分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郝立鋼

摘 要：本文所研究的分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)溫原理是通過光源發(fā)出的光在光纖中發(fā)生拉曼散射，產(chǎn)生斯托克斯光和反斯托克斯光，其中反斯托克斯光是攜帶溫度信息的微弱光，通過斯托克斯光對(duì)反斯托克斯光解調(diào)的方法對(duì)光纖沿線的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：溫度 拉曼散射 斯托克斯光 反斯托克斯光

中圖分類號(hào)：TN25-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0154-02

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通信技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域之中，人們對(duì)光纖技術(shù)的發(fā)展也格外地關(guān)注，其中分布式光纖溫度傳感技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是將光纖作為傳輸介質(zhì)，采用拉曼散射（Raman scattering）和光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，測(cè)量出光纖沿線不同位置點(diǎn)上溫度。

光纖傳感技術(shù)較傳統(tǒng)的電傳感技術(shù)來講具有很多方面的優(yōu)勢(shì)，例如，耗能較少、傳輸速度較快、抗電磁干擾以及耐腐蝕性較高等。光纖傳感技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)使得其特別適用于易燃易爆以及一些電磁干擾較強(qiáng)的特殊環(huán)境之中?？偟膩碚f，光纖傳感技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）高靈敏度，抗電磁干擾。

（2）光纖本身具有較好的柔韌性，可以適應(yīng)各種檢測(cè)需要。

（3）傳輸速度較快，耗能低。

（4）測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的范圍也大。

（5）可移植性比較強(qiáng)，可以根據(jù)需要制作成不同物理量的傳感器。

（6）可嵌入性強(qiáng)，方便計(jì)算機(jī)與光纖系統(tǒng)連接，有利于對(duì)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。

1 拉曼散射原理

拉曼散射又稱拉曼效應(yīng)，是由印度物理學(xué)家拉曼在1928年發(fā)現(xiàn)的。拉曼效應(yīng)其實(shí)就是散射現(xiàn)象中的一種特殊效應(yīng)，是光在介質(zhì)傳播中產(chǎn)生的，當(dāng)光照射在物質(zhì)上時(shí)，會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射兩種現(xiàn)象，前者的散射光與激發(fā)光波長(zhǎng)相同，后者的散射光既有比激發(fā)光波長(zhǎng)的光，也有比其短的光，這些散射光被統(tǒng)稱為拉曼散射。

拉曼散射的運(yùn)動(dòng)方程表示為：++=

式中：為分子振動(dòng)坐標(biāo)，為分子的阻尼系數(shù)，表示作用力，vv表示分子振動(dòng)頻率，m是分子質(zhì)量[1]。

2 分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的光源產(chǎn)生脈沖光，光纖放大器對(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)耦合器耦合到傳感光纖中，脈沖光在傳感光纖的各點(diǎn)位置上發(fā)生后向拉曼散射，后向散射光經(jīng)過光纖通道進(jìn)入到耦合器，耦合到傳輸通道，通過波分復(fù)用器分離出斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，然后分別進(jìn)入到光電檢測(cè)器進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過放大器放大后，送到數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3 光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)提取

小波分析理論：小波分析是一種窗口的大小固定、形狀可變的時(shí)頻局部化信號(hào)分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低頻率分辨率。

設(shè)，其中表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的空間信號(hào)。其傅里葉變換為。當(dāng)滿足容許條件：

<∞

此時(shí)，稱為基小波。由容許條件可以推出：基小波至少必須滿足，也即。也就是必須具有帶通性質(zhì)。

將母小波經(jīng)伸縮和平移得小波序列，又稱子小波：

由上式可知，對(duì)不同的頻率成分，在時(shí)域上的取樣步長(zhǎng)為，是可調(diào)的，高頻者（對(duì)應(yīng)小的m值）采樣步長(zhǎng)大。也就是說，小波變換能實(shí)現(xiàn)了窗口的大小固定，形狀可變的時(shí)頻局部化。

4 分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

分布式光纖溫度檢測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候結(jié)合了LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)，這種結(jié)合能夠使該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纖沿線溫度變化情況的功能，若是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)溫度過高的情況時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。除此之外，該系統(tǒng)還能夠計(jì)算出溫度異?？赡軐?dǎo)致火災(zāi)的概率，并計(jì)算出火災(zāi)點(diǎn)的位置，以此為光纖系統(tǒng)的消防工作提供可靠的信息。

分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）該系統(tǒng)最重要的是信號(hào)的采集與處理部分，其工作原理如下：在系統(tǒng)檢測(cè)到光纖沿線的溫度情況后，會(huì)利用波分復(fù)用器將拉曼散射光從斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光中分離出來，隨后經(jīng)由光電探測(cè)器將拉曼散射光的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換后會(huì)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，采集的信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上。

（2）計(jì)算機(jī)在收到采集的信息后，會(huì)對(duì)信息進(jìn)行特殊的處理，這種處理的最主要目的是檢測(cè)光纖沿線是否出現(xiàn)溫度過高的問題，若是出現(xiàn)此類情況，則會(huì)觸發(fā)消防系統(tǒng)，以免火災(zāi)發(fā)生。

（3）若是光纖沿線的溫度沒有達(dá)到引起火災(zāi)發(fā)生的溫度時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將其設(shè)置為正常運(yùn)行狀態(tài)，并繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果光線沿線某個(gè)位置的溫度過于異常，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生，這時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將其設(shè)置為非正常運(yùn)行狀態(tài)，立刻觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，并對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行定位。

5 結(jié)語

總的來說，光纖已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中必不可少的一部分，其具有較好的傳光性能而且傳輸速度較快、抗電磁干擾以及耐腐蝕性較高。目前，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將光纖技術(shù)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域之中，并且取得了非常好的效果。我國在光纖技術(shù)開發(fā)方面與一些發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，但是對(duì)其非常重視。目前，我國已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)列為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目，國內(nèi)許多高等學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)部門都已經(jīng)開展了光纖傳感技術(shù)的研究工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 張正文.分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D].安徽理工大學(xué)，2016.

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