分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)在火災監(jiān)測中的應用

郝立鋼

摘 要：本文所研究的分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)的測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，通過斯托克斯光對反斯托克斯光解調(diào)的方法對光纖沿線的溫度進行監(jiān)測。

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：TN25-39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0154-02

隨著我國科學技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通信技術(shù)也被廣泛地應用到社會的各個領(lǐng)域之中，人們對光纖技術(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）和光時域反射（OTDR）技術(shù)，測量出光纖沿線不同位置點上溫度。

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，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)點使得其特別適用于易燃易爆以及一些電磁干擾較強的特殊環(huán)境之中。總的來說，光纖傳感技術(shù)主要有以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）高靈敏度，抗電磁干擾。

（2）光纖本身具有較好的柔韌性，可以適應各種檢測需要。

（3）傳輸速度較快，耗能低。

（4）測量結(jié)果比較準確，動態(tài)響應的范圍也大。

（5）可移植性比較強，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，方便計算機與光纖系統(tǒng)連接，有利于對系統(tǒng)的遙測和控制。

1 拉曼散射原理

拉曼散射又稱拉曼效應，是由印度物理學家拉曼在1928年發(fā)現(xiàn)的。拉曼效應其實就是散射現(xiàn)象中的一種特殊效應，是光在介質(zhì)傳播中產(chǎn)生的，當光照射在物質(zhì)上時，會發(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)光波長相同，后者的散射光既有比激發(fā)光波長的光，也有比其短的光，這些散射光被統(tǒng)稱為拉曼散射。

拉曼散射的運動方程表示為：++=

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

2 分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)的光源產(chǎn)生脈沖光，光纖放大器對弱光信號進行放大，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)過光纖通道進入到耦合器，耦合到傳輸通道，通過波分復用器分離出斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，然后分別進入到光電檢測器進行光電信號的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過放大器放大后，送到數(shù)據(jù)采集卡對溫度信號進行采集，并將采集到的信號送入計算機進行處理。

3 光纖溫度檢測系統(tǒng)的信號提取

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

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

<∞

此時，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，對不同的頻率成分，在時域上的取樣步長為，是可調(diào)的，高頻者（對應小的m值）采樣步長大。也就是說，小波變換能實現(xiàn)了窗口的大小固定，形狀可變的時頻局部化。

4 分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)在設(shè)計的時候結(jié)合了LabVIEW平臺設(shè)計，這種結(jié)合能夠使該系統(tǒng)具有實時監(jiān)測光纖沿線溫度變化情況的功能，若是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)溫度過高的情況時，就會觸發(fā)報警系統(tǒng)。除此之外，該系統(tǒng)還能夠計算出溫度異常可能導致火災的概率，并計算出火災點的位置，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)測系統(tǒng)的工作流程包括以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）該系統(tǒng)最重要的是信號的采集與處理部分，其工作原理如下：在系統(tǒng)檢測到光纖沿線的溫度情況后，會利用波分復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)由光電探測器將拉曼散射光的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，電信號經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換后會被傳輸?shù)接嬎銠C上，采集的信號經(jīng)過計算機處理后會將數(shù)據(jù)存儲在計算機硬盤上。

（2）計算機在收到采集的信息后，會對信息進行特殊的處理，這種處理的最主要目的是檢測光纖沿線是否出現(xiàn)溫度過高的問題，若是出現(xiàn)此類情況，則會觸發(fā)消防系統(tǒng)，以免火災發(fā)生。

（3）若是光纖沿線的溫度沒有達到引起火災發(fā)生的溫度時，檢測系統(tǒng)會將其設(shè)置為正常運行狀態(tài)，并繼續(xù)對其進行實時監(jiān)測，如果光線沿線某個位置的溫度過于異常，可能會導致火災的發(fā)生，這時檢測系統(tǒng)會將其設(shè)置為非正常運行狀態(tài)，立刻觸發(fā)聲光報警系統(tǒng)，并對異常點進行定位。

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)達國家已經(jīng)將光纖技術(shù)廣泛應用在工業(yè)、軍事、交通運輸?shù)雀鱾€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)達國家相比起步較晚，但是對其非常重視。目前，我國已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)列為國家重點研究項目，國內(nèi)許多高等學校、科研機構(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

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[3] 蒙明朝，劉穎.火災報警中的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計[J].消防科學與技術(shù)，2003（3）：226-229.endprint