎn)的光纖測(cè)點(diǎn)，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(kuò)散煙氣的較多熱量損失在頂棚下方，只有少部分到達(dá)頂棚處，所以火源與光纖的高度差對(duì)定溫預(yù)警影響較大。當(dāng)h大于7m時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的最高溫度已經(jīng)低于設(shè)置的定溫報(bào)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(duì)不同高度處的火源進(jìn)行預(yù)警，分別記錄兩種預(yù)警方式的最小響應(yīng)時(shí)間及發(fā)生預(yù)警的測(cè)點(diǎn)，其結(jié)果見表2。

表2顯示，火源高度小于等于6m時(shí)，差溫預(yù)警的最小響應(yīng)時(shí)間都是12s，高度大于6m后響應(yīng)時(shí)間隨高度h的增加而增加，這是因?yàn)椴顪仡A(yù)警響應(yīng)時(shí)間主要由系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間即系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集處理所需的時(shí)間和達(dá)到預(yù)警溫升速率所用時(shí)間共同決定?；鹪锤叨刃∮诘扔?m時(shí)，熱煙氣很快到達(dá)頂棚且光纖所受熱輻射也較強(qiáng)，測(cè)溫光纖達(dá)到預(yù)警溫升速率所用時(shí)間小于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，所以差溫預(yù)警最小響應(yīng)時(shí)間由系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間決定。當(dāng)火源高度大于6m后，差溫預(yù)警時(shí)間主要由到達(dá)預(yù)警溫升速率所用時(shí)間決定，隨著高度差的增大，煙氣上升所用的時(shí)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(shí)間及預(yù)警測(cè)點(diǎn)Table 2 Warning response time and warning points

定溫預(yù)警響應(yīng)時(shí)間一直隨著高度h的增加而增加?？梢娤到y(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)定溫預(yù)警響應(yīng)時(shí)間影響不大，其響應(yīng)時(shí)間主要由達(dá)到預(yù)警溫度所用時(shí)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(dá)到預(yù)警溫度所需時(shí)間不斷增加。

對(duì)于同一火源高度，差溫預(yù)警響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于定溫預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，這是因?yàn)闊釤煔鈱舆_(dá)到頂棚時(shí)很快使測(cè)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(dá)到設(shè)置的預(yù)警溫度才會(huì)發(fā)生定溫預(yù)警，所以定溫預(yù)警時(shí)間遠(yuǎn)大于差溫預(yù)警時(shí)間。

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

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生預(yù)警的測(cè)點(diǎn)在X＝10m兩邊呈對(duì)稱分布。由表2可知，兩種預(yù)警響應(yīng)的測(cè)點(diǎn)個(gè)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(shí)，煙氣迅速達(dá)到頂棚，并在頂棚處發(fā)生射流，到達(dá)各測(cè)點(diǎn)的熱量比較集中，各測(cè)點(diǎn)溫度迅速升高。此外，高度差較小，火源對(duì)頂棚的熱輻射更強(qiáng)，所以較多測(cè)點(diǎn)均可達(dá)到定溫及差溫預(yù)警的預(yù)警閾值，但高度差較大時(shí)，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(cè)點(diǎn)可以達(dá)到定溫預(yù)警的響應(yīng)溫度，同時(shí)頂棚射流造成的溫升也不足以使較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)達(dá)到差溫預(yù)警閾值。

對(duì)于同一火源高度，差溫預(yù)警響應(yīng)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)多于定溫預(yù)警，因?yàn)橄到y(tǒng)探測(cè)到最大溫升速率達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)處差溫預(yù)警，對(duì)于距離火源較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，雖然獲得較大溫升速率，但溫度不會(huì)一直升高，最高溫度不能達(dá)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(cè)溫系統(tǒng)可以很好的對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)，定溫預(yù)警可對(duì)火源做出響應(yīng)，建筑物高度不超過12m時(shí)，差溫預(yù)警可對(duì)火源做出響應(yīng)。

2.對(duì)于同一火源，差溫預(yù)警相對(duì)于定溫預(yù)警響應(yīng)時(shí)間更短，能夠更快的對(duì)火源做出預(yù)警，且差溫預(yù)警響應(yīng)的測(cè)點(diǎn)更多，對(duì)火源的探測(cè)范圍也更廣，所以分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在建筑物火災(zāi)探測(cè)中，差溫預(yù)警相對(duì)于定溫預(yù)警具有更高的探測(cè)效率，更低的漏報(bào)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(shí)間都呈減小趨勢(shì)，即火源距光纖越近，火災(zāi)預(yù)警時(shí)間越短，所以在高度較低的建筑物火災(zāi)探測(cè)中，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以更及時(shí)的進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，但預(yù)警時(shí)間不會(huì)小于系統(tǒng)的最小響應(yīng)時(shí)間。

4.兩種預(yù)警方式探測(cè)范圍都隨建筑物高度的增加而減小，所以分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在實(shí)際的安裝中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)范圍。

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