緱 龍

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

?

基于半導體激光器的光纖光柵隧道火災報警系統(tǒng)

緱 龍

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

針對光纖光柵隧道火災報警系統(tǒng)，研究了光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡的原理與存在的問題，在此基礎上，設計出了一種新型波長可調(diào)諧半導體激光器，提高了光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡的檢測范圍和空間分辨力，進而改進隧道火災報警系統(tǒng)，使光纖光柵隧道火災報警系統(tǒng)更好的為公路隧道的安全運營服務。

隧道，火災報警系統(tǒng)，光纖光柵，半導體激光器

0 引言

光纖傳感技術誕生于1977年，隨著光通信技術的發(fā)展而發(fā)展起來，發(fā)展至今，光纖傳感技術已經(jīng)成為一個國家信息化程度的重要指標[1-3]。從杭州物聯(lián)網(wǎng)暨傳感技術應用論壇了解到，光纖傳感技術已廣泛用于交通運輸、軍事國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源、環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計量測試、建筑、家用電器等領域有著廣闊的市場。

公路隧道的長管狀特殊空間造成隧道內(nèi)空氣污染嚴重、洞內(nèi)外亮度懸殊、空間狹小和隧道內(nèi)火災消防困難等問題，給公路的正常交通運營帶來安全隱患，尤其是隧道火災。公路隧道火災報警系統(tǒng)可以實時監(jiān)測隧道內(nèi)環(huán)境溫度，進而快速、可靠的進行火災情況報警。相比于傳統(tǒng)火災探測報警系統(tǒng)，基于光纖光柵的火災報警系統(tǒng)有靈敏度高、響應時間小、抗干擾能力強、可靠性好、結構簡單等優(yōu)點[4],易于布設成傳感網(wǎng)絡。因此基于光纖光柵傳感技術的火災報警系統(tǒng)已大量應用于公路隧道火災探測報警系統(tǒng)[5,6]。

1 光纖光柵隧道火災報警系統(tǒng)

1.1 光纖光柵傳感技術原理

光纖光柵傳感器是一段纖芯折射率在軸向被周期性調(diào)制的光纖，原理如圖1所示，這是一種一維光柵，有兩個主要參數(shù)，即折射率增量和周期。當光柵周期等于入射光波長的一半時，光纖光柵的入射基膜與反射基膜相耦合，具有波長選擇反射功能。

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光纖光柵纖芯的有效折射率[7]；Λ——光纖光柵的周期。

光纖光柵的透射光束被帶阻濾掉，當光纖光柵外界溫度變化時，光纖光柵纖芯的有效折射率發(fā)生變化，即光柵的反射波長隨之發(fā)生改變；當光纖光柵發(fā)生應變時，光纖光柵的周期發(fā)生變化，即光柵的反射波長隨之發(fā)生變化。

光纖光柵傳感器加上入射寬譜光源和光柵反射光束波長解調(diào)裝置構成光纖光柵傳感系統(tǒng)。多數(shù)入射寬譜光源與解調(diào)裝置的解調(diào)光源為同一光源，即光纖光柵傳感系統(tǒng)由光纖光柵傳感器與光纖光柵解調(diào)儀構成。

1.2 隧道火災報警系統(tǒng)

在隧道內(nèi)布設光纖光柵溫度傳感器，利用光纖光柵傳感技術可以實時測量隧道內(nèi)布設點的溫度。利用光纖的空間復用技術，在一根光纖上串聯(lián)多個光纖光柵傳感器，構成光纖光柵傳感網(wǎng)絡，實時監(jiān)測整個傳感網(wǎng)絡的信息。同理，在隧道內(nèi)沿隧道軸線方向光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡，就可以實時監(jiān)測隧道內(nèi)溫度值。監(jiān)測范圍與測量點密度受光纖光柵傳感網(wǎng)絡布設的光纖光柵傳感器點數(shù)限制，見式(2)：

L=d×n

(2)

式中：L——檢測范圍，即隧道內(nèi)測量長度；d——相鄰兩個光纖光柵溫度傳感器的間距，表示測量點的密度；

n——光纖光柵傳感網(wǎng)絡布設光纖光柵溫度傳感器的點數(shù)。若隧道長度大于傳感網(wǎng)絡的檢測范圍，就需要布設多個光纖光柵傳感網(wǎng)絡。

在隧道內(nèi)，連續(xù)布設多個光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡，覆蓋整個隧道，實時監(jiān)測整個隧道內(nèi)的溫度。再將多個光纖光柵傳感網(wǎng)絡的溫度值上傳到隧道火災報警主機，實現(xiàn)整個隧道內(nèi)溫度的檢測和火災報警。

2 基于新型波長可調(diào)諧半導體激光器的光纖光柵傳感系統(tǒng)

2.1 平行光柵對作用

一束多波長組分的平行光入射到平行光柵對結構的第一塊光柵上，如圖2所示，光柵的色散方程為：

mλ=d(sinα+sinβ)

(3)

衍射級m取1，入射光束兩次經(jīng)過光柵，由式(3)可知，經(jīng)過平行光柵對的入射光束的入射角與出射角相同，即平行光柵對的出射光束的方向與入射光束相同。

光學中光路是可逆的，因此，平行光柵對可以將波長不同，間距特定的一束平行光進行合束。

2.2 新型波長可調(diào)諧半導體激光器

本文涉及一種新型波長可調(diào)諧半導體激光器，該結構基于平行光柵對構成光譜組束外腔，對半導體激光器進行波長調(diào)諧，具體原理如圖3所示。

所述準直鏡、平行光柵對、部分反饋鏡構成反饋外腔，其中部分反饋鏡反饋一部分光回到半導體激光器，實現(xiàn)波長鎖定。所述平行光柵對與光學狹縫構成波長兩級調(diào)諧，平行光柵對實現(xiàn)粗調(diào)，光學狹縫實現(xiàn)精調(diào)。所述平行光柵對繞各自中心點同步旋轉，從第一個光柵出射的光束方向改變，而從第二個光柵出射的光束與第一個光柵入射光束方向平行，只是對固定波長的光束，空間位置改變，連續(xù)旋轉平行光柵對，第二個光柵后的光束沿一個方向平移實現(xiàn)波長粗調(diào)。所述光學狹縫可以垂直光束傳播方向平移，狹縫選擇特定波長的光束在入射到部分反饋鏡上，進一步使特定波長的光束反饋到半導體激光器起振，實現(xiàn)波長的精度調(diào)諧。所述的光學狹縫的狹縫寬度可以改變，可以選擇能形成波長鎖定的光束的線寬，實現(xiàn)輸出光束的線寬可調(diào)諧。該半導體激光器基于光譜組束外腔的半導體激光器，通過平行光柵對的粗步調(diào)諧和光學狹縫的精調(diào)，實現(xiàn)對輸出光波長的高精度調(diào)諧。

本文所述半導體激光器通過基于平行光柵對構成光譜組束外腔實現(xiàn)對半導體激光器的波長調(diào)諧，具有調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧精度高、連續(xù)調(diào)諧的優(yōu)點。將該波長可調(diào)諧半導體激光器應用于光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡，作為傳感系統(tǒng)的解調(diào)光源，可以提高光纖光柵傳感網(wǎng)絡里傳感器的布設點數(shù)，增大光纖光柵傳感網(wǎng)絡的測量范圍與測量點密度。

3 結語

光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)可以快速、可靠的實現(xiàn)公路隧道內(nèi)火災消防報警，有效保證人們的行車安全與隧道運營安全。本文介紹了一種應用于光纖光柵傳感系統(tǒng)的新型波長可調(diào)諧半導體激光器，可以提高波長調(diào)諧范圍與調(diào)諧精度，使光纖光柵傳感網(wǎng)絡可以布設更多的傳感器點數(shù)，即提高整個傳感網(wǎng)絡的檢測范圍或檢測范圍不變提高空間分辨力。本文所述光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡應用于隧道消防可以提高單個光纖光柵傳感網(wǎng)絡在隧道內(nèi)的檢測范圍，降低整個隧道需求的光纖光柵傳感網(wǎng)絡數(shù)量，降低成本；同時，在隧道內(nèi)檢測范圍不變時，可以提高隧道內(nèi)兩個溫度檢測點的間距，增大整個隧道內(nèi)溫度檢測的空間分辨力。

[1] 趙德正，舒乃秋，張志立，等．基于FBG傳感網(wǎng)絡的GIS觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]．武漢大學學報，2011，44(4)：136-139．

[2] 鄭德琳．光纖光柵地震檢波器解調(diào)技術研究[D]．西安：西安石油大學，2012．

[3] 張自嘉．光纖光柵理論基礎與傳感技術[M]．北京：科學出版社，2009：109-110．

[4] 時德鋼，劉 曄，鄒建龍，等．光纖傳感技術的軍事應用[J]．計算機自動測量與控制，2002(9)：36-39．

[5] 程 偉.基于光纖光柵的公路隧道火災報警監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]．哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[6] 鄭云橋.光纖光柵高速公路火災監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用研究[D].武漢：武漢理工大學,2009.

[7] 馬永杰．光纖光柵傳感器解調(diào)技術研究[D]．北京：北京郵電大學，2007．

[8] 劉長軍．光纖布喇格光柵切趾特性及自致啁啾效應研究[D]．天津：南開大學，2008.

The FBG tunnel fire alarm system based on semiconductor laser

Gou Long

(Shanxi Transportation Science Research Institute, Taiyuan 030006, China)

In view of the FBG tunnel fire alarm system, this paper studies the principle of Fiber Bragg Grating temperature sensing network and the existing problems. So we design a new type of wavelength tunable semiconductor laser, increasing the Fiber Bragg Grating temperature measuring range and spatial resolution. This study can increase a single Fiber Bragg Grating temperature sensing network detection range and spatial resolution. The study in this paper can be better for the safety of highway tunnel operation.

tunnel, fire alarm system, FBG, semiconductor laser

1009-6825(2017)16-0180-02

2017-03-25

緱 龍(1988- )，男，碩士，助理工程師

U458

A