費 芹，秦 俊

（中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026）

0 引言

人類十分重視火災的監(jiān)測。過高的溫度和過快的溫升速率往往是火災發(fā)生的重要特征。傳統(tǒng)的感溫探測器就是利用火災這一特性進行火災預警，但感溫探測器布置安裝較為復雜，在發(fā)生火災預警時要準確找到預警的位置也比較耗時。

基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術彌補了感溫探測器的不足，它不僅可以實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測，而且可以實現(xiàn)對異常溫度及溫升速率進行預警和準確定位。分布式光纖測溫系統(tǒng)布線簡單，適用于長距離及大空間的火災監(jiān)測，測溫系統(tǒng)不受電磁干擾，使得它的適用場所更加廣泛［1］。目前，分布式光纖測溫系統(tǒng)已經成功運用于隧道、大壩、電纜等處的火災監(jiān)測［2，3］。

1 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

1.1 基于拉曼散射的光纖測溫原理

光在光纖中傳播，由于光子與介質中的固體分子發(fā)生非彈性碰撞，會產生拉曼散射現(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散射光都對溫度敏感，利用它們可以解調出溫度信息。

當激光器向光纖中注入激光后，后向散射的stokes和anti－stokes光強與溫度存在以下關系［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光對溫度敏度約為0.8%／K，而stokes對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光作為參考信號來解調溫度［5］：

圖1為R（T）與溫度的關系曲線圖。從圖1中可以看出，在0℃～120℃范圍內溫度與R（T）近似線性關系。所以在0℃～120℃范圍內可認為［6］：

式中：k與m為常量。

圖1 R（T）與溫度的關系Fig.1 Relationship between R（T）and temperature

將采集得到的信號與對應的溫度進行線性擬合，求得k與m的值，即可得到溫度與R（T）之間的關系，解調出溫度信號。

1.2 基于光時域技術的空間定位［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，部分光會沿著原路返回，此時測得返回的光信號在光纖中往返所用時間τ，即可計算出該點的位置X：

式中：c為真空中的光速，n為光纖的折射率。

1.3 分布式光纖測溫系統(tǒng)的構成

分布式光纖測溫系統(tǒng)由脈沖激光器、雪崩二極管（ADP）、光纖、波分復用器（WDM）、采集卡、計算機等硬件設備構成。其基本結構見圖2。激光器以一定頻率發(fā)射一個光脈沖，該脈沖光通過WDM耦合進入光纖，在光纖中傳播時會發(fā)生散射。后向散射光經過 WDM分光濾出anti－stokes光和stokes光，將得到的兩路光信號通過ADP轉換成電信號，再利用采集卡采集此電信號，最后將得到的信號傳入計算機進行進一步處理得出溫度信號。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)空間分辨率主要受到激光脈沖寬度、ADP響應時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 分布式光纖測溫系統(tǒng)結構圖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響應時間及采集采樣頻率。

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，但會使耦合進光纖的能量減小，導致后向拉曼散射信號減弱。選取AD采集卡采樣頻率為100MHz，ADP選用InGaAs型，其響應時間典型值為0.3ns。根據(jù)式（6）計算得，系統(tǒng)空間分辨率為1m。

測溫精度主要受到雙通道不等衰減、接收機噪聲、A／D轉換、標定精度的影響［9］。通過對兩路信號進行衰減補償、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℃的水槽進行溫度標定等方法提高系統(tǒng)的測溫精度，使系統(tǒng)測溫精度達到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。

對系統(tǒng)的測溫性能進行測試，取測溫光纖第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，測溫精度達到1℃，空間分辨率達到1m，具有良好的穩(wěn)定性。

3 定溫預警與差溫預警實驗

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)除了測溫這一基本功能外，還可以實現(xiàn)定溫火災預警和差溫火災預警功能。

圖3 光纖溫度曲線Fig.3 The curve of optical fiber temperature

參照感溫探測器的預警溫度，設置本系統(tǒng)的定溫預警溫度54℃，并參照差溫探測器的預警溫升速率，設置本系統(tǒng)差溫預警溫升速率為8℃／min。

為了對兩種報警方式進行測試，用0.5m×0.5m的油池火作為模擬火源進行實驗，火源功率約為0.45MW。將一段測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取一個值。點燃油池火后系統(tǒng)測得的溫度不斷升高，達到最高溫度時記錄測溫光纖1m～20m段的溫度曲線，結果如圖4所示。

圖4 不同火源位置光纖達到的最高溫度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，在無風條件下，煙氣垂直向上蔓延，最先達到10m處的光纖測點，所以測得的溫度也最高。不同火源位置在X＝10m處測得的最高溫度值見表1，可見隨著h的增加，測得的最高溫度不斷降低，這是因為熱煙氣層在上升過程中不斷向四周擴散，當h較小時，熱煙氣層很快到達光纖處，向四周擴散的煙氣較少，到達頂棚處的煙氣較為集中，此時光纖測得的溫度也較高，而h較大時，熱煙氣擴散導致在頂棚下方熱量散失較多，所以光纖測得的最高溫度也大大降低。

表1 各火源位置在X＝10m處達到的最高溫度Table 1 Highest temperature of X＝10m with different fire positions

在無風條件下，煙氣層向各個方向擴散的速率相同，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，上升過程中煙氣向四周擴散的同時也向上運動，將一部分熱量帶到了距離中心火源較遠的光纖測點，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，可見擴散煙氣的較多熱量損失在頂棚下方，只有少部分到達頂棚處，所以火源與光纖的高度差對定溫預警影響較大。當h大于7m時系統(tǒng)測得的最高溫度已經低于設置的定溫報警溫度，定溫預警失效。

利用定溫和差溫兩種預警方式對不同高度處的火源進行預警，分別記錄兩種預警方式的最小響應時間及發(fā)生預警的測點，其結果見表2。

表2顯示，火源高度小于等于6m時，差溫預警的最小響應時間都是12s，高度大于6m后響應時間隨高度h的增加而增加，這是因為差溫預警響應時間主要由系統(tǒng)響應時間即系統(tǒng)對信號的采集處理所需的時間和達到預警溫升速率所用時間共同決定?；鹪锤叨刃∮诘扔?m時，熱煙氣很快到達頂棚且光纖所受熱輻射也較強，測溫光纖達到預警溫升速率所用時間小于系統(tǒng)響應時間，所以差溫預警最小響應時間由系統(tǒng)響應時間決定。當火源高度大于6m后，差溫預警時間主要由到達預警溫升速率所用時間決定，隨著高度差的增大，煙氣上升所用的時間增加，煙氣熱量散失導致溫升速率降低，所以差溫預警響應增加。

表2 預警響應時間及預警測點Table 2 Warning response time and warning points

定溫預警響應時間一直隨著高度h的增加而增加。可見系統(tǒng)響應時間對定溫預警響應時間影響不大，其響應時間主要由達到預警溫度所用時間決定，而隨著高度h的增加，頂棚處獲得的熱量不斷減小，所以達到預警溫度所需時間不斷增加。

對于同一火源高度，差溫預警響應時間遠小于定溫預警響應時間，這是因為熱煙氣層達到頂棚時很快使測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)升溫直至溫度達到設置的預警溫度才會發(fā)生定溫預警，所以定溫預警時間遠大于差溫預警時間。

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

試驗時，發(fā)生預警的測點在X＝10m兩邊呈對稱分布。由表2可知，兩種預警響應的測點個數(shù)都是隨高度差的增大而減小，這是由于當高度差較小時，煙氣迅速達到頂棚，并在頂棚處發(fā)生射流，到達各測點的熱量比較集中，各測點溫度迅速升高。此外，高度差較小，火源對頂棚的熱輻射更強，所以較多測點均可達到定溫及差溫預警的預警閾值，但高度差較大時，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，較少測點可以達到定溫預警的響應溫度，同時頂棚射流造成的溫升也不足以使較遠測點達到差溫預警閾值。

對于同一火源高度，差溫預警響應測點遠多于定溫預警，因為系統(tǒng)探測到最大溫升速率達到預警閾值時，就會發(fā)處差溫預警，對于距離火源較遠的測點，雖然獲得較大溫升速率，但溫度不會一直升高，最高溫度不能達到定溫預警溫度。

4 結論

1.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)可以很好的對溫度進行實時監(jiān)控及火災預警。以0.5m×0.5m的油池火作為模擬火源，設置定溫預警響應溫度為58℃，差溫預警響應溫升速率為8℃／min，當建筑物高度不超過6m時，定溫預警可對火源做出響應，建筑物高度不超過12m時，差溫預警可對火源做出響應。

2.對于同一火源，差溫預警相對于定溫預警響應時間更短，能夠更快的對火源做出預警，且差溫預警響應的測點更多，對火源的探測范圍也更廣，所以分布式光纖測溫系統(tǒng)在建筑物火災探測中，差溫預警相對于定溫預警具有更高的探測效率，更低的漏報率。

3.隨著火源與頂棚高度差的減小，定溫及差溫預警響應時間都呈減小趨勢，即火源距光纖越近，火災預警時間越短，所以在高度較低的建筑物火災探測中，分布式光纖測溫系統(tǒng)可以更及時的進行火災預警，但預警時間不會小于系統(tǒng)的最小響應時間。

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

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