單亞鋒，馬艷娟，付華*，李文娟，王燦祥(.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧阜新3000; .遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島505)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

單亞鋒1，馬艷娟2，付華2*，李文娟2，王燦祥2
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧阜新123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

針對(duì)煤礦安全存在潛在的火災(zāi)問題，文章將優(yōu)化的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，提出了一種命名為RLN-ELAM的新穎算法用于檢測(cè)并消除瑞利噪聲對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響，并有效提高拉曼分布式光纖系統(tǒng)的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用此算法后，系統(tǒng)的溫度分辨率、空間分辨率均有所提高，測(cè)量誤差從7%降低到不足2%。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，結(jié)果表明，該煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提供詳細(xì)的溫度分布情況并能夠及時(shí)報(bào)警，使工作人員隨時(shí)掌握煤礦溫度分布情況，及時(shí)準(zhǔn)確地找到火災(zāi)發(fā)生區(qū)。

分布式光纖;溫度傳感;瑞利噪聲;煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦的生產(chǎn)環(huán)境充滿了多種危險(xiǎn)源，采礦過程中往往受到火災(zāi)、水災(zāi)、塵害、頂板等災(zāi)害的威脅。其中由煤炭自燃及瓦斯爆炸所引起的火災(zāi)是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一［1］。一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，準(zhǔn)確地對(duì)礦井火災(zāi)進(jìn)行預(yù)測(cè)報(bào)警，盡早的采取滅火措施是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［2-3］。目前，針對(duì)煤礦火情火災(zāi)報(bào)警最有效的方法是采用線型溫度監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的線型溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)是建立在氣體力學(xué)或電氣科學(xué)的基礎(chǔ)上，只能提供非常少的信息和功能;即使一些火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中使用溫感電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也不能在線監(jiān)測(cè)溫度的變化，而只能在火災(zāi)發(fā)生后大致給出區(qū)域的報(bào)警信號(hào)［4］(不能精確確定報(bào)警點(diǎn)的位置)。

在煤礦井下工作時(shí)，傳統(tǒng)的電溫度傳感器容易受強(qiáng)電磁干擾，也不宜在易燃、易爆環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中工作，并且還存在難于安裝、難于布線、難于維護(hù)等問題。而分布式光纖溫度傳感器恰恰能夠滿足煤礦井下工作的各種要求，且空間分辨率高，誤差小，光纖上任意一點(diǎn)既是敏感單元，又是其他敏感單元的信息傳輸通道，可獲得被測(cè)量沿光纖分布的空間和時(shí)間變化的信息，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)和有效定位［5］。利用該技術(shù)組成的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可在煤礦井下實(shí)現(xiàn)在線安全監(jiān)測(cè)，如陳濤的光纖傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)檢測(cè)中的應(yīng)用研等［6］，基于這些研究成果，將分布式光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面會(huì)有極好的前景。

文章對(duì)Raman散射原理進(jìn)行了較為全面的理論分析，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，在信號(hào)處理方面，本文提出了一種命名為RLN-ELAM的算法，與傳統(tǒng)的DTS去噪聲技術(shù)相比，利用本算法能夠檢測(cè)并消除瑞利噪聲對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響，不必附加硬件設(shè)備，也不必進(jìn)行大量的運(yùn)算處理，操作更為簡(jiǎn)單，有效節(jié)省時(shí)間，同時(shí)，使系統(tǒng)的溫度分辨率、空間分辨率均有所提高，測(cè)量誤差從7%降低到不足2%，通過實(shí)驗(yàn)室建立的煤礦巷道的物理模型中，進(jìn)行溫度的時(shí)間測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警［7］。

1 分布式光纖測(cè)溫基本原理

激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于激光和光纖分子的相互作用，會(huì)產(chǎn)生3種散射光:瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射［8］，其光譜分布如圖1所示。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)包括基于瑞利散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)、基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)和基于布里淵散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。由于瑞利散射信號(hào)對(duì)溫度變化不敏感，布里淵散射系統(tǒng)信號(hào)剝離難度大，相比之下，拉曼散射信號(hào)的變化與溫度有關(guān)，并且散射信號(hào)相對(duì)容易獲取和分析。

圖1 光譜分布圖

本預(yù)警系統(tǒng)［9-10］是利用光纖中傳輸?shù)母吖β使饷}沖與光纖分子作用產(chǎn)生拉曼(Raman)散射光譜信號(hào)，根據(jù)光譜信號(hào)中反斯托克斯光與溫度的關(guān)系，用光的時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)獲取沿光纖長度的拉曼散射信息，從而實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度傳感。實(shí)際測(cè)量中，利用瑞利(Rayleigh)散射光作為解調(diào)器，對(duì)反斯克托斯散射光進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以得到所需的溫度信號(hào)［11］。

利用反斯克托斯拉曼散射光功率曲線和瑞利散射光功率曲線［12］，即:

將式(1)與式(2)相比得:

在任意溫度T時(shí)測(cè)得反斯托克斯光功率曲線和瑞利散射光功率曲線，即:

然后將T0和T時(shí)的反斯托克斯功率曲線與瑞利散射光功率曲線作比較，即式(3)與式(6)作比較

由式(7)兩邊取對(duì)數(shù)，反算得出溫度分布曲線，即:

其中，PAS(T)，PR(T)分別為后向反斯托克斯拉曼散射光的光功率和后向瑞利散射光功率;v為光在光纖中的傳輸速度;E0為泵浦光脈沖(瑞利散射光)的能量;h，k普朗克常數(shù)和玻爾茲曼常數(shù)Δy為光纖的拉曼頻移量;ΓASΓR為分別為光纖中單位長度上的后向反斯克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光的散射系數(shù);分別為后向反斯托克斯拉曼散射光和入射泵浦光(后向瑞利散射光)在光纖中單位長度上的損耗系數(shù);L為對(duì)應(yīng)光纖上某一測(cè)量點(diǎn)到測(cè)量起始點(diǎn)的距離;T為該測(cè)量點(diǎn)處的絕對(duì)溫度;T0為已知的參考溫度值。

此方案主要缺點(diǎn)是拉曼散射效率較低，原因是拉曼散射信號(hào)通常為瑞利散射信號(hào)的10-4倍［13］，從而使拉曼散射信號(hào)常常淹沒在噪聲中，因此，系統(tǒng)需要采用弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，從背景和干擾中提取信號(hào)，消除瑞利噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。

2 消除瑞利噪聲影響的原理

2.1 瑞利噪聲的影響

由式(3)及式(6)可知，反斯托克斯拉曼散射光功率與瑞利散射光功率的比值(即系統(tǒng)的信噪比)越大，系統(tǒng)的測(cè)量精度越高。即在反斯托克斯散射光一定的情況下，只有降低系統(tǒng)的瑞利噪聲才能提高系統(tǒng)的信噪比。

基于拉曼隔離的波分復(fù)用技術(shù)，我們可以很容易的計(jì)算出10%～30%的剩余瑞利后向散射信號(hào)光，這剩余的瑞利后向散射信號(hào)光將成為噪聲，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差。圖2展示了基于不同瑞利噪聲水平下，利用隔離波分復(fù)用技術(shù)所測(cè)得的實(shí)際溫度檢測(cè)值與理論溫度值之間的關(guān)系。很明顯，溫度測(cè)量精度隨著瑞利噪聲的增加而大大降低。并且在同一噪聲水平下，隨著實(shí)際測(cè)量溫度的增加，測(cè)量誤差會(huì)越來越大。

圖2 基于瑞利噪聲在不同水平下的溫度測(cè)量仿真

2.2 瑞利噪聲測(cè)量的算法

為了解決瑞利噪聲所導(dǎo)致的系統(tǒng)測(cè)量誤差，文章利用一種新穎的算法，首次應(yīng)用于分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其具體做法如下:

在傳感光纖中，由式(4)可得反斯托克斯散射光功率，然而在現(xiàn)有的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，反斯托克斯后向散射的理論值并不是在式(4)提出的，而是由光電探測(cè)器中檢測(cè)到的［14］，其測(cè)量表達(dá)式如下:

其中，PAS(T)是由拉曼分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)中測(cè)得的反斯托克斯后向散射實(shí)際值，PAS0(T)是反斯托克斯后向散射功率的理論值，Pr是瑞利噪聲的功率，A是雪崩光電二級(jí)管的增益系數(shù)。

在本算法中，由于瑞利噪聲受溫度影響比較小，拉曼反斯托克斯散射信號(hào)受溫度影響比較明顯，所以分別將傳感光纖置于T1和T22個(gè)不同溫度環(huán)境中，瑞利噪聲的消除公式如下:

其中，C(T)=KASshv5NCRAS(T)可以由擬合數(shù)據(jù)曲線(l，ln p)推算得到，瑞利噪聲也可以表示成如下:

由于瑞利噪聲可以在實(shí)驗(yàn)部分的感溫光纖中推得，因此，為了能夠沿著感溫光纖獲得完整的瑞利噪聲，必須確定瑞利噪聲的衰減系數(shù)，在感溫光纖中，瑞利噪聲的功率可以表示成如下:

其中，PR0是瑞利后向散射的初始功率，IWDM是拉曼波分復(fù)用的隔離系數(shù)，v0是入射光的傳輸速率，KR是瑞利后向散射截面的相關(guān)系數(shù)，式(12)兩邊取對(duì)數(shù)得:

衰減系數(shù)αR可以由擬合數(shù)據(jù)曲線(L，ln PR)推得，同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)部分傳感光纖的瑞利噪聲，可以很容易的推算出整條光纖的瑞利噪聲。因此，瑞利噪聲可以在測(cè)量反斯托克斯后向散射時(shí)消除，因而沿著整條傳感光纖的溫度可以由反斯托克斯后向散射實(shí)際值確定。通過使用此算法可以消除圖1中的瑞利噪聲，由此使溫度測(cè)量的實(shí)際值可以更加接近于真實(shí)值。

此外，本算法也適合于斯托克斯后向散射。它不僅能夠消除瑞利噪聲，還能夠克服激光功率不穩(wěn)定造成的影響以及光在傳感光纖中的損耗(如接頭損耗，彎曲損耗，以及連接損耗等等)。簡(jiǎn)而言之，本算法可以對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

3 煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證算法，在實(shí)驗(yàn)室建立的煤礦巷道的物理模型中，進(jìn)行溫度的實(shí)際測(cè)量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于反射光信號(hào)的強(qiáng)弱和注入光脈沖的強(qiáng)度有關(guān)［15］，注入光脈沖的強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的反射信號(hào)的強(qiáng)度越大，就越有利于提取有用的溫度信號(hào)。因此，本系統(tǒng)在激光器后采用光纖放大器，借以提高注入光功率。

利用激光器產(chǎn)生波長為1 550海里寬度為15 ns，頻率為10 kHz的激光脈沖，注入到一條1 500 m的感溫光纖并經(jīng)過一個(gè)的拉曼波分復(fù)用。將感溫光纖的200 m通過恒溫器。為了分別提取斯托克斯分量以及反斯托克斯分量，將部分散射引回到波分復(fù)用器，將包含瑞利噪聲的反斯托克斯后向散射光注入APD檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，然后利用一個(gè)高速的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。收集到的數(shù)據(jù)以平均15 000次/s的速度傳送至電腦同時(shí)進(jìn)行處理。這樣可以進(jìn)一步縮短光脈沖的寬度，有效提高系統(tǒng)的空間分辨率。

圖3 煤礦火災(zāi)溫度檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證算法的可行性，將實(shí)驗(yàn)部分的光纖置于20℃和50℃的恒溫器中，并將其余部分的光纖置于常溫環(huán)境中。圖4展示了實(shí)驗(yàn)部分傳感光纖的瑞利噪聲的擬合數(shù)據(jù)，圖5展示了沿著整條傳感光纖的瑞利噪聲的擬合數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明瑞利噪聲占據(jù)了大約15%的信號(hào)光，符合利用隔離拉曼波分復(fù)用技術(shù)的計(jì)算結(jié)果。

圖4 實(shí)驗(yàn)部分傳感光纖的瑞利噪聲

圖5 沿著整條傳感光纖的瑞利噪聲

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇參考溫度為并將實(shí)驗(yàn)部分的傳感光纖置于5個(gè)不同溫度的恒溫器中，瑞利噪聲消除之前和消除之后的平均誤差如表5所示。為了做更為直觀的比較，瑞利噪聲消除之前和之后的溫度測(cè)量誤差的比較結(jié)果如表1所示。

表1 瑞利噪聲消除之前與之后的測(cè)量誤差數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用此算法后，瑞利噪聲已經(jīng)被基本消除，系統(tǒng)的測(cè)量誤差能7%降低到不足2%，使整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)的可靠性以及測(cè)量精度能夠大大提高。此外，這是一個(gè)特定的瑞利噪聲檢測(cè)系統(tǒng)，盡管該算法在減小瑞利噪聲的影響時(shí)需要進(jìn)行一定的計(jì)算，但我們僅僅需要計(jì)算最初在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)的瑞利噪聲，并不需要在隨后的測(cè)量時(shí)增加額外的測(cè)量時(shí)間，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，能使溫度監(jiān)測(cè)更加及時(shí)、有效。

圖6 分布式光纖傳感器在100 min內(nèi)的溫度變化

為了能夠準(zhǔn)確地對(duì)隧道火災(zāi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文將隧道中的監(jiān)測(cè)區(qū)域分為3個(gè)防火分區(qū)，每個(gè)分區(qū)長度為100 m，均勻分布10個(gè)分布式光纖傳感器，每個(gè)之間間隔10 m。3個(gè)防火分區(qū)共用一根分布式感溫光纖，在300 m范圍內(nèi)形成30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并通過一根300 m長的傳輸光纜對(duì)隧道傳感系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行通信，用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理并將各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫［3］。一旦溫度變化超過了設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，采取自動(dòng)降水等措施進(jìn)行降溫，起到一定的防范作用。圖6給出從3個(gè)防火分區(qū)中分別取出1個(gè)分布式光纖傳感器在100 min內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表5 min內(nèi)的溫度平均變化值。

從上面的曲線可以看出防火分區(qū)一和分區(qū)二的傳感器所在的位置溫度比較正常，即使防火分區(qū)一的溫度超過它的報(bào)警值，通過現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)控制裝置，能對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)降溫處理，消除安全隱患。防火分區(qū)三的傳感器所在的位置溫度已經(jīng)發(fā)生大幅度的變化，有的溫度已經(jīng)大大超出了設(shè)定值，在這種情況下，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，提醒工作人員采取緊急應(yīng)對(duì)措施。

4 結(jié)論

(1)本文針對(duì)如何減小瑞利噪聲，提高系統(tǒng)測(cè)量精度這一問題，提出了RLN-ELAM算法，可以檢測(cè)并消除占據(jù)15%信號(hào)光的瑞利噪聲，有效的提高系統(tǒng)測(cè)量精度，使系統(tǒng)的測(cè)量誤差從7%降低到不足2%，這正是本算法的優(yōu)越之處。

(2)文章對(duì)拉曼分布式光纖測(cè)溫原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹并設(shè)計(jì)了煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，于激光器后設(shè)置光纖放大器，這樣做不僅提高了注入光功率、有利于提取溫度信號(hào)，更提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

(3)煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的可行性，能夠滿足煤礦火災(zāi)監(jiān)測(cè)的要求。同時(shí)，能夠使工作人員及時(shí)掌握煤礦內(nèi)各個(gè)區(qū)域的溫度分布情況，并準(zhǔn)確及時(shí)地報(bào)警。

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單亞鋒(1968-)，男，副教授，遼寧阜新人，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士研究生導(dǎo)師，1991年畢業(yè)于哈爾濱建筑工程學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)。多年來一直工作在科研和教學(xué)第一線，近年來發(fā)表論文10余篇，參編教材2部，主持承擔(dān)科研課題多項(xiàng)。主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用;

馬艷娟(1989-)女，遼寧阜新人，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣控制工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，550646830@qq.com;

付華(1962-)，女，遼寧阜新人，教授，博士生導(dǎo)師，博士(后)，主要研究方向?yàn)槊旱V瓦斯檢測(cè)、智能檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)方面的研究。支持國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、支持及參與國家863和省部級(jí)項(xiàng)目30余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，申請(qǐng)專利24項(xiàng)。

Application of Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System in Coal Mine Fire Monitoring System*

SHAN Yafeng1，MA Yanjuan2，F(xiàn)U Hua2*，LI Wenjuan2，WANG Canxiang2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China; 2.Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao Liaoning 125105，China)

In view ofthe potential fire problems of coal safety，the paper attemps to apply the optimization ofdistributed optical fiber temperature measturement system to coal mine fire monitoring.And it proposes a novel algorithm called RLN-ELAM to detect and elimate the influence of Rayleigh noise and improve the accuracy of the system at the same time.The experimentalresult shows that，the system temperature resolution and space resolution can be improved and the measurement error is reduced from 7%to less than 2%by using this design scheme and algorithm. Finally，the author put the algorithm into the actual temperature measurement，the coal mine fire monitoring system is able to provide detailed temperature distribution，and itis easy to master the coaltemperature distribution and find the fire zones timely and accurately.

distributed opticalfiber;temperature sensing;the Rayleigh noise;temperature measurementin coalmine system

TP212

A

1004－1699(2014)05－0704－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.025

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274118，70971059);遼寧省科技攻關(guān)基金項(xiàng)目(2011229011);遼寧省教育廳基金項(xiàng)目(L2012119)

2013-12-08

2014-04-17