分布式光纖測溫系統在煤礦火災監測中的應用*

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

分布式光纖測溫系統在煤礦火災監測中的應用*

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

針對煤礦安全存在潛在的火災問題，文章將優化的分布式光纖測溫系統應用于煤礦火災監測，同時，提出了一種命名為RLN-ELAM的新穎算法用于檢測并消除瑞利噪聲對系統測量精度的影響，并有效提高拉曼分布式光纖系統的測量精度。實驗結果表明，利用此算法后，系統的溫度分辨率、空間分辨率均有所提高，測量誤差從7%降低到不足2%。在實驗室進行的模擬實驗中，對溫度進行實際測量，結果表明，該煤礦火災監測系統能夠提供詳細的溫度分布情況并能夠及時報警，使工作人員隨時掌握煤礦溫度分布情況，及時準確地找到火災發生區。

分布式光纖;溫度傳感;瑞利噪聲;煤礦火災監測系統

煤礦的生產環境充滿了多種危險源，采礦過程中往往受到火災、水災、塵害、頂板等災害的威脅。其中由煤炭自燃及瓦斯爆炸所引起的火災是制約煤礦安全生產的主要災害之一［1］。一旦發生火災，會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因此，準確地對礦井火災進行預測報警，盡早的采取滅火措施是煤礦安全生產的一個重要環節［2-3］。目前，針對煤礦火情火災報警最有效的方法是采用線型溫度監測。傳統的線型溫度監測技術是建立在氣體力學或電氣科學的基礎上，只能提供非常少的信息和功能;即使一些火災報警系統中使用溫感電纜進行監測，也不能在線監測溫度的變化，而只能在火災發生后大致給出區域的報警信號［4］(不能精確確定報警點的位置)。

在煤礦井下工作時，傳統的電溫度傳感器容易受強電磁干擾，也不宜在易燃、易爆環境或腐蝕性環境中工作，并且還存在難于安裝、難于布線、難于維護等問題。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，可獲得被測量沿光纖分布的空間和時間變化的信息，實現溫度監測和有效定位［5］。利用該技術組成的監測預警系統可在煤礦井下實現在線安全監測，如陳濤的光纖傳感技術在隧道火災檢測中的應用研等［6］，基于這些研究成果，將分布式光纖測溫技術應用于煤礦火災監測方面會有極好的前景。

文章對Raman散射原理進行了較為全面的理論分析，對系統結構進行了優化設計，同時，在信號處理方面，本文提出了一種命名為RLN-ELAM的算法，與傳統的DTS去噪聲技術相比，利用本算法能夠檢測并消除瑞利噪聲對系統測量精度的影響，不必附加硬件設備，也不必進行大量的運算處理，操作更為簡單，有效節省時間，同時，使系統的溫度分辨率、空間分辨率均有所提高，測量誤差從7%降低到不足2%，通過實驗室建立的煤礦巷道的物理模型中，進行溫度的時間測量，實現了火災的實時監測報警［7］。

1 分布式光纖測溫基本原理

激光脈沖在光纖中傳輸時，由于激光和光纖分子的相互作用，會產生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。分布式光纖測溫系統包括基于瑞利散射的分布式光纖測溫系統、基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統和基于布里淵散射的分布式光纖測溫系統。由于瑞利散射信號對溫度變化不敏感，布里淵散射系統信號剝離難度大，相比之下，拉曼散射信號的變化與溫度有關，并且散射信號相對容易獲取和分析。

圖1 光譜分布圖

本預警系統［9-10］是利用光纖中傳輸的高功率光脈沖與光纖分子作用產生拉曼(Raman)散射光譜信號，根據光譜信號中反斯托克斯光與溫度的關系，用光的時域反射(OTDR)技術獲取沿光纖長度的拉曼散射信息，從而實現分布式光纖溫度傳感。實際測量中，利用瑞利(Rayleigh)散射光作為解調器，對反斯克托斯散射光進行調節就可以得到所需的溫度信號［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時測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)兩邊取對數，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普朗克常數和玻爾茲曼常數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;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;L為對應光纖上某一測量點到測量起始點的距離;T為該測量點處的絕對溫度;T0為已知的參考溫度值。

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

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(即系統的信噪比)越大，系統的測量精度越高。即在反斯托克斯散射光一定的情況下，只有降低系統的瑞利噪聲才能提高系統的信噪比。

基于拉曼隔離的波分復用技術，我們可以很容易的計算出10%～30%的剩余瑞利后向散射信號光，這剩余的瑞利后向散射信號光將成為噪聲，最終導致嚴重的測量誤差。圖2展示了基于不同瑞利噪聲水平下，利用隔離波分復用技術所測得的實際溫度檢測值與理論溫度值之間的關系。很明顯，溫度測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，隨著實際測量溫度的增加，測量誤差會越來越大。

圖2 基于瑞利噪聲在不同水平下的溫度測量仿真

2.2 瑞利噪聲測量的算法

為了解決瑞利噪聲所導致的系統測量誤差，文章利用一種新穎的算法，首次應用于分布式光纖溫度監測系統。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，然而在現有的溫度檢測系統中，反斯托克斯后向散射的理論值并不是在式(4)提出的，而是由光電探測器中檢測到的［14］，其測量表達式如下:

其中，PAS(T)是由拉曼分布式溫度檢測系統中測得的反斯托克斯后向散射實際值，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是雪崩光電二級管的增益系數。

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受溫度影響比較明顯，所以分別將傳感光纖置于T1和T22個不同溫度環境中，瑞利噪聲的消除公式如下:

其中，C(T)=KASshv5NCRAS(T)可以由擬合數據曲線(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驗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，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是拉曼波分復用的隔離系數，v0是入射光的傳輸速率，KR是瑞利后向散射截面的相關系數，式(12)兩邊取對數得:

衰減系數αR可以由擬合數據曲線(L，ln PR)推得，同時，根據實驗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，瑞利噪聲可以在測量反斯托克斯后向散射時消除，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，由此使溫度測量的實際值可以更加接近于真實值。

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)。簡而言之，本算法可以對整個監測系統實現優化。

3 煤礦火災監測系統模擬實驗

為了驗證算法，在實驗室建立的煤礦巷道的物理模型中，進行溫度的實際測量，其系統結構圖如圖3所示。

由于反射光信號的強弱和注入光脈沖的強度有關［15］，注入光脈沖的強度越大，產生的反射信號的強度越大，就越有利于提取有用的溫度信號。因此，本系統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的感溫光纖并經過一個的拉曼波分復用。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檢測器進行檢測，然后利用一個高速的數據采集卡(DAQ)將模擬信號轉換為數字信號。收集到的數據以平均15 000次/s的速度傳送至電腦同時進行處理。這樣可以進一步縮短光脈沖的寬度，有效提高系統的空間分辨率。

圖3 煤礦火災溫度檢測預警系統結構圖

為了驗證算法的可行性，將實驗部分的光纖置于20℃和50℃的恒溫器中，并將其余部分的光纖置于常溫環境中。圖4展示了實驗部分傳感光纖的瑞利噪聲的擬合數據，圖5展示了沿著整條傳感光纖的瑞利噪聲的擬合數據。實驗結果表明瑞利噪聲占據了大約15%的信號光，符合利用隔離拉曼波分復用技術的計算結果。

圖4 實驗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

為了保證實驗結果的準確性，選擇參考溫度為并將實驗部分的傳感光纖置于5個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量誤差的比較結果如表1所示。

表1 瑞利噪聲消除之前與之后的測量誤差數據表

實驗結果表明，利用此算法后，瑞利噪聲已經被基本消除，系統的測量誤差能7%降低到不足2%，使整個溫度測量系統的可靠性以及測量精度能夠大大提高。此外，這是一個特定的瑞利噪聲檢測系統，盡管該算法在減小瑞利噪聲的影響時需要進行一定的計算，但我們僅僅需要計算最初在進行溫度測量時的瑞利噪聲，并不需要在隨后的測量時增加額外的測量時間，大大縮短了檢測時間，能使溫度監測更加及時、有效。

圖6 分布式光纖傳感器在100 min內的溫度變化

為了能夠準確地對隧道火災溫度進行實時監測，本文將隧道中的監測區域分為3個防火分區，每個分區長度為100 m，均勻分布10個分布式光纖傳感器，每個之間間隔10 m。3個防火分區共用一根分布式感溫光纖，在300 m范圍內形成30個監測點，并通過一根300 m長的傳輸光纜對隧道傳感系統進行監測。通過計算機對數據終端進行通信，用軟件實現數據處理并將各點的溫度數據錄入數據庫［3］。一旦溫度變化超過了設定值，系統會自動報警，采取自動降水等措施進行降溫，起到一定的防范作用。圖6給出從3個防火分區中分別取出1個分布式光纖傳感器在100 min內的溫度變化趨勢，每個數據點代表5 min內的溫度平均變化值。

從上面的曲線可以看出防火分區一和分區二的傳感器所在的位置溫度比較正常，即使防火分區一的溫度超過它的報警值，通過現場的自動控制裝置，能對其進行自動降溫處理，消除安全隱患。防火分區三的傳感器所在的位置溫度已經發生大幅度的變化，有的溫度已經大大超出了設定值，在這種情況下，報警系統會自動觸發，提醒工作人員采取緊急應對措施。

4 結論

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

(2)文章對拉曼分布式光纖測溫原理進行了詳細的介紹并設計了煤礦火災監測預警系統。在系統結構上，于激光器后設置光纖放大器，這樣做不僅提高了注入光功率、有利于提取溫度信號，更提高了整個系統的性能。

(3)煤礦火災監測預警系統模擬實驗，驗證了該算法的可行性，能夠滿足煤礦火災監測的要求。同時，能夠使工作人員及時掌握煤礦內各個區域的溫度分布情況，并準確及時地報警。

［1］梁運濤，羅海珠.中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢［J］.煤炭學報，2008(2):126-130.

［2］工彩萍，工偉峰，麗娜，等.煤自燃火災監測預警技術的研究現狀與發展［J］.陜西煤炭，2009(3):1-4.

［3］付華，蔡玲.光纖布拉格光柵傳感技術在煤礦火災監測中的應用［J］.傳感技術學報，2011，24(5):1-5.

［4］付華，謝森，徐耀松，等.光纖布拉格光柵傳感技術在隧道火災檢測中的應用研究［J］.傳感技術學報，2013，26(1):133-137

［5］鄭曉亮，郭兆坤，謝鴻志，等.基于分布式光纖傳感技術的凍結溫度場監測系統［J］.煤炭科學技術，2009(1):18-21.

［6］陳濤.光纖傳感技術在隧道火災監測中的應用研究［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［7］韓遠紅，朱翔宇.分布式光纖測溫系統在煤礦火災預警中的應用［J］太原科技，2007，165(10):91-92.

［8］張在宣，金尚忠，土劍鋒，等.分布式光纖拉曼光子溫度傳感器的研究進展［J］.中國激光，2010(11):2749-2761.

［9］劉揚，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系的分析研究［J］.電子設計工程，2009(1):23-25.

［10］宋牟平，鮑種，裘超.結合布里淵光時域分析和光時域反射計的分布式光纖傳感器［J］.光學學報，2010，30(3):650-654.

［11］土艷玲，土宏志，李玲.一種基于雙譜的圖像噪聲去除方法［J］.長春工業大學學報，2005，26(2):114-116

［12］黎敏，廖延彪.光纖傳感器及其應用技術［M］.武漢:武漢大學出版社，2008:1-2

［13］徐子衍.分布式拉曼光纖溫度傳感系統的研究［D］.武漢:華中科技大學光電子科學與工程學院，2009:4-5

［14］童治，魏淮，簡水生.光纖拉曼放大器噪聲特性研究［J］.光通信研究，2001，105(3):59-62

［15］Cao Chunyan，Yao Qiong，Rao Wei et al.，Linewidth Measurement Using Unbalanced Fiber-Optic Interferometer for Narrow Linewidth Lasers［J］.Chinese J Lasers，2011，38(5):0508005

單亞鋒(1968-)，男，副教授，遼寧阜新人，遼寧工程技術大學碩士研究生導師，1991年畢業于哈爾濱建筑工程學院電氣自動化專業。多年來一直工作在科研和教學第一線，近年來發表論文10余篇，參編教材2部，主持承擔科研課題多項。主要研究方向為檢測技術及其應用;

馬艷娟(1989-)女，遼寧阜新人，遼寧工程技術大學電氣控制工程學院，碩士研究生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置，550646830@qq.com;

付華(1962-)，女，遼寧阜新人，教授，博士生導師，博士(后)，主要研究方向為煤礦瓦斯檢測、智能檢測和數據融合技術方面的研究。支持國家自然科學基金2項、支持及參與國家863和省部級項目30余項，發表學術論文40余篇，申請專利24項。

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

SHAN Yafeng1，MA Yanjuan2，FU Hua2*，LI Wenjuan2，WANG Canxiang2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 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

項目來源:國家自然科學基金項目(51274118，70971059);遼寧省科技攻關基金項目(2011229011);遼寧省教育廳基金項目(L2012119)

2013-12-08

2014-04-17