楊漢瑞，欒 寧，張經(jīng)緯，張智鑫

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

火災(zāi)是各種自然與社會(huì)災(zāi)害中發(fā)生概率最高的一種危害，給人類(lèi)乃至生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅.為了減少火災(zāi)的危害，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源并有效滅火的自動(dòng)滅火技術(shù)成為了火災(zāi)探測(cè)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向.常見(jiàn)的空間滅火系統(tǒng)大多采用淋?chē)姷姆绞綄?duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，此方法可以對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行滅火，但不是針對(duì)火源位置進(jìn)行集中滅火，存在水資源浪費(fèi)、滅火效率低的問(wèn)題，而且對(duì)于博物館、機(jī)房等特殊區(qū)域也容易對(duì)無(wú)火區(qū)域的物品造成損害，因此各國(guó)學(xué)者對(duì)能夠精準(zhǔn)確定火源位置的火源定位技術(shù)開(kāi)展了深刻的研究.目前火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要是煙氣傳感技術(shù)、圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)、溫度傳感器組網(wǎng)技術(shù)對(duì)火源進(jìn)行定位.物體燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的標(biāo)志性氣體(如CO氣體等)，可以利用煙氣傳感器進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，或利用敏感元件鉑遇到可燃性氣體時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)并改變電阻的特性制成氣體傳感器進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警[1]，Allan Melvin Andrew等通過(guò)煙氣傳感器對(duì)不同火源和建筑材料在早期發(fā)出的氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化特征提取并建立了分類(lèi)模型，該模型方法可用于早期火災(zāi)探測(cè)和預(yù)測(cè)[2]，但煙氣傳感器具有高誤報(bào)率及耐腐蝕差的明顯缺點(diǎn)[3].圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)利用攝像機(jī)或照相機(jī)對(duì)空間進(jìn)行圖像監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)字圖像處理算法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行處理和相關(guān)分析從而獲得火源的位置及強(qiáng)度等相關(guān)信息[4]，Nurul Shakira Bakri等采用彩色像素分類(lèi).利用RGB和YCbCr彩色模型，在給定條件下將火災(zāi)圖像從背景中分離出來(lái)，并將亮度和色度從原始圖像中分離出來(lái)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè).平均火災(zāi)檢出率為90%[5]，T Celik等研制了一種結(jié)合顏色信息和背景場(chǎng)景的實(shí)時(shí)火災(zāi)探測(cè)器，可對(duì)室內(nèi)及森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位[6]，但圖像型火災(zāi)定位探測(cè)系統(tǒng)多用于開(kāi)放的大空間中火源的空間定位，且價(jià)格高昂，更主要的是其類(lèi)似于監(jiān)視器的作用不適宜在私密性場(chǎng)所或不希望受到外界注視的場(chǎng)合下使用.由于火災(zāi)發(fā)生時(shí)，溫度會(huì)劇烈升高，所以可通過(guò)溫度傳感器陣列來(lái)推測(cè)火源的位置，Thomas Kaiser等發(fā)表了基于溫度傳感器陣列的火災(zāi)探測(cè)方法，分析了火災(zāi)初期溫度場(chǎng)的情況和熱氣流的流動(dòng)特點(diǎn)，給出用溫度傳感器陣列進(jìn)行火災(zāi)定位的前提條件，用相關(guān)法完成陣列信號(hào)時(shí)延估計(jì)，并在遠(yuǎn)場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)火源定位的計(jì)算[7].王殊等也提出使用溫度傳感器陣列的方式進(jìn)行火源定位[8]，但當(dāng)火源與傳感器陣列相隔較遠(yuǎn)時(shí)，火源定位的準(zhǔn)確度大大降低.另外，當(dāng)需要對(duì)大范圍的空間進(jìn)行火源預(yù)警和定位時(shí)，采用上述方法需要使用多個(gè)傳感器陣列，存在成本較高、安裝困難等問(wèn)題.

基于拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)的分布式拉曼測(cè)溫(DTS)系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)溫度測(cè)量，具有高精度、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)、容易布線(xiàn)，適用于大范圍的空間溫度場(chǎng)測(cè)量、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[9-12].若使用DTS系統(tǒng)進(jìn)行火源定位，可以在火災(zāi)早期對(duì)火源位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效滅火，對(duì)于減少經(jīng)濟(jì)損失、避免人員傷亡有非常重要的意義.為此本基于分布式拉曼測(cè)溫系統(tǒng)提出了火源粗略定位及精確定位方法.

1 理 論

1.1 基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫原理

分布式拉曼測(cè)溫(DTS)系統(tǒng)基本組成如圖1所示，主要包括：泵浦光源、粗波分復(fù)用器、光電探測(cè)器、放大器、傳感光纖、高速采集卡、上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成.泵浦光源發(fā)出脈沖光，通過(guò)粗波分復(fù)用器的1 550 nm端口進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖在監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生后向拉曼散射光，其中后向拉曼散射光中載有溫度信號(hào)的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光通過(guò)粗波分復(fù)用器的1 450 nm及1 660 nm端口進(jìn)入光電探測(cè)器[13-15]，進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大，最后被高速采集卡采集，并在上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)上將采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào).

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.2 反斯托克斯解調(diào)理論

本部分理論主要分析介紹了的反斯托克斯解調(diào)方法和光時(shí)域反射技術(shù)，為火源的定位提供理論基礎(chǔ).因?yàn)榉此雇锌怂股⑸涔鈱?duì)溫度信息更加敏感，所以選用反斯托克斯散射光進(jìn)行解調(diào)，并對(duì)獲得的反思托克斯散射光強(qiáng)值進(jìn)行累加平均，用于去除光功率波動(dòng)白噪聲.

泵浦光源發(fā)出的脈沖光的峰值功率為P0，脈沖光在傳感光纖的L處產(chǎn)生反斯托克斯光，其光功率為[20-21]

(1)

公式中：Vas為反思托克斯光在光纖中傳播的頻率；Kas為與反斯托克斯光散射有關(guān)的系數(shù)；L為傳感光纖發(fā)生拉曼散射的位置；α0、αas為入射光及反斯托克斯光的衰減系數(shù)；Ras(T)為反思托克斯光的玻爾茲曼因子.

由光時(shí)域反射原理可知，產(chǎn)生拉曼散射的位置L可表示為

L=Vat/2，

(2)

公式中：Va為頻率為a的脈沖光在傳感光纖中傳播的速度；t為光電探測(cè)器檢測(cè)到拉曼散射光的時(shí)間.

在DTS系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率是由脈沖光源的脈沖寬度、光電探測(cè)器的放大電路帶寬、采集卡的采樣頻率共同決定的、如今泵浦光源發(fā)出打脈沖寬度可以達(dá)到飛秒級(jí)別，采集卡的采樣頻率也能達(dá)到幾百兆，所以實(shí)際限制系統(tǒng)空間分辨率的主要因素為光電探測(cè)器的放大電路帶寬不足，若要提高系統(tǒng)的空間分辨率，就必須提高帶寬，然而帶寬的增加又會(huì)使系統(tǒng)的溫度分辨率降低，因此在確定了系統(tǒng)的以上參數(shù)后，在傳感光纖的感溫區(qū)域未達(dá)到系統(tǒng)的空間分辨率時(shí)，系統(tǒng)的反斯托克斯光強(qiáng)值及溫度的響應(yīng)值達(dá)不到光強(qiáng)及溫度幅值[16].

1.3 封閉空間火源溫度場(chǎng)分析

基于DTS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火源位置定位，首先要對(duì)封閉受限空間內(nèi)的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究和分析，根據(jù)其特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)傳感光纖的敷設(shè)和定位方法.在受限空間內(nèi)，一般情況下建筑物內(nèi)火災(zāi)初起時(shí)火源強(qiáng)度較低，與起火空間尺度相比可以認(rèn)為是點(diǎn)火源，這種常見(jiàn)的受限空間的點(diǎn)火源的發(fā)展通常都要經(jīng)歷三個(gè)階段：早期陰燃、火焰和放熱、最后隨著物質(zhì)的耗盡而衰減熄滅，當(dāng)火災(zāi)迅速發(fā)展時(shí)，產(chǎn)生大量的熱、煙和火焰輻射，由于煙霧和燃燒所釋放的氣體比周?chē)諝鉄幔蚨纬缮仙龤饬?隨著氣流的增大而開(kāi)始具有浮力并形成空氣對(duì)流，這就是所謂的浮力旋流，通常稱(chēng)為煙氣羽流，煙氣羽流到達(dá)房間頂部后會(huì)形成水平運(yùn)動(dòng)的熱氣層[17].如圖2所示.

圖2 封閉受限空間火源燃燒示意圖

由于上升到密閉空間的頂板的熱氣流是以火源為中心向四周擴(kuò)散的，在擴(kuò)散的過(guò)程中容易受到頂板不平整、周?chē)鷫Ρ跍囟炔灰恢碌拳h(huán)境的影響，使熱氣流向四周擴(kuò)散的溫度波前并不是規(guī)則的圓形，為了簡(jiǎn)化分析模型，對(duì)火源定位的邊界條件進(jìn)行了假設(shè)：

(1) 封閉空間的頂部平坦并且頂部的熱傳導(dǎo)率較低，避免溫度流失過(guò)快，溫度波前形狀不規(guī)則，不利于DTS系統(tǒng)的快速降溫測(cè)量；

(2) 在火災(zāi)早期，封閉空間四周墻壁的溫度是相同的，保證DTS系統(tǒng)測(cè)量的溫度由火源燃燒產(chǎn)生；

(3) 著火初期，熱氣流擴(kuò)散的速度是一致的；

(4) 燃燒沒(méi)有通過(guò)暖氣片、空調(diào)等對(duì)熱氣流有影響的設(shè)備；

(5) 燃燒點(diǎn)不在墻的附近，避免上升的熱氣流受墻壁的阻擋.

基于以上假設(shè)[18]，熱氣流可以看作以規(guī)則的圓形溫度波前向四周擴(kuò)散，火源位于溫度波前的圓心位置的正下方，確定了向四周擴(kuò)散的熱氣流的中心點(diǎn)就可以得到火源的二維位置坐標(biāo).這樣就將火源位置定位問(wèn)題簡(jiǎn)化為熱氣流圓形波前圓心的求解問(wèn)題[19-21].

2 火源定位模型

本部分首先對(duì)封閉空間頂部監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分及傳感光纖布陣，并據(jù)此建立一個(gè)通過(guò)區(qū)域監(jiān)測(cè)光強(qiáng)值來(lái)粗略定位出火源所處的網(wǎng)格序號(hào)的定位模型，然后再根據(jù)火源所處網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)部的拉曼散射光強(qiáng)比來(lái)算出火源的精確位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)封閉空間火源的精確定位.

圖3 封閉受限空間火源燃燒俯視圖

2.1 火源中心的粗略定位模型

二維火源定位幾何模型如圖3所示，該圖為圖2的俯視圖，將被測(cè)區(qū)域劃分為i×j個(gè)小區(qū)域并建立起直角坐標(biāo)系.其中每一個(gè)圓環(huán)代表具有相同溫度的波前，火源位于波前的圓心位置，波前的半徑越大，代表波前上的點(diǎn)距離火源越遠(yuǎn)，溫度越低.因此在空間頂部不同波前位置的溫度是不一致的，結(jié)合溫度傳感器與火源的距離，可以確定火源的位置.

圖4 粗略定位原理圖

傳感光纖在每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)以?xún)?nèi)切圓的形式進(jìn)行布陣，如圖4所示.并在相鄰的加熱段傳感光纖環(huán)(如圖中紅色光纖環(huán)所示)之間引出固定長(zhǎng)度的傳感光纖(如圖中黑色光纖環(huán)所示)，用于每個(gè)小區(qū)域的區(qū)分標(biāo)定.結(jié)合溫度波前的分布規(guī)律，必定會(huì)有至多四個(gè)頂點(diǎn)相交的小區(qū)域內(nèi)部的四段傳感光纖的溫度明顯大于其他小區(qū)域內(nèi)部傳感光纖溫度，找到監(jiān)測(cè)光強(qiáng)值中的四個(gè)最大值，結(jié)合OTDR技術(shù)及網(wǎng)格劃分可以得到火源中心所處的小區(qū)域標(biāo)號(hào)，四個(gè)頂點(diǎn)相交的標(biāo)號(hào)區(qū)域的中心可視為火源中心坐標(biāo).

粗略定位模型計(jì)算公式為

aσ=xσ%j，

(3)

amin=min(aσ)，

(4)

bσ=xσ-(amin+1)j，

(5)

(6)

公式中：a為小區(qū)域內(nèi)的加熱段傳感光纖環(huán)長(zhǎng)度，m；b為小區(qū)域間引出的區(qū)分段光纖長(zhǎng)度，m；σ∈[1，4]，xσ為傳感光纖發(fā)生拉曼散射的位置，m.

火源中心的位置(X，Y)為

X=bminc/π，

(7)

Y=c(i-amin-1)/π，

(8)

公式中：c為小區(qū)域內(nèi)的傳感光纖長(zhǎng)度，m.

圖5 加熱區(qū)等效示意圖

2.2 火源中心精確定位模型

在粗略定位的基礎(chǔ)上，已經(jīng)將火源中心位置范圍由整個(gè)二維被測(cè)平面縮小到了由四個(gè)頂點(diǎn)相交的小區(qū)域組成的新區(qū)域.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測(cè)區(qū)域熱氣流的內(nèi)層溫度波前溫度差值很小且溫度遠(yuǎn)高于其他波前溫度場(chǎng)可近似等效于一個(gè)溫度均勻的圓形加熱區(qū)，其中藍(lán)色圓環(huán)為傳感光纖環(huán)，黃色圓形為等效加熱區(qū)，由于等效加熱區(qū)外側(cè)的少部分低溫溫度波前仍會(huì)對(duì)傳感光纖環(huán)有低溫加熱，為了對(duì)此部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將等效加熱區(qū)變?yōu)橐渣S色圓環(huán)為內(nèi)切圓的一個(gè)矩形加熱區(qū)，如圖5所示.

因?yàn)榛鹪粗行牡奈恢玫牟煌?，四個(gè)小區(qū)域內(nèi)被加熱的傳感光纖的長(zhǎng)度也是各不相同的.在DTS系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率是由脈沖光源的脈沖寬度、光電探測(cè)器的放大電路帶寬、采集卡的采樣頻率共同決定的.如今泵浦光源發(fā)出打脈沖寬度可以達(dá)到飛秒級(jí)別，采集卡的采樣頻率也能達(dá)到幾百兆，所以實(shí)際限制系統(tǒng)空間分辨率的主要因素為光電探測(cè)器的放大電路帶寬不足，這會(huì)導(dǎo)致傳感光纖的感溫區(qū)域未達(dá)到系統(tǒng)的空間分辨率時(shí)，系統(tǒng)的光強(qiáng)比值及溫度的響應(yīng)值達(dá)不到光強(qiáng)比及溫度幅值.大量數(shù)據(jù)分析表明空間分辨率以?xún)?nèi)的響應(yīng)曲線(xiàn)近似高斯分布，因此可根據(jù)新區(qū)域內(nèi)部四段傳感光纖的光強(qiáng)比值確定四個(gè)小區(qū)域各自被加熱的傳感光纖長(zhǎng)度，進(jìn)而可確定火源中心在新區(qū)域內(nèi)部的精確位置.

為建立反斯托克斯光強(qiáng)值與傳感光纖加熱長(zhǎng)度在各溫度情況下的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在溫度精度為0.1 ℃的恒溫水浴箱內(nèi)，對(duì)小于系統(tǒng)空間分辨率長(zhǎng)度的光纖進(jìn)行加熱，并在40 ℃～80 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)以2 ℃為間隔進(jìn)行高斯擬合.各溫度下的擬合曲線(xiàn)，如圖6所示.

圖6 光強(qiáng)值與傳感光纖加熱長(zhǎng)度擬合關(guān)系曲線(xiàn)圖

由于火源定位的過(guò)程中需綜合考慮四個(gè)加熱區(qū)域的光強(qiáng)值來(lái)對(duì)加熱弧長(zhǎng)進(jìn)行判斷，任意兩個(gè)溫度的擬合曲線(xiàn)存在1個(gè)交叉點(diǎn)不影響四個(gè)區(qū)域加熱長(zhǎng)度的確定.通過(guò)此擬合模型規(guī)律可將新區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到的反斯托克斯光強(qiáng)值(a1，a2，a3，a4)轉(zhuǎn)化為經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算的一組傳感光纖加熱弧長(zhǎng)(l1，l2，l3，l4)，其中左上角小區(qū)域?yàn)槠鹗紭?biāo)號(hào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的標(biāo)號(hào)順序?yàn)?a1，a2，a3，a4)、(l1，l2，l3，l4)的標(biāo)號(hào)順序.

圖7 精確定原理圖

圖8 等效加熱區(qū)位置類(lèi)型圖

可建立以下關(guān)系式：

正方形ABCD為等效加熱區(qū)的粗略定位，如圖7所示.其中心點(diǎn)O的位置坐標(biāo)為通過(guò)粗略定位方法獲得的火源中心坐標(biāo)(X，Y)，正方形EFGH為等效加熱區(qū)的實(shí)際位置，φ1為因橫向平移而改變的旋轉(zhuǎn)角，φ2為因縱向平移而改變的旋轉(zhuǎn)角，α、β、γ、φ為傳感光纖加熱段的弧長(zhǎng)l1、l2、l3、l4所對(duì)應(yīng)的圓心角，ΔX為等效加熱區(qū)在橫向的平移量，ΔY為等效加熱區(qū)在縱向的平移量.規(guī)定圖中的所有旋轉(zhuǎn)角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，ΔX向左為正方向，ΔY向下為正方向.

(9)

(10)

公式中：L1、L2、L3、L4分別為圓心角α、β、γ、φ的弧長(zhǎng)形式，m；r為傳感光纖環(huán)的半徑，m.

其中，加熱區(qū)域內(nèi)部共有四種位置類(lèi)型，如圖8所示.

圖8中紅色正方形為等效加熱區(qū)輪廓，藍(lán)色內(nèi)切圓每個(gè)小區(qū)域的內(nèi)部的傳感光纖.這四種類(lèi)型分別為(l1，l2，l3，l4)中包含三個(gè)0元素；(l1，l2，l3，l4)中包含兩個(gè)0元素；(l1，l2，l3，l4)中包含一個(gè)0元素；(l1，l2，l3，l4)無(wú)0元素.下面進(jìn)行逐一分析：

(1)(l1，l2，l3，l4)中包含三個(gè)0元素

l1≠0：ΔX=r，ΔY=-r，

(11)

l2≠0：ΔX=-r，ΔY=-r，

(12)

l3≠0：ΔX=r，ΔY=r，

(13)

l4≠0：ΔX=-r，ΔY=r，

(14)

公式中：ΔX為等效加熱區(qū)在橫向的平移量；ΔY為等效加熱區(qū)在縱向的平移量；r為小區(qū)域內(nèi)的傳感光纖環(huán)的半徑.

(2)(l1，l2，l3，l4)中包含兩個(gè)0元素

以(l1，l2，l3，l4)l2>l1為例，根據(jù)圓心角及弧長(zhǎng)關(guān)系可得到：

ΔY=-r；L3<0；L2=l2+L3；L1=l1-L3；L4=-L3，

(15)

將上式帶入公式(9)、公式(10)可得以下系數(shù)矩陣：

(16)

(3)(l1，l2，l3，l4)中包含一個(gè)0元素

以(l1，l2，l3，l4)為例，根據(jù)圓心角及弧長(zhǎng)關(guān)系可得到：

L1=l1+L4；L2=l2-L4；L3=l3-L4，

(17)

將上式帶入公式(9)、公式(10)可得以下系數(shù)矩陣：

(18)

(4)(l1，l2，l3，l4)無(wú)0元素

根據(jù)圓心角及弧長(zhǎng)關(guān)系可得到：

L1=l1；L2=l2；L3=l3；L4=l4，

(19)

將上式帶入公式(9)、公式(10)可得以下系數(shù)矩陣：

(20)

整理求解結(jié)果,如表1所示。

表1 精確定位公式表

通過(guò)將解得的ΔX、ΔY與粗定位的熱源位置中心坐標(biāo)(X，Y)進(jìn)行疊加，得到新坐標(biāo)(X+ΔX，Y+ΔY)，該坐標(biāo)為火源中心在整個(gè)二維平面的精確位置坐標(biāo).

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證經(jīng)該定位方法的可行性及確定該方法的誤差，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用尺寸為5 cm×5 cm×2.5 cm的酒精爐來(lái)模擬火源，將其中心作為火源中心，在酒精爐的正上方50 cm處放置一個(gè)尺寸為1.5 m×1.5 m×0.05 m的隔熱板，由于酒精燃燒而產(chǎn)生的熱氣流上升至隔熱板并在其下方產(chǎn)生一個(gè)熱氣層，因此可在隔熱板下方進(jìn)行傳感光纖布陣并結(jié)合本文的定位方法來(lái)定位火源中心位置，其中傳感光纖環(huán)的半徑為20 cm，每個(gè)小區(qū)域之間的區(qū)分段光纖長(zhǎng)度與小區(qū)域內(nèi)部加熱段傳感光纖長(zhǎng)度之和為5 m，將頂層隔熱板分成9個(gè)小區(qū)域.

3.2 火源定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)火源粗略定位方法及2.4.1中的實(shí)驗(yàn)方案，共對(duì)16個(gè)火源位置做了定位實(shí)驗(yàn)，定位數(shù)據(jù)表如表2所示.

表2 火源位置粗濾定位表

(續(xù))表2

通過(guò)粗略定位方法確定四個(gè)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)值后，由于火源溫度未知，所以需要將監(jiān)測(cè)光強(qiáng)帶入光強(qiáng)擬合模型進(jìn)行判斷.根據(jù)圓心角及弧長(zhǎng)規(guī)律可知在實(shí)際加熱過(guò)程中，火源正上方的四段光纖弧長(zhǎng)之和應(yīng)為傳感光纖環(huán)的周長(zhǎng)，所以可以選擇擬合計(jì)算出加熱弧長(zhǎng)之和與傳感光纖環(huán)的周長(zhǎng)之差最小的一組光強(qiáng)擬合模型.以火源位置為(30 cm，28 cm)的反斯托克斯光強(qiáng)監(jiān)測(cè)值(7 863.1，7 838.1，7 900.9，7 869.8)為例，逐個(gè)帶入擬合標(biāo)準(zhǔn)，得出加熱段傳感光纖弧長(zhǎng)之和與加熱段傳感光纖周長(zhǎng)的差值表，如表3所示.

表3 周長(zhǎng)誤差表

由表3中數(shù)據(jù)可知將光強(qiáng)數(shù)據(jù)帶入44 ℃的光強(qiáng)擬合模型時(shí)的誤差-4.70是所有溫度標(biāo)準(zhǔn)中誤差最小的，所以將火源位置為(30 cm，28 cm)的反斯托克斯光強(qiáng)監(jiān)測(cè)值帶入44 ℃的光強(qiáng)擬合模型中進(jìn)行擬合求解，進(jìn)而可以對(duì)火源位置進(jìn)行精確定位.

對(duì)16組經(jīng)過(guò)粗定位的火源位置進(jìn)行精確定位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 精確定位誤差表

(續(xù))表4

3.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于反斯托克斯光強(qiáng)擬合模型存在擬合誤差，理想化隔熱板熱氣層模型等原因，實(shí)際的火源位置坐標(biāo)與實(shí)測(cè)的火源位置坐標(biāo)位置應(yīng)有一個(gè)定位誤差范圍，本實(shí)驗(yàn)的誤差范圍計(jì)算方法，為以實(shí)際的熱源平移量(ΔX1，ΔY1)為圓心，以其與定位計(jì)算得出的火源平移量(ΔX2，ΔY2)之間的距離為半徑的圓的面積為火源定位誤差范圍δ，即

δ=π[(ΔX1-ΔX2)2+(ΔY1-ΔY2)2].

(21)

由表4可知，在每一個(gè)1 200 cm×1 200 cm的精確定位區(qū)域的范圍內(nèi)，定位誤差范圍不超過(guò)54 cm2.

4 結(jié) 論

本文從分布式光纖拉曼測(cè)溫原理出發(fā)，利用其監(jiān)測(cè)方便、實(shí)時(shí)檢測(cè)、分布式測(cè)量、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)室內(nèi)火源定位存在定位精度低，傳感器布陣成本高等問(wèn)題，提出了一種利用分布式光纖溫度傳感技術(shù)的火源定位方法.并給出實(shí)際的傳感光纖布陣方案、粗略定位、精確定位模型.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在1 200 cm×1 200 cm的精確定位區(qū)域內(nèi)的，對(duì)火源中心定位誤差范圍可控制在54 cm2以?xún)?nèi).有效的解決了火災(zāi)火源定位精度低的問(wèn)題以及分布式光纖傳感在二維、三維傳感領(lǐng)域的應(yīng)用難點(diǎn)問(wèn)題.