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基于拉曼散射的分布式光纤火灾预警方法、技术研究及实现

张悦  
【摘要】:传统的火灾探测器(如烟感式火灾探测器、双波长火焰探测器以及感温电缆等)都是基于火灾发生时的物理特征进行探测的,只能在火灾发生后才能探测到,不具备事前监测能力。这类探测器通常采用“点式”结构,每个“点”覆盖的区域有限,通过组网实现大空间区域的火灾探测,每个“点”都需要电源和通讯接口,网络布线复杂,工作量大。由于整个火灾探测系统的平均无故障时间与构成整个系统元件的数量呈反比,因此随着探测空间的增大,系统的平均无故障时间将进一步缩短,可靠性也将进一步降低。 用一根感温光纤替代大量“点式”火灾探测器实现分布式火灾探测,将极大限度地减少火灾探测系统的元件数量,充分提高系统可靠性,有效地延长系统的平均无故障时间。 分布式光纤温度探测是实现分布式光纤火灾探测的前提,能够实现分布式光纤温度探测的参量主要有布里渊散射和拉曼散射。由于布里渊散射同时与温度和应力有关,布里渊散射的变化难以区分究竟是应力引起的还是温度引起的,因此不适应将其作为分布式光纤温度探测参量,而拉曼散射却只与温度有关,将其作为分布式光纤温度探测参量是很合适的。 石英光纤的拉曼散射十分微弱,不到瑞利散射的千分之一,约是入射光强度的百万分之一。增大注入光功率可有效地增强拉曼散射,但布里渊反射镜性效应和导火索现象限制了入射光强的上限。另外,火灾探测系统应具备较高的空间分辨率,因此分布式光纤火灾探测系统需要窄的激光脉冲作为探针,激光脉冲探针的能量有限,使得拉曼散射经光电转换后的信号水平接近光电转换器件本身的噪声水平,信噪比通常在0 dB以下,微弱拉曼光信号的有效探测和提取是实现分布式光纤温度探测的核心目标。 通过分析发现拉曼散射回波信号是由一个e指数衰减的信号乘以一个位置和宽度不确定的脉冲信号构成的,这个信号具有较宽的频带,而且包含大量的散粒噪声,由于散粒噪声及其频谱具有明显的随机特性,因此传统的基于频谱分解的降噪方法不适应于本研究。 对于含有大量随机噪声的信号,累加平均是有效的降噪手段。但在分布式光纤测温系统中,通常需要数万次的累加平均才能取得预期的信噪比,随着探测距离的扩大,对于一个实时性要求较高的火灾探测系统,这种降噪方法所花费的时间使得系统难以承受。论文通过对拉曼回波信号进行数学分析研究后,采用累加平均与小波变换相结合的降噪方法,实现了在较少累加次数下,低于APD暗电流2个数量级的高灵敏度探测,使系统的温度测量精度在响应时间为4s的情况下达到了0.06℃(1σ)。 空间分辨率决定了分布式温度传感系统能够识别的沿感温光纤长度上的两个温度不同区域之间的最小距离,是分布式测温系统的一个关键技术指标,它由注入光纤中光脉冲的宽度决定。大电流、窄脉冲半导体激光器驱动技术是实现分布式火灾探测系统高空间分辨率的一个难题。本研究利用LD逆向截止特性,采用雪崩驱动技术实现安培级大电流、纳秒级单正弦脉冲半导体激光器的驱动,实现了峰值功率1W,10ns激光脉冲的输出,使系统空间分辨率达到2.8米。 论文还研究了斯托克斯拉曼散射、反斯托克斯拉曼散射的温度敏感性,导出了优化的温度解调表达式,采用该方法解调出的温度与注入激光脉冲探针的功率以及光纤的损耗无关,使得系统对于光源功率波动、光纤微弯损耗等难以克服的影响具有较强的免疫性。 本论文所进行的分布式光纤火灾预警研究可广泛用于煤矿、隧道、大型建筑物、输电线缆、电缆桥架的温度监测及火灾预警,也可用于传统测温系统对难以实现的环境(如巨型混凝土浇筑过程)的温度变化进行监测;通过将探测光纤设计成一定的形状也可探测化学反应釜、高温窑炉的立体空间温度场分布。本文研究的累加平均与小波联合降噪法、安培级大电流、纳秒级单正弦脉冲半导体激光器驱动也可用于空间激光定位和测距系统。


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