分布式光纖溫度傳感技術(shù)在無(wú)人艦艇自動(dòng)滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用

仵 陽(yáng)，米 鵬，王逸鳴，馬百雪，陳自健

上海電控研究所，上海 200092

0 引言

無(wú)人艇是一種具有自主規(guī)劃、自主航行能力，并可自主完成環(huán)境感知、目標(biāo)探測(cè)等任務(wù)的小型水面平臺(tái)。該艇可在危險(xiǎn)區(qū)域獨(dú)立自主執(zhí)行任務(wù)，具有良好的費(fèi)效比，有效保障了人員的生命安全。輪機(jī)艙作為艇上重要艙室部位，裝載燃油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等附屬設(shè)備，為無(wú)人艇提供相應(yīng)動(dòng)力。但由于其內(nèi)部空間狹小且長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，增大了輪機(jī)艙室發(fā)生火災(zāi)的概率，造成航行安全隱患[1-2]。

自動(dòng)滅火裝置作為無(wú)人艦艇滅火防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能指標(biāo)與可靠性將直接影響艦船的生存力與戰(zhàn)斗力。目前，無(wú)人艦艇通常設(shè)置煙感滅火系統(tǒng)，但由于煙感產(chǎn)品的防潮性能較低，對(duì)環(huán)境的濕度要求較高，同時(shí)該類產(chǎn)品密封性能較差，灰塵或蚊蟲誤入容易產(chǎn)生誤報(bào)警，而且風(fēng)速變化可能影響該系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果。無(wú)人艇作為一種高速艦船，使用煙感滅火系統(tǒng)具有一定的安全隱患。

分布式光纖溫度傳感器作為一種新型傳感器，相對(duì)傳統(tǒng)傳感器具有質(zhì)量輕、體積小，靈敏度高、分辨率高，耐腐蝕、耐高溫低溫性能好，抗電磁干擾，能組建大規(guī)模分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于車載、艦載滅火防護(hù)領(lǐng)域[3]。

文章主要對(duì)分布式光纖溫度傳感器在無(wú)人艦船滅火防護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，探討基于分布式光纖溫度傳感器建設(shè)的無(wú)人艦船滅火防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分布式光纖溫度傳感技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容。

1 分布式光纖溫度傳感器的基本原理

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖1中，脈沖激光器通過(guò)波分復(fù)用器向光纖內(nèi)注入一定能量的波長(zhǎng)1 550 nm脈沖光，脈沖光在光纖內(nèi)傳播時(shí)光子與光纖中的某些粒子相互作用引起散射光，產(chǎn)生后向拉曼散射光信號(hào)，即斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光。波長(zhǎng)大于入射光為斯托克斯光，即1 660 nm光，波長(zhǎng)小于入射光為反斯托克斯光，即1 450 nm光，其中反斯托克斯光強(qiáng)度具有對(duì)環(huán)境溫度敏感性的特點(diǎn)。后向拉曼散射光反向傳輸至接收端，通過(guò)波分復(fù)用（WDM）濾波獲取兩路后向拉曼散射光，經(jīng)光電探測(cè)模塊APD轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由處理模塊進(jìn)行信號(hào)采集及處理，解算得到光纖沿路各位置的溫度。根據(jù)后向拉曼散射光到達(dá)光接收端的時(shí)間，可以推算出后向拉曼散射光產(chǎn)生的位置，實(shí)現(xiàn)光纖沿路的溫度測(cè)量和位置確定，從而獲得光纖沿路溫度場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感。

圖1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)框圖

2 無(wú)人艇光纖分布式自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)人氣墊艇輪機(jī)艙高溫、潮濕的工作環(huán)境，以及氣墊艇在高速航行狀態(tài)下艙內(nèi)環(huán)境風(fēng)速變化導(dǎo)致傳感器誤報(bào)的問題，選用耐高溫的鍍膜多模光纖作為測(cè)溫部件，其可適應(yīng)高溫、高濕、輻射、浸水等嚴(yán)酷環(huán)境和艙室布設(shè)需要。耐高溫線式光纖火焰感受器一端通過(guò)FC接頭與滅火控制盒連接，另一端光纖尾部將纖芯插入灌滿特殊膠的不銹鋼管中，固定尾部的同時(shí)增強(qiáng)尾部吸光，可有效保證測(cè)溫過(guò)程的高可靠性和高穩(wěn)定性。

無(wú)人艇光纖分布式自動(dòng)滅火系統(tǒng)布局如圖2所示。無(wú)人艇光纖分布式自動(dòng)滅火系統(tǒng)包括1條耐高溫火焰光纖感受器、2個(gè)滅火瓶、1套滅火管路、4個(gè)噴頭、1套電源電纜、1個(gè)滅火控制盒。其中，滅火控制盒由電源板、光發(fā)射模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理板和外殼組成。同時(shí)，滅火控制盒采用基于光纖溫度探測(cè)技術(shù)的新設(shè)計(jì)，主要作用是采集傳感光纖信號(hào)，解調(diào)沿傳感光纖分布的溫度，判斷火警信息，包含激光器、參考光纖、光電探測(cè)器、WDM、信號(hào)采集處理板和電源。激光器采用波長(zhǎng)為1 550 nm、脈寬為1 ns的脈沖光纖激光器，重復(fù)頻率為20 kHz，峰值功率為50 W，輸出脈沖激光至傳感光纖；光電探測(cè)器采用響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為1 100～1 700 nm的銦鎵砷雪崩二極管（InGaAs-APD）作為光電轉(zhuǎn)換器件，多級(jí)低噪放大，并采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；波分復(fù)用器采用介質(zhì)薄膜濾波型1×3的特殊設(shè)計(jì)，能夠有效分離出兩路拉曼散射波長(zhǎng)；信號(hào)處理板采用ZYNQ-7000作為主控制芯片，控制高速AD，獲取兩路散射光的有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波及溫度解算，提取沿光纖分布的溫度信息。耐高溫光纖探頭采用分段式結(jié)構(gòu)，包括光纖頭部、光纜（軟纖部分和硬纖部分）以及光纖尾部。

圖2 無(wú)人艇光纖分布式自動(dòng)滅火系統(tǒng)布局圖示

耐高溫探測(cè)光纜直接置于輪機(jī)艙探測(cè)環(huán)境，用于分布式感知環(huán)境溫度并產(chǎn)生溫度信號(hào)；滅火控制盒通過(guò)FC光纖接口與耐高溫探測(cè)光纜連接，以采集溫度信號(hào)；滅火控制盒可根據(jù)采集到的溫度信號(hào)判斷火情狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)滅火瓶驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)RS232總線實(shí)時(shí)向用戶裝置上報(bào)數(shù)據(jù)；滅火瓶驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)CAN總線與滅火控制盒連接，以響應(yīng)所述火情狀態(tài)并驅(qū)動(dòng)滅火瓶噴瓶；滅火管路作為滅火劑輸送通道，攜帶滅火噴頭，滅火噴頭對(duì)準(zhǔn)2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和1個(gè)蓄電池。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，滅火劑通過(guò)滅火管路從滅火噴頭處噴出快速熄滅輪機(jī)艙內(nèi)火災(zāi)。

2.2 分布式光纖火焰探測(cè)及滅火技術(shù)研究的主要內(nèi)容

滅火系統(tǒng)基于分布式光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)光纖沿路溫度場(chǎng)分布測(cè)量，通過(guò)溫度以判斷火情。基于分布式光纖溫度傳感器基本原理，獲取兩路后向拉曼散射光，經(jīng)光電探測(cè)模塊APD轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由處理模塊進(jìn)行信號(hào)采集及處理，解算得到光纖沿路各位置的溫度，根據(jù)后向拉曼散射光到達(dá)光接收端的時(shí)間，推算出后向拉曼散射光產(chǎn)生的位置，實(shí)現(xiàn)光纖沿路的溫度測(cè)量和位置確定，從而獲得光纖沿路溫度場(chǎng)分布，構(gòu)建動(dòng)力艙溫度場(chǎng)。根據(jù)不同部位正常工作環(huán)境溫度情況設(shè)定不同預(yù)警和火警溫度門限，可以在高溫導(dǎo)致明火出現(xiàn)前，提前干預(yù)，主動(dòng)防護(hù)，避免發(fā)生火災(zāi)；也可以在無(wú)人艇出現(xiàn)特殊情況發(fā)生火災(zāi)時(shí)，準(zhǔn)確判斷火情，定位火源位置，驅(qū)動(dòng)滅火瓶快速滅火，將火災(zāi)不報(bào)、誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)最小化。

根據(jù)軟件閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)判定，當(dāng)滿足滅火條件時(shí)，響應(yīng)艦載計(jì)算機(jī)發(fā)出的滅火指令，通過(guò)滅火瓶驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)滅火器對(duì)起火點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)滅火，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式測(cè)溫、判斷火情的功能，降低動(dòng)力艙火災(zāi)漏報(bào)、誤報(bào)概率。

從火焰探測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)和滅火技術(shù)方面進(jìn)行研究，分布式光纖火焰探測(cè)及滅火技術(shù)總體方案如圖3所示。

圖3 分布式光纖火焰探測(cè)及滅火技術(shù)總體方案圖

（1）溫度、火焰探測(cè)技術(shù)。由信號(hào)處理板給激光器一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)，控制激光器發(fā)出中心波長(zhǎng)為1 550 nm、頻率為20 kHz、脈寬為2 ns的光脈沖，光脈沖經(jīng)過(guò)光纖放大器進(jìn)行功率提升后，通過(guò)光纖拉曼WDM耦合進(jìn)耐高溫線式火焰感受器，在所述耐高溫線式光纖火焰感受器中傳輸?shù)耐瑫r(shí)，不斷產(chǎn)生后向散射光波，返回的后向散射光再經(jīng)光纖拉曼WDM濾波和分離后得到攜帶溫度信號(hào)的后向反斯托克斯拉曼散射光以及作為參考信號(hào)的后向斯托克斯拉曼散射光，進(jìn)而由光電轉(zhuǎn)換模塊將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大，由信號(hào)處理板的放大電路進(jìn)行再次放大，放大后的信號(hào)進(jìn)過(guò)高速AD芯片采樣后變換成數(shù)字信號(hào)，自此便完成了溫度信號(hào)的采集工作。信號(hào)采集完成后，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速信號(hào)的預(yù)處理工作，進(jìn)行濾波處理，存儲(chǔ)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，方便中央控制器（ARM）提取。根據(jù)拉曼散射原理，由ARM完成信號(hào)的處理，包括基準(zhǔn)提取、標(biāo)定參數(shù)提取、光強(qiáng)計(jì)算、溫度解算等，解算后的溫度信號(hào)數(shù)據(jù)包每隔2 s周期上報(bào)至艦載計(jì)算機(jī)，并且由所述耐高溫線式光纖火焰感受器中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間定位溫度信息所在位置。

斯托克斯拉曼背向散射光通量為

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量為

式中：Ks、Ka分別為光纖的斯托克斯拉曼散射截面相關(guān)系數(shù)和反斯托克斯拉曼散射截面相關(guān)系數(shù)；vs、va分別為斯托克斯拉曼散射光子頻率和反斯托克斯散射拉曼光子頻率；a0、as、aa為入射光、斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光在光纖中的平均傳播損耗系數(shù)；Rs(T)、Ra(T)為光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的粒子分布相關(guān)系數(shù)，是斯托克斯拉曼背向散射光與反斯托克斯拉曼背向散射光的溫度調(diào)制函數(shù)

反斯托克斯拉曼背向散射光與斯托克斯拉曼背向散射光的強(qiáng)度比I(T)為

式中：h為普朗克常數(shù)；Δv為拉曼聲子；k為波爾茲曼常數(shù)；T為開爾文絕對(duì)溫度。

若用T0定標(biāo)，則

簡(jiǎn)化后可得：

由拉曼背向散射光的強(qiáng)度比，可以得到光纖各段的溫度信息。

（2）控制技術(shù)。滅火控制軟件主要由兩部分構(gòu)成，一部分為Xilinx 7系芯片自帶的ARM硬核，實(shí)現(xiàn)軟件的中央控制處理功能模塊；另一部分主要由芯片上的可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)的可編程邏輯功能。中央控制處理功能主要負(fù)責(zé)軟件系統(tǒng)的主控，可編程邏輯功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波和驅(qū)動(dòng)激光器生成脈沖光。

從系統(tǒng)軟件架構(gòu)搭建、系統(tǒng)控制流程和防虛警算法方面研究控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可自動(dòng)探測(cè)無(wú)人艇輪機(jī)艙火情并發(fā)出火警信號(hào)，自動(dòng)控制滅火瓶噴出滅火劑，及時(shí)熄滅火災(zāi)的功能。

（3）滅火技術(shù)。一方面，滅火控制盒依據(jù)所采集的溫度信息判斷火情、定位著火位置，當(dāng)溫度信號(hào)高于火警閾值時(shí)，由滅火控制盒向艦載計(jì)算機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，艦載計(jì)算機(jī)接收到警報(bào)后發(fā)送制動(dòng)指令使無(wú)人氣墊艇的行駛速度減速至允許范圍，再對(duì)滅火控制盒發(fā)送命令，驅(qū)動(dòng)1211滅火瓶噴射滅火劑，滅火劑經(jīng)滅火管路到達(dá)火警所在位置，撲滅火源；另一方面，滅火控制盒將光纖火焰感受器沿線的溫度信號(hào)每隔2 s周期性通過(guò)艦載計(jì)算機(jī)上報(bào)無(wú)人艇監(jiān)控后臺(tái)，后臺(tái)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)時(shí)，可通過(guò)無(wú)人氣墊艇艦載計(jì)算機(jī)向滅火控制盒發(fā)送指令，遠(yuǎn)程干預(yù)，驅(qū)動(dòng)1211滅火瓶噴射滅火劑來(lái)?yè)錅缁鹪矗瑢?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程滅火控制。

3 無(wú)人艇自動(dòng)滅火系統(tǒng)主要技術(shù)性能及作戰(zhàn)效能

基于分布式光纖火焰探測(cè)及滅火技術(shù)研制出的無(wú)人艇自動(dòng)滅火系統(tǒng)，可自動(dòng)探測(cè)輪機(jī)艙火情并發(fā)出火警信號(hào)，自動(dòng)控制滅火瓶噴出滅火劑，及時(shí)熄滅輪機(jī)艙火災(zāi)，有效保護(hù)艦艇在作戰(zhàn)任務(wù)中的安全。

耐高溫光纖探頭直接置于探測(cè)環(huán)境，分布式感知環(huán)境溫度并產(chǎn)生溫度信號(hào)；滅火控制盒通過(guò)光纖接口與耐高溫光纖探頭連接，以采集溫度信號(hào)；滅火控制盒根據(jù)采集到的溫度信號(hào)判斷火情狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)滅火瓶，并實(shí)時(shí)向用戶裝置上報(bào)數(shù)據(jù)；滅火瓶通過(guò)線纜與滅火控制盒連接，以響應(yīng)滅火控制盒的驅(qū)動(dòng)信號(hào)執(zhí)行滅火。系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)情況如表1所示。

表1 主要技術(shù)性能指標(biāo)情況

4 結(jié)論與展望

基于分布式光纖溫度傳感器的艦船滅火防護(hù)系統(tǒng)能夠全天候、不間斷地實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)艦艇艙室內(nèi)光纖所覆蓋范圍內(nèi)各點(diǎn)溫度信息。同時(shí)，可在區(qū)域內(nèi)構(gòu)建溫度場(chǎng)，依據(jù)不同區(qū)域的熱噪聲背景，通過(guò)設(shè)置獨(dú)立的門限，實(shí)現(xiàn)溫度的區(qū)域化、網(wǎng)格化感知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度變化異常，提前主動(dòng)干預(yù)處理，將探測(cè)的無(wú)人艇輪機(jī)艙內(nèi)的火情信息及報(bào)警信息發(fā)送給外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)火焰預(yù)警和告警，并快速響應(yīng)外部設(shè)備發(fā)出的滅火指令，遠(yuǎn)程控制滅火瓶實(shí)施精準(zhǔn)滅火，有效保護(hù)無(wú)人艇的安全。此外，該系統(tǒng)可為艦船提供有效的獨(dú)立監(jiān)控措施，作為艦艇艙室裝備開展故障診斷的依據(jù)，也可用來(lái)確定艦船的維修計(jì)劃、改進(jìn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)提高艦船使用的安全可靠性具有重要的意義。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟和研發(fā)成本的不斷降低，基于分布式光纖溫度傳感器的自動(dòng)滅火技術(shù)將在艦船滅火防護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。