基于拉曼散射的分布式光纤定温与差温探测方法

费 芹，秦 俊

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

人类十分重视火灾的监测。过高的温度和过快的温升速率往往是火灾发生的重要特征。传统的感温探测器就是利用火灾这一特性进行火灾预警，但感温探测器布置安装较为复杂，在发生火灾预警时要准确找到预警的位置也比较耗时。

基于拉曼散射的分布式光纤测温技术弥补了感温探测器的不足，它不仅可以实现对温度的实时监测，而且可以实现对异常温度及温升速率进行预警和准确定位。分布式光纤测温系统布线简单，适用于长距离及大空间的火灾监测，测温系统不受电磁干扰，使得它的适用场所更加广泛［1］。目前，分布式光纤测温系统已经成功运用于隧道、大坝、电缆等处的火灾监测［2，3］。

1 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统工作原理

1.1 基于拉曼散射的光纤测温原理

光在光纤中传播，由于光子与介质中的固体分子发生非弹性碰撞，会产生拉曼散射现象［1］。拉曼散射光中含有stokes散射光和anti－stokes散射光。stokes散射光和anti－stokes散射光都对温度敏感，利用它们可以解调出温度信息。

当激光器向光纤中注入激光后，后向散射的stokes和anti－stokes光强与温度存在以下关系［4］：

式中：h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，T 绝对温度值，λas、λs分别为anti－stokes和stokes光的中心波长。

室温条件下掺锗光纤中anti－stokes光对温度敏度约为0.8%／K，而stokes对温度的灵敏度只有约0.1%／K［4］，但为了提高系统的稳定性，我们用stokes光作为参考信号来解调温度［5］：

图1为R（T）与温度的关系曲线图。从图1中可以看出，在0℃～120℃范围内温度与R（T）近似线性关系。所以在0℃～120℃范围内可认为［6］：

式中：k与m为常量。

图1 R（T）与温度的关系Fig.1 Relationship between R（T）and temperature

将采集得到的信号与对应的温度进行线性拟合，求得k与m的值，即可得到温度与R（T）之间的关系，解调出温度信号。

1.2 基于光时域技术的空间定位［7］

光在光纤中的散射是各向同性的，激光器的注入光在光纤中发生散射时，部分光会沿着原路返回，此时测得返回的光信号在光纤中往返所用时间τ，即可计算出该点的位置X：

式中：c为真空中的光速，n为光纤的折射率。

1.3 分布式光纤测温系统的构成

分布式光纤测温系统由脉冲激光器、雪崩二极管（ADP）、光纤、波分复用器（WDM）、采集卡、计算机等硬件设备构成。其基本结构见图2。激光器以一定频率发射一个光脉冲，该脉冲光通过WDM耦合进入光纤，在光纤中传播时会发生散射。后向散射光经过 WDM分光滤出anti－stokes光和stokes光，将得到的两路光信号通过ADP转换成电信号，再利用采集卡采集此电信号，最后将得到的信号传入计算机进行进一步处理得出温度信号。

2 分布式光纤测温系统性能测试

系统空间分辨率主要受到激光脉冲宽度、ADP响应时间及采集卡采样频率三者的影响［8］，空间分辨率取决于三者影响最大者，即：

图2 分布式光纤测温系统结构图Fig.2 Distributed fiber optic temperature sensor system structure diagram

式中，∂L为系统的空间分辨率，∂L1、∂L2、∂L3分别为激光器、ADP及采集卡决定的空间分辨率，v为光纤中激光的传播速度，Δt、τ、f分别为激光脉冲宽度、ADP响应时间及采集采样频率。

选取激光器的中心脉宽为10ns，虽然减小激光器脉冲宽度可以增加系统空间分辨率，但会使耦合进光纤的能量减小，导致后向拉曼散射信号减弱。选取AD采集卡采样频率为100MHz，ADP选用InGaAs型，其响应时间典型值为0.3ns。根据式（6）计算得，系统空间分辨率为1m。

测温精度主要受到双通道不等衰减、接收机噪声、A／D转换、标定精度的影响［9］。通过对两路信号进行衰减补偿、累加及小波去噪、采用高采样位数的采集卡及温度精度为0.1℃的水槽进行温度标定等方法提高系统的测温精度，使系统测温精度达到1℃。

系统选用性能良好的光纤激光器作为脉冲光源，在长时间的使用后其中心波长及输出功率仍保持不变，使系统具有较高的稳定性。

对系统的测温性能进行测试，取测温光纤第270m到295m段放入78℃的水槽中，图3为光纤距离为200m到400m的温度曲线图，可见系统性能良好，测温精度达到1℃，空间分辨率达到1m，具有良好的稳定性。

3 定温预警与差温预警实验

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统除了测温这一基本功能外，还可以实现定温火灾预警和差温火灾预警功能。

图3 光纤温度曲线Fig.3 The curve of optical fiber temperature

参照感温探测器的预警温度，设置本系统的定温预警温度54℃，并参照差温探测器的预警温升速率，设置本系统差温预警温升速率为8℃／min。

为了对两种报警方式进行测试，用0.5m×0.5m的油池火作为模拟火源进行实验，火源功率约为0.45MW。将一段测温光纤布置于建筑物顶部，在光纤长度X＝10m处的正下方距光纤h处点燃油池火，考虑到建筑物高度一般不小于3m，所以h取值从3m～13m，每隔1m取一个值。点燃油池火后系统测得的温度不断升高，达到最高温度时记录测温光纤1m～20m段的温度曲线，结果如图4所示。

图4 不同火源位置光纤达到的最高温度Fig.4 Highest temperature of optic fiber with different fire positions

从图4中可知不同高度的火源作用下，光纤都在X＝10m处达到该段光纤的最高温度，这是由于第10m处的光纤位于火源正上方，距离火源最近，在无风条件下，烟气垂直向上蔓延，最先达到10m处的光纤测点，所以测得的温度也最高。不同火源位置在X＝10m处测得的最高温度值见表1，可见随着h的增加，测得的最高温度不断降低，这是因为热烟气层在上升过程中不断向四周扩散，当h较小时，热烟气层很快到达光纤处，向四周扩散的烟气较少，到达顶棚处的烟气较为集中，此时光纤测得的温度也较高，而h较大时，热烟气扩散导致在顶棚下方热量散失较多，所以光纤测得的最高温度也大大降低。

表1 各火源位置在X＝10m处达到的最高温度Table 1 Highest temperature of X＝10m with different fire positions

在无风条件下，烟气层向各个方向扩散的速率相同，所以图4中不同高度h光纤温度都是在X＝10m处向两边呈对称分布，并且随着火源与光纤距离h的增加，光纤沿线温度变化趋于平缓，这是由于高度较大时，上升过程中烟气向四周扩散的同时也向上运动，将一部分热量带到了距离中心火源较远的光纤测点，使顶棚处烟气热量分布更加均匀，但光纤温度在X＝10m处向两边仍呈下降分布，可见扩散烟气的较多热量损失在顶棚下方，只有少部分到达顶棚处，所以火源与光纤的高度差对定温预警影响较大。当h大于7m时系统测得的最高温度已经低于设置的定温报警温度，定温预警失效。

利用定温和差温两种预警方式对不同高度处的火源进行预警，分别记录两种预警方式的最小响应时间及发生预警的测点，其结果见表2。

表2显示，火源高度小于等于6m时，差温预警的最小响应时间都是12s，高度大于6m后响应时间随高度h的增加而增加，这是因为差温预警响应时间主要由系统响应时间即系统对信号的采集处理所需的时间和达到预警温升速率所用时间共同决定。火源高度小于等于6m时，热烟气很快到达顶棚且光纤所受热辐射也较强，测温光纤达到预警温升速率所用时间小于系统响应时间，所以差温预警最小响应时间由系统响应时间决定。当火源高度大于6m后，差温预警时间主要由到达预警温升速率所用时间决定，随着高度差的增大，烟气上升所用的时间增加，烟气热量散失导致温升速率降低，所以差温预警响应增加。

表2 预警响应时间及预警测点Table 2 Warning response time and warning points

定温预警响应时间一直随着高度h的增加而增加。可见系统响应时间对定温预警响应时间影响不大，其响应时间主要由达到预警温度所用时间决定，而随着高度h的增加，顶棚处获得的热量不断减小，所以达到预警温度所需时间不断增加。

对于同一火源高度，差温预警响应时间远小于定温预警响应时间，这是因为热烟气层达到顶棚时很快使测温光纤获得较大的温升速率，而烟气需在顶棚聚集使顶棚持续升温直至温度达到设置的预警温度才会发生定温预警，所以定温预警时间远大于差温预警时间。

火源与光纤高度差超过6m时，虽然顶棚处温度无法达到定温预警温度，但温升速率仍然可以达到差温预警的预警阈值，所以h超过6m时定温预警失效，但差温预警仍能对火源做出响应，其最大响应高度达到12m。

试验时，发生预警的测点在X＝10m两边呈对称分布。由表2可知，两种预警响应的测点个数都是随高度差的增大而减小，这是由于当高度差较小时，烟气迅速达到顶棚，并在顶棚处发生射流，到达各测点的热量比较集中，各测点温度迅速升高。此外，高度差较小，火源对顶棚的热辐射更强，所以较多测点均可达到定温及差温预警的预警阈值，但高度差较大时，烟气热量在顶棚下方散失较多，顶棚处的温度分布也较为均匀，较少测点可以达到定温预警的响应温度，同时顶棚射流造成的温升也不足以使较远测点达到差温预警阈值。

对于同一火源高度，差温预警响应测点远多于定温预警，因为系统探测到最大温升速率达到预警阈值时，就会发处差温预警，对于距离火源较远的测点，虽然获得较大温升速率，但温度不会一直升高，最高温度不能达到定温预警温度。

4 结论

1.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统可以很好的对温度进行实时监控及火灾预警。以0.5m×0.5m的油池火作为模拟火源，设置定温预警响应温度为58℃，差温预警响应温升速率为8℃／min，当建筑物高度不超过6m时，定温预警可对火源做出响应，建筑物高度不超过12m时，差温预警可对火源做出响应。

2.对于同一火源，差温预警相对于定温预警响应时间更短，能够更快的对火源做出预警，且差温预警响应的测点更多，对火源的探测范围也更广，所以分布式光纤测温系统在建筑物火灾探测中，差温预警相对于定温预警具有更高的探测效率，更低的漏报率。

3.随着火源与顶棚高度差的减小，定温及差温预警响应时间都呈减小趋势，即火源距光纤越近，火灾预警时间越短，所以在高度较低的建筑物火灾探测中，分布式光纤测温系统可以更及时的进行火灾预警，但预警时间不会小于系统的最小响应时间。

4.两种预警方式探测范围都随建筑物高度的增加而减小，所以分布式光纤测温系统在实际的安装中，要根据现场情况考虑光纤布置的间距，感温光纤的布置间距要随建筑物高度的增加而减小，确保光纤间距小于该高度下的最大探测范围。

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