基于TDLAS早期森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)

張佳薇，張紅麗，李明寶

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

森林火災(zāi)的突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難這會(huì)給森林帶來最有害，最具有毀滅性的后果，嚴(yán)重影響著人類的生活［1］。目前我國森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)普遍采用地面巡護(hù)、瞭望塔監(jiān)測(cè)［2］、航空巡護(hù)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)［3－4］。地面巡護(hù)和瞭望塔監(jiān)測(cè)受到氣候、時(shí)間和人為局限性等因素的影響，其監(jiān)測(cè)效果一般;而航空巡護(hù)、紅外監(jiān)控和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等受天氣和外界環(huán)境影響較大，成本較高，而且對(duì)小火的識(shí)別能力有限，不利于實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”。無線傳感器林火監(jiān)測(cè)技術(shù)［5］是通過測(cè)量溫度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)檢測(cè)，這對(duì)于早期火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)效果不明顯。

為了提高森林火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的性能，達(dá)到靈敏可靠的火災(zāi)早期報(bào)警，可以結(jié)合多參數(shù)、多判據(jù)進(jìn)行復(fù)合探測(cè)，借助人工智能的方式有效地減少系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)。但是從本質(zhì)上提高系統(tǒng)探測(cè)的靈敏度對(duì)于極早期的森林火災(zāi)探測(cè)才是關(guān)鍵。因此本文采用一種探測(cè)靈敏度較高的氣體檢測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的早期檢測(cè)。

1 早期森林火災(zāi)特征氣體研究

森林火災(zāi)的發(fā)生都有一定的過程，燃燒的整個(gè)過程中產(chǎn)生氣 (燃燒氣體)、煙 (煙霧粒子)、熱(溫度)和光 (火焰)等表征火災(zāi)信號(hào)的物理化學(xué)參量，通常稱為火災(zāi)參量。這些火災(zāi)參量在火災(zāi)發(fā)生的早期、陰燃、火焰放熱和衰減4個(gè)階段產(chǎn)生［6］。在森林火災(zāi)發(fā)生的早期，可燃物不完全燃燒熱解，生成物以燃燒氣體為主。鑒于燃燒氣體產(chǎn)生較早，靈敏迅速地探測(cè)到燃燒氣體的產(chǎn)生，從根本上提高早期探測(cè)系統(tǒng)的性能，更容易實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的極早期探測(cè)。因此針對(duì)火災(zāi)特征氣體，提取火災(zāi)早期特征信號(hào)的探測(cè)技術(shù)有著廣闊的前景［7］。

火災(zāi)燃燒過程必然會(huì)產(chǎn)生CO和CO2，CO2是大氣環(huán)境中有一定濃度的常見氣體，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)其濃度會(huì)急劇上升。一般情況下空氣中CO的含量非常低，比CO2產(chǎn)生早，由于CO比空氣輕，所以只需要很少的熱量甚至不需要熱量的驅(qū)動(dòng)就可以快速擴(kuò)散上升，很容易探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生信號(hào)［8］。此外，不管是真假火災(zāi)源都會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，而CO只有發(fā)生火災(zāi)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量。因此CO是火災(zāi)極早期的特有標(biāo)志［9］，準(zhǔn)確快速檢測(cè)CO濃度實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的早期檢測(cè)。

目前常用的氣體濃度檢測(cè)方法主要有化學(xué)法、氣相色譜法和光譜吸收法，這幾種方法對(duì)弱信號(hào)氣體的檢測(cè)效果不甚理想。因此需要選擇其他高靈敏度的探測(cè)技術(shù)運(yùn)用到早期森林火災(zāi)檢測(cè)領(lǐng)域?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù) (TDLAS)近幾年已經(jīng)成為一種檢測(cè)環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域中痕量氣體的極好工具，能實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、超靈敏度的探測(cè)和監(jiān)測(cè)。尤其針對(duì)痕量弱信號(hào)氣體檢測(cè)，將諧波檢測(cè)技術(shù)和長光程池相結(jié)合得到很好的效果。

2 TDLAS的原理

TDLAS技術(shù)實(shí)際上是一種吸收光譜技術(shù)，利用激光器的窄線寬和波長調(diào)諧特性，使其掃描被測(cè)氣體的單個(gè)吸收峰，通過分析氣體對(duì)光的選擇吸收性來獲得氣體的濃度。比爾 － 朗伯定律［10－11］(Beer－Lambert law)是TDLAS技術(shù)的理論基礎(chǔ)。根據(jù)比爾－朗伯定律，一束光經(jīng)過氣體分子吸收之后，其光強(qiáng)變?yōu)?

式中:I0(v)為入射光光強(qiáng);It(v)為經(jīng)過氣體吸收后透射光的光強(qiáng);α(v)為在頻率v處，單位濃度、單位長度下氣體對(duì)光的吸收系數(shù);C為氣體的體積分?jǐn)?shù);L為氣體吸收光路的光程長度。

3 CO吸收譜線的選取

通過查找HITRAN(2008)光譜數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以得到氣體的吸收譜線。吸收譜線的選擇應(yīng)該考慮激光器和背景氣體干擾兩個(gè)方面。目前，近紅外波段的激光器在工業(yè)界都已相對(duì)成熟，價(jià)格也便宜。背景氣體干擾是指不同的氣體分子在同一個(gè)波長下的譜線干擾。吸收譜線的強(qiáng)度可以決定系統(tǒng)所能達(dá)到的最小探測(cè)限，強(qiáng)度越大，靈敏度越高。從圖1可看出，CO在1.58μm左右有強(qiáng)度較大的吸收譜線。

圖1 CO在1.43～2.0μm附近的吸收譜線Fig.1 Carbon monoxide absorption lines around 1.43～2.0μm

在1.58μm波長左右，其它常見氣體的吸收譜線的強(qiáng)度相對(duì)較弱，如圖2所示。此外，選擇譜線寬度較窄的吸收譜線更適合于TDLAS測(cè)量。

圖2 常見氣體在1.55～1.61μm附近的吸收譜線Fig.2 Absorption lines of common gases around 1.55～1.61μm

4 TDLAS系統(tǒng)框圖

對(duì)于TDLAS早期森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示，其核心部件是激光器。激光器的選擇應(yīng)該考慮:①激光器輸出中心頻率要與氣體的特征吸收譜線相吻;②價(jià)格相對(duì)便宜，適于廣泛使用。另外由于比爾－朗伯定律需要嚴(yán)格的單色光，因此采用中心頻率在1.58μm附近的分布反饋式 (DFB)激光器作為光源是一個(gè)很好的選擇，其帶寬窄、有效光功率較高，有助于提高系統(tǒng)靈敏度。

采用美國Thorlabs公司的ITC5000型激光電流溫度控制器改變激光器的溫度和注入電流實(shí)現(xiàn)激光波長的改變使其掃描過整條吸收譜線。通過外部輸入調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器輸出電流的調(diào)制，另外將調(diào)制信號(hào)送至鎖相放大器作為參考信號(hào)。激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光，激光照射到充滿氣體的長光程池內(nèi)，經(jīng)過多次反射之后由光電探測(cè)器接收，再經(jīng)鎖相放大器通過相乘和積分的方法對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，從而抑制噪聲，進(jìn)而得到有用的諧波信號(hào)。再通過數(shù)據(jù)采集卡采集送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，從而得到氣體濃度。氣泵用于實(shí)現(xiàn)長光程池內(nèi)氣體與外界氣體的交換，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)外界環(huán)境變化。

圖3 TDLAS系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of TDLAS system

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于直接吸收測(cè)量技術(shù)容易受到背景氣體的干擾，為提高測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性，可采用諧波檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的測(cè)量。隨著諧波次數(shù)的增加，諧波信號(hào)幅度反而減少，因此實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇一次或二次諧波來檢測(cè)。由圖4可以看出，在譜線中心，二次諧波相對(duì)幅度最大，而一次諧波接近零。此外，由于二次諧波上的直流偏置比一次諧波的小很多，因此文中可利用二次諧波峰值實(shí)現(xiàn)濃度檢測(cè)。本文根據(jù)已有文獻(xiàn)中TDLAS技術(shù)和氣體檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，設(shè)計(jì)了一套早期森林火災(zāi)CO氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)Fig.4 Second-harmonic spectrum and single-harmonic spectrum

圖5 TDLAS早期森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 The picture of TDLAS detection system for early-stage forest fire

圖6 不同濃度CO的二次諧波信號(hào)Fig.6 Second-harmonic spectrum for different CO concentrations

實(shí)驗(yàn)采用掃描頻率為20 Hz掃描氣體的吸收峰和調(diào)制頻率為5 kHz對(duì)激光器進(jìn)行波長調(diào)制。配制了體積分?jǐn)?shù)為20～165 ppmv的CO氣體，平衡氣為N2。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，二次諧波強(qiáng)度隨濃度變化而變化。由圖7中可以看出，CO濃度與二次諧波強(qiáng)度之間有良好的線性關(guān)系，可以得到擬合直線為Y=0.0251+0.004 51X。

圖7 CO濃度與二次諧波強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.7 Relevance of CO concentration and second-harmonic spectrum intensity

6 結(jié)束語

TDLAS技術(shù)對(duì)痕量弱信號(hào)氣體的檢測(cè)靈敏度高，響應(yīng)速度快，選擇性好，檢測(cè)限可達(dá)幾個(gè)ppm量級(jí)。這將有助于快速準(zhǔn)確的檢測(cè)到森林火災(zāi)早期產(chǎn)生的氣體，從而實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的早期檢測(cè)，有利于我國的森林防火工作，使火災(zāi)在較早期得到救助，降低損失。

［1］郭 衡，李德生.森林防火原理與方法［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2001.

［2］莎仁圖雅.林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一——瞭望臺(tái)［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)，2007(7):20.

［3］張軍國，李文彬，趙燕東.面向森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2009.

［4］張 歡.基于SuperMap的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.森林工程，2011，27(5):50 －53.

［5］鄭 英，陳惠明.基于無線網(wǎng)絡(luò)的森林火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2007.

［6］黃浩忠.火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2001.

［7］ Hagen B Chr，Milke J A.The use of gaseous fire signatures as a mean to detect fires［J］.Fire Safety J，2000，34(1):55 － 67.

［8］黃湘瑩，張認(rèn)成.基于過程特征信息的火災(zāi)早期探測(cè)方法研究［D］.泉州:華僑大學(xué)，2006.

［9］杜建華，張認(rèn)成.基于傅里葉變換紅外光譜探測(cè)的火災(zāi)早期過程特征信息研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2008，28(3):559－563.

［10］陳 東，劉文清，張玉鈞，等.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜火災(zāi)氣體探測(cè)系統(tǒng)［J］.中國激光，2006，33(11):1552 －1556.

［11］李 寧，王 飛，嚴(yán)建華，等.利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體濃度的測(cè)量［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(15):121－126.