基于半導(dǎo)體激光器的光纖光柵隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

緱 龍

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

?

基于半導(dǎo)體激光器的光纖光柵隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

緱 龍

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

針對(duì)光纖光柵隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，研究了光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的原理與存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種新型波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，提高了光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)范圍和空間分辨力，進(jìn)而改進(jìn)隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，使光纖光柵隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)更好的為公路隧道的安全運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

隧道，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，光纖光柵，半導(dǎo)體激光器

0 引言

光纖傳感技術(shù)誕生于1977年，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)，發(fā)展至今，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要指標(biāo)[1-3]。從杭州物聯(lián)網(wǎng)暨傳感技術(shù)應(yīng)用論壇了解到，光纖傳感技術(shù)已廣泛用于交通運(yùn)輸、軍事國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源、環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)。

公路隧道的長(zhǎng)管狀特殊空間造成隧道內(nèi)空氣污染嚴(yán)重、洞內(nèi)外亮度懸殊、空間狹小和隧道內(nèi)火災(zāi)消防困難等問(wèn)題，給公路的正常交通運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，尤其是隧道火災(zāi)。公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)環(huán)境溫度，進(jìn)而快速、可靠的進(jìn)行火災(zāi)情況報(bào)警。相比于傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，基于光纖光柵的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4],易于布設(shè)成傳感網(wǎng)絡(luò)。因此基于光纖光柵傳感技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已大量應(yīng)用于公路隧道火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[5,6]。

1 光纖光柵隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

1.1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵傳感器是一段纖芯折射率在軸向被周期性調(diào)制的光纖，原理如圖1所示，這是一種一維光柵，有兩個(gè)主要參數(shù)，即折射率增量和周期。當(dāng)光柵周期等于入射光波長(zhǎng)的一半時(shí)，光纖光柵的入射基膜與反射基膜相耦合，具有波長(zhǎng)選擇反射功能。

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光纖光柵纖芯的有效折射率[7]；Λ——光纖光柵的周期。

光纖光柵的透射光束被帶阻濾掉，當(dāng)光纖光柵外界溫度變化時(shí)，光纖光柵纖芯的有效折射率發(fā)生變化，即光柵的反射波長(zhǎng)隨之發(fā)生改變；當(dāng)光纖光柵發(fā)生應(yīng)變時(shí)，光纖光柵的周期發(fā)生變化，即光柵的反射波長(zhǎng)隨之發(fā)生變化。

光纖光柵傳感器加上入射寬譜光源和光柵反射光束波長(zhǎng)解調(diào)裝置構(gòu)成光纖光柵傳感系統(tǒng)。多數(shù)入射寬譜光源與解調(diào)裝置的解調(diào)光源為同一光源，即光纖光柵傳感系統(tǒng)由光纖光柵傳感器與光纖光柵解調(diào)儀構(gòu)成。

1.2 隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

在隧道內(nèi)布設(shè)光纖光柵溫度傳感器，利用光纖光柵傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量隧道內(nèi)布設(shè)點(diǎn)的溫度。利用光纖的空間復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)光纖光柵傳感器，構(gòu)成光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的信息。同理，在隧道內(nèi)沿隧道軸線方向光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)溫度值。監(jiān)測(cè)范圍與測(cè)量點(diǎn)密度受光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的光纖光柵傳感器點(diǎn)數(shù)限制，見(jiàn)式(2)：

L=d×n

(2)

式中：L——檢測(cè)范圍，即隧道內(nèi)測(cè)量長(zhǎng)度；d——相鄰兩個(gè)光纖光柵溫度傳感器的間距，表示測(cè)量點(diǎn)的密度；

n——光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)布設(shè)光纖光柵溫度傳感器的點(diǎn)數(shù)。若隧道長(zhǎng)度大于傳感網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)范圍，就需要布設(shè)多個(gè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。

在隧道內(nèi)，連續(xù)布設(shè)多個(gè)光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)隧道，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)隧道內(nèi)的溫度。再將多個(gè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度值上傳到隧道火災(zāi)報(bào)警主機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道內(nèi)溫度的檢測(cè)和火災(zāi)報(bào)警。

2 基于新型波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的光纖光柵傳感系統(tǒng)

2.1 平行光柵對(duì)作用

一束多波長(zhǎng)組分的平行光入射到平行光柵對(duì)結(jié)構(gòu)的第一塊光柵上，如圖2所示，光柵的色散方程為：

mλ=d(sinα+sinβ)

(3)

衍射級(jí)m取1，入射光束兩次經(jīng)過(guò)光柵，由式(3)可知，經(jīng)過(guò)平行光柵對(duì)的入射光束的入射角與出射角相同，即平行光柵對(duì)的出射光束的方向與入射光束相同。

光學(xué)中光路是可逆的，因此，平行光柵對(duì)可以將波長(zhǎng)不同，間距特定的一束平行光進(jìn)行合束。

2.2 新型波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

本文涉及一種新型波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，該結(jié)構(gòu)基于平行光柵對(duì)構(gòu)成光譜組束外腔，對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧，具體原理如圖3所示。

所述準(zhǔn)直鏡、平行光柵對(duì)、部分反饋鏡構(gòu)成反饋外腔，其中部分反饋鏡反饋一部分光回到半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定。所述平行光柵對(duì)與光學(xué)狹縫構(gòu)成波長(zhǎng)兩級(jí)調(diào)諧，平行光柵對(duì)實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，光學(xué)狹縫實(shí)現(xiàn)精調(diào)。所述平行光柵對(duì)繞各自中心點(diǎn)同步旋轉(zhuǎn)，從第一個(gè)光柵出射的光束方向改變，而從第二個(gè)光柵出射的光束與第一個(gè)光柵入射光束方向平行，只是對(duì)固定波長(zhǎng)的光束，空間位置改變，連續(xù)旋轉(zhuǎn)平行光柵對(duì)，第二個(gè)光柵后的光束沿一個(gè)方向平移實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)粗調(diào)。所述光學(xué)狹縫可以垂直光束傳播方向平移，狹縫選擇特定波長(zhǎng)的光束在入射到部分反饋鏡上，進(jìn)一步使特定波長(zhǎng)的光束反饋到半導(dǎo)體激光器起振，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的精度調(diào)諧。所述的光學(xué)狹縫的狹縫寬度可以改變，可以選擇能形成波長(zhǎng)鎖定的光束的線寬，實(shí)現(xiàn)輸出光束的線寬可調(diào)諧。該半導(dǎo)體激光器基于光譜組束外腔的半導(dǎo)體激光器，通過(guò)平行光柵對(duì)的粗步調(diào)諧和光學(xué)狹縫的精調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光波長(zhǎng)的高精度調(diào)諧。

本文所述半導(dǎo)體激光器通過(guò)基于平行光柵對(duì)構(gòu)成光譜組束外腔實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧，具有調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧精度高、連續(xù)調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。將該波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，作為傳感系統(tǒng)的解調(diào)光源，可以提高光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)里傳感器的布設(shè)點(diǎn)數(shù)，增大光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量范圍與測(cè)量點(diǎn)密度。

3 結(jié)語(yǔ)

光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)可以快速、可靠的實(shí)現(xiàn)公路隧道內(nèi)火災(zāi)消防報(bào)警，有效保證人們的行車(chē)安全與隧道運(yùn)營(yíng)安全。本文介紹了一種應(yīng)用于光纖光柵傳感系統(tǒng)的新型波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可以提高波長(zhǎng)調(diào)諧范圍與調(diào)諧精度，使光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可以布設(shè)更多的傳感器點(diǎn)數(shù)，即提高整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)范圍或檢測(cè)范圍不變提高空間分辨力。本文所述光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于隧道消防可以提高單個(gè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在隧道內(nèi)的檢測(cè)范圍，降低整個(gè)隧道需求的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，降低成本；同時(shí)，在隧道內(nèi)檢測(cè)范圍不變時(shí)，可以提高隧道內(nèi)兩個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的間距，增大整個(gè)隧道內(nèi)溫度檢測(cè)的空間分辨力。

[1] 趙德正，舒乃秋，張志立，等．基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的GIS觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44(4)：136-139．

[2] 鄭德琳．光纖光柵地震檢波器解調(diào)技術(shù)研究[D]．西安：西安石油大學(xué)，2012．

[3] 張自嘉．光纖光柵理論基礎(chǔ)與傳感技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2009：109-110．

[4] 時(shí)德鋼，劉 曄，鄒建龍，等．光纖傳感技術(shù)的軍事應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2002(9)：36-39．

[5] 程 偉.基于光纖光柵的公路隧道火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]．哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2012.

[6] 鄭云橋.光纖光柵高速公路火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2009.

[7] 馬永杰．光纖光柵傳感器解調(diào)技術(shù)研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2007．

[8] 劉長(zhǎng)軍．光纖布喇格光柵切趾特性及自致啁啾效應(yīng)研究[D]．天津：南開(kāi)大學(xué)，2008.

The FBG tunnel fire alarm system based on semiconductor laser

Gou Long

(Shanxi Transportation Science Research Institute, Taiyuan 030006, China)

In view of the FBG tunnel fire alarm system, this paper studies the principle of Fiber Bragg Grating temperature sensing network and the existing problems. So we design a new type of wavelength tunable semiconductor laser, increasing the Fiber Bragg Grating temperature measuring range and spatial resolution. This study can increase a single Fiber Bragg Grating temperature sensing network detection range and spatial resolution. The study in this paper can be better for the safety of highway tunnel operation.

tunnel, fire alarm system, FBG, semiconductor laser

1009-6825(2017)16-0180-02

2017-03-25

緱 龍(1988- )，男，碩士，助理工程師

U458

A