基于半导体激光器的光纤光栅隧道火灾报警系统

缑 龙

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)



基于半导体激光器的光纤光栅隧道火灾报警系统

缑 龙

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

针对光纤光栅隧道火灾报警系统，研究了光纤光栅温度传感网络的原理与存在的问题，在此基础上，设计出了一种新型波长可调谐半导体激光器，提高了光纤光栅温度传感网络的检测范围和空间分辨力，进而改进隧道火灾报警系统，使光纤光栅隧道火灾报警系统更好的为公路隧道的安全运营服务。

隧道，火灾报警系统，光纤光栅，半导体激光器

0 引言

光纤传感技术诞生于1977年，随着光通信技术的发展而发展起来，发展至今，光纤传感技术已经成为一个国家信息化程度的重要指标[1-3]。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于交通运输、军事国防、航天航空、工矿企业、能源、环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。

公路隧道的长管状特殊空间造成隧道内空气污染严重、洞内外亮度悬殊、空间狭小和隧道内火灾消防困难等问题，给公路的正常交通运营带来安全隐患，尤其是隧道火灾。公路隧道火灾报警系统可以实时监测隧道内环境温度，进而快速、可靠的进行火灾情况报警。相比于传统火灾探测报警系统，基于光纤光栅的火灾报警系统有灵敏度高、响应时间小、抗干扰能力强、可靠性好、结构简单等优点[4],易于布设成传感网络。因此基于光纤光栅传感技术的火灾报警系统已大量应用于公路隧道火灾探测报警系统[5,6]。

1 光纤光栅隧道火灾报警系统

1.1 光纤光栅传感技术原理

光纤光栅传感器是一段纤芯折射率在轴向被周期性调制的光纤，原理如图1所示，这是一种一维光栅，有两个主要参数，即折射率增量和周期。当光栅周期等于入射光波长的一半时，光纤光栅的入射基膜与反射基膜相耦合，具有波长选择反射功能。

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff——光纤光栅纤芯的有效折射率[7]；Λ——光纤光栅的周期。

光纤光栅的透射光束被带阻滤掉，当光纤光栅外界温度变化时，光纤光栅纤芯的有效折射率发生变化，即光栅的反射波长随之发生改变；当光纤光栅发生应变时，光纤光栅的周期发生变化，即光栅的反射波长随之发生变化。

光纤光栅传感器加上入射宽谱光源和光栅反射光束波长解调装置构成光纤光栅传感系统。多数入射宽谱光源与解调装置的解调光源为同一光源，即光纤光栅传感系统由光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪构成。

1.2 隧道火灾报警系统

在隧道内布设光纤光栅温度传感器，利用光纤光栅传感技术可以实时测量隧道内布设点的温度。利用光纤的空间复用技术，在一根光纤上串联多个光纤光栅传感器，构成光纤光栅传感网络，实时监测整个传感网络的信息。同理，在隧道内沿隧道轴线方向光纤光栅温度传感网络，就可以实时监测隧道内温度值。监测范围与测量点密度受光纤光栅传感网络布设的光纤光栅传感器点数限制，见式(2)：

L=d×n

(2)

式中：L——检测范围，即隧道内测量长度；d——相邻两个光纤光栅温度传感器的间距，表示测量点的密度；

n——光纤光栅传感网络布设光纤光栅温度传感器的点数。若隧道长度大于传感网络的检测范围，就需要布设多个光纤光栅传感网络。

在隧道内，连续布设多个光纤光栅温度传感网络，覆盖整个隧道，实时监测整个隧道内的温度。再将多个光纤光栅传感网络的温度值上传到隧道火灾报警主机，实现整个隧道内温度的检测和火灾报警。

2 基于新型波长可调谐半导体激光器的光纤光栅传感系统

2.1 平行光栅对作用

一束多波长组分的平行光入射到平行光栅对结构的第一块光栅上，如图2所示，光栅的色散方程为：

mλ=d(sinα+sinβ)

(3)

衍射级m取1，入射光束两次经过光栅，由式(3)可知，经过平行光栅对的入射光束的入射角与出射角相同，即平行光栅对的出射光束的方向与入射光束相同。

光学中光路是可逆的，因此，平行光栅对可以将波长不同，间距特定的一束平行光进行合束。

2.2 新型波长可调谐半导体激光器

本文涉及一种新型波长可调谐半导体激光器，该结构基于平行光栅对构成光谱组束外腔，对半导体激光器进行波长调谐，具体原理如图3所示。

所述准直镜、平行光栅对、部分反馈镜构成反馈外腔，其中部分反馈镜反馈一部分光回到半导体激光器，实现波长锁定。所述平行光栅对与光学狭缝构成波长两级调谐，平行光栅对实现粗调，光学狭缝实现精调。所述平行光栅对绕各自中心点同步旋转，从第一个光栅出射的光束方向改变，而从第二个光栅出射的光束与第一个光栅入射光束方向平行，只是对固定波长的光束，空间位置改变，连续旋转平行光栅对，第二个光栅后的光束沿一个方向平移实现波长粗调。所述光学狭缝可以垂直光束传播方向平移，狭缝选择特定波长的光束在入射到部分反馈镜上，进一步使特定波长的光束反馈到半导体激光器起振，实现波长的精度调谐。所述的光学狭缝的狭缝宽度可以改变，可以选择能形成波长锁定的光束的线宽，实现输出光束的线宽可调谐。该半导体激光器基于光谱组束外腔的半导体激光器，通过平行光栅对的粗步调谐和光学狭缝的精调，实现对输出光波长的高精度调谐。

本文所述半导体激光器通过基于平行光栅对构成光谱组束外腔实现对半导体激光器的波长调谐，具有调谐范围宽、调谐精度高、连续调谐的优点。将该波长可调谐半导体激光器应用于光纤光栅温度传感网络，作为传感系统的解调光源，可以提高光纤光栅传感网络里传感器的布设点数，增大光纤光栅传感网络的测量范围与测量点密度。

3 结语

光纤光栅温度传感系统可以快速、可靠的实现公路隧道内火灾消防报警，有效保证人们的行车安全与隧道运营安全。本文介绍了一种应用于光纤光栅传感系统的新型波长可调谐半导体激光器，可以提高波长调谐范围与调谐精度，使光纤光栅传感网络可以布设更多的传感器点数，即提高整个传感网络的检测范围或检测范围不变提高空间分辨力。本文所述光纤光栅温度传感网络应用于隧道消防可以提高单个光纤光栅传感网络在隧道内的检测范围，降低整个隧道需求的光纤光栅传感网络数量，降低成本；同时，在隧道内检测范围不变时，可以提高隧道内两个温度检测点的间距，增大整个隧道内温度检测的空间分辨力。

[1] 赵德正，舒乃秋，张志立，等．基于FBG传感网络的GIS触头温度在线监测系统[J]．武汉大学学报，2011，44(4)：136-139．

[2] 郑德琳．光纤光栅地震检波器解调技术研究[D]．西安：西安石油大学，2012．

[3] 张自嘉．光纤光栅理论基础与传感技术[M]．北京：科学出版社，2009：109-110．

[4] 时德钢，刘 晔，邹建龙，等．光纤传感技术的军事应用[J]．计算机自动测量与控制，2002(9)：36-39．

[5] 程 伟.基于光纤光栅的公路隧道火灾报警监控系统的研究[D]．哈尔滨：黑龙江大学，2012.

[6] 郑云桥.光纤光栅高速公路火灾监测系统设计与应用研究[D].武汉：武汉理工大学,2009.

[7] 马永杰．光纤光栅传感器解调技术研究[D]．北京：北京邮电大学，2007．

[8] 刘长军．光纤布喇格光栅切趾特性及自致啁啾效应研究[D]．天津：南开大学，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

缑 龙(1988- )，男，硕士，助理工程师

U458

A