分布式光纤温度传感技术在无人舰艇自动灭火系统中的应用

仵 阳，米 鹏，王逸鸣，马百雪，陈自健

上海电控研究所，上海 200092

0 引言

无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台。该艇可在危险区域独立自主执行任务，具有良好的费效比，有效保障了人员的生命安全。轮机舱作为艇上重要舱室部位，装载燃油机、燃气轮机等附属设备，为无人艇提供相应动力。但由于其内部空间狭小且长期处于高温状态，增大了轮机舱室发生火灾的概率，造成航行安全隐患[1-2]。

自动灭火装置作为无人舰艇灭火防护系统的重要组成部分，其性能指标与可靠性将直接影响舰船的生存力与战斗力。目前，无人舰艇通常设置烟感灭火系统，但由于烟感产品的防潮性能较低，对环境的湿度要求较高，同时该类产品密封性能较差，灰尘或蚊虫误入容易产生误报警，而且风速变化可能影响该系统的探测结果。无人艇作为一种高速舰船，使用烟感灭火系统具有一定的安全隐患。

分布式光纤温度传感器作为一种新型传感器，相对传统传感器具有质量轻、体积小，灵敏度高、分辨率高，耐腐蚀、耐高温低温性能好，抗电磁干扰，能组建大规模分布式传感网络等特点，当前广泛应用于车载、舰载灭火防护领域[3]。

文章主要对分布式光纤温度传感器在无人舰船灭火防护系统中的应用进行综述，探讨基于分布式光纤温度传感器建设的无人舰船灭火防护系统的设计和分布式光纤温度传感技术的主要研究内容。

1 分布式光纤温度传感器的基本原理

分布式光纤温度传感系统总体设计框图如图1所示。图1中，脉冲激光器通过波分复用器向光纤内注入一定能量的波长1 550 nm脉冲光，脉冲光在光纤内传播时光子与光纤中的某些粒子相互作用引起散射光，产生后向拉曼散射光信号，即斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光。波长大于入射光为斯托克斯光，即1 660 nm光，波长小于入射光为反斯托克斯光，即1 450 nm光，其中反斯托克斯光强度具有对环境温度敏感性的特点。后向拉曼散射光反向传输至接收端，通过波分复用（WDM）滤波获取两路后向拉曼散射光，经光电探测模块APD转化成电信号，由处理模块进行信号采集及处理，解算得到光纤沿路各位置的温度。根据后向拉曼散射光到达光接收端的时间，可以推算出后向拉曼散射光产生的位置，实现光纤沿路的温度测量和位置确定，从而获得光纤沿路温度场分布，实现分布式温度传感。

图1 分布式光纤温度传感系统框图

2 无人艇光纤分布式自动灭火系统设计

2.1 系统设计

针对无人气垫艇轮机舱高温、潮湿的工作环境，以及气垫艇在高速航行状态下舱内环境风速变化导致传感器误报的问题，选用耐高温的镀膜多模光纤作为测温部件，其可适应高温、高湿、辐射、浸水等严酷环境和舱室布设需要。耐高温线式光纤火焰感受器一端通过FC接头与灭火控制盒连接，另一端光纤尾部将纤芯插入灌满特殊胶的不锈钢管中，固定尾部的同时增强尾部吸光，可有效保证测温过程的高可靠性和高稳定性。

无人艇光纤分布式自动灭火系统布局如图2所示。无人艇光纤分布式自动灭火系统包括1条耐高温火焰光纤感受器、2个灭火瓶、1套灭火管路、4个喷头、1套电源电缆、1个灭火控制盒。其中，灭火控制盒由电源板、光发射模块、光电转换模块、信号处理板和外壳组成。同时，灭火控制盒采用基于光纤温度探测技术的新设计，主要作用是采集传感光纤信号，解调沿传感光纤分布的温度，判断火警信息，包含激光器、参考光纤、光电探测器、WDM、信号采集处理板和电源。激光器采用波长为1 550 nm、脉宽为1 ns的脉冲光纤激光器，重复频率为20 kHz，峰值功率为50 W，输出脉冲激光至传感光纤；光电探测器采用响应波长范围为1 100～1 700 nm的铟镓砷雪崩二极管（InGaAs-APD）作为光电转换器件，多级低噪放大，并采用温度补偿技术，增强系统工作稳定性；波分复用器采用介质薄膜滤波型1×3的特殊设计，能够有效分离出两路拉曼散射波长；信号处理板采用ZYNQ-7000作为主控制芯片，控制高速AD，获取两路散射光的有效数据，经过滤波及温度解算，提取沿光纤分布的温度信息。耐高温光纤探头采用分段式结构，包括光纤头部、光缆（软纤部分和硬纤部分）以及光纤尾部。

图2 无人艇光纤分布式自动灭火系统布局图示

耐高温探测光缆直接置于轮机舱探测环境，用于分布式感知环境温度并产生温度信号；灭火控制盒通过FC光纤接口与耐高温探测光缆连接，以采集温度信号；灭火控制盒可根据采集到的温度信号判断火情状态，驱动灭火瓶驱动器，并通过RS232总线实时向用户装置上报数据；灭火瓶驱动器，通过CAN总线与灭火控制盒连接，以响应所述火情状态并驱动灭火瓶喷瓶；灭火管路作为灭火剂输送通道，携带灭火喷头，灭火喷头对准2台发动机和1个蓄电池。火灾发生时，灭火剂通过灭火管路从灭火喷头处喷出快速熄灭轮机舱内火灾。

2.2 分布式光纤火焰探测及灭火技术研究的主要内容

灭火系统基于分布式光纤拉曼测温技术原理实现光纤沿路温度场分布测量，通过温度以判断火情。基于分布式光纤温度传感器基本原理，获取两路后向拉曼散射光，经光电探测模块APD转化成电信号，由处理模块进行信号采集及处理，解算得到光纤沿路各位置的温度，根据后向拉曼散射光到达光接收端的时间，推算出后向拉曼散射光产生的位置，实现光纤沿路的温度测量和位置确定，从而获得光纤沿路温度场分布，构建动力舱温度场。根据不同部位正常工作环境温度情况设定不同预警和火警温度门限，可以在高温导致明火出现前，提前干预，主动防护，避免发生火灾；也可以在无人艇出现特殊情况发生火灾时，准确判断火情，定位火源位置，驱动灭火瓶快速灭火，将火灾不报、误报的风险最小化。

根据软件阈值进行数据判定，当满足灭火条件时，响应舰载计算机发出的灭火指令，通过灭火瓶驱动器驱动灭火器对起火点进行定点灭火，实现系统分布式测温、判断火情的功能，降低动力舱火灾漏报、误报概率。

从火焰探测技术、控制技术和灭火技术方面进行研究，分布式光纤火焰探测及灭火技术总体方案如图3所示。

图3 分布式光纤火焰探测及灭火技术总体方案图

（1）温度、火焰探测技术。由信号处理板给激光器一个脉冲驱动，控制激光器发出中心波长为1 550 nm、频率为20 kHz、脉宽为2 ns的光脉冲，光脉冲经过光纤放大器进行功率提升后，通过光纤拉曼WDM耦合进耐高温线式火焰感受器，在所述耐高温线式光纤火焰感受器中传输的同时，不断产生后向散射光波，返回的后向散射光再经光纤拉曼WDM滤波和分离后得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光以及作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光，进而由光电转换模块将接收到的光信号转换成电信号并放大，由信号处理板的放大电路进行再次放大，放大后的信号进过高速AD芯片采样后变换成数字信号，自此便完成了温度信号的采集工作。信号采集完成后，现场可编程门阵列（FPGA）对采集的数据进行高速信号的预处理工作，进行滤波处理，存储光强数据，方便中央控制器（ARM）提取。根据拉曼散射原理，由ARM完成信号的处理，包括基准提取、标定参数提取、光强计算、温度解算等，解算后的温度信号数据包每隔2 s周期上报至舰载计算机，并且由所述耐高温线式光纤火焰感受器中光波的传输速度和背向光回波的时间定位温度信息所在位置。

斯托克斯拉曼背向散射光通量为

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为

式中：Ks、Ka分别为光纤的斯托克斯拉曼散射截面相关系数和反斯托克斯拉曼散射截面相关系数；vs、va分别为斯托克斯拉曼散射光子频率和反斯托克斯散射拉曼光子频率；a0、as、aa为入射光、斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光在光纤中的平均传播损耗系数；Rs(T)、Ra(T)为光纤分子低能级和高能级上的粒子分布相关系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数

反斯托克斯拉曼背向散射光与斯托克斯拉曼背向散射光的强度比I(T)为

式中：h为普朗克常数；Δv为拉曼声子；k为波尔兹曼常数；T为开尔文绝对温度。

若用T0定标，则

简化后可得：

由拉曼背向散射光的强度比，可以得到光纤各段的温度信息。

（2）控制技术。灭火控制软件主要由两部分构成，一部分为Xilinx 7系芯片自带的ARM硬核，实现软件的中央控制处理功能模块；另一部分主要由芯片上的可编程逻辑资源实现的可编程逻辑功能。中央控制处理功能主要负责软件系统的主控，可编程逻辑功能实现数据采集、滤波和驱动激光器生成脉冲光。

从系统软件架构搭建、系统控制流程和防虚警算法方面研究控制技术，实现系统可自动探测无人艇轮机舱火情并发出火警信号，自动控制灭火瓶喷出灭火剂，及时熄灭火灾的功能。

（3）灭火技术。一方面，灭火控制盒依据所采集的温度信息判断火情、定位着火位置，当温度信号高于火警阈值时，由灭火控制盒向舰载计算机发送报警信号，舰载计算机接收到警报后发送制动指令使无人气垫艇的行驶速度减速至允许范围，再对灭火控制盒发送命令，驱动1211灭火瓶喷射灭火剂，灭火剂经灭火管路到达火警所在位置，扑灭火源；另一方面，灭火控制盒将光纤火焰感受器沿线的温度信号每隔2 s周期性通过舰载计算机上报无人艇监控后台，后台监测到火灾时，可通过无人气垫艇舰载计算机向灭火控制盒发送指令，远程干预，驱动1211灭火瓶喷射灭火剂来扑灭火源，实现远程灭火控制。

3 无人艇自动灭火系统主要技术性能及作战效能

基于分布式光纤火焰探测及灭火技术研制出的无人艇自动灭火系统，可自动探测轮机舱火情并发出火警信号，自动控制灭火瓶喷出灭火剂，及时熄灭轮机舱火灾，有效保护舰艇在作战任务中的安全。

耐高温光纤探头直接置于探测环境，分布式感知环境温度并产生温度信号；灭火控制盒通过光纤接口与耐高温光纤探头连接，以采集温度信号；灭火控制盒根据采集到的温度信号判断火情状态，驱动灭火瓶，并实时向用户装置上报数据；灭火瓶通过线缆与灭火控制盒连接，以响应灭火控制盒的驱动信号执行灭火。系统的主要技术性能指标情况如表1所示。

表1 主要技术性能指标情况

4 结论与展望

基于分布式光纤温度传感器的舰船灭火防护系统能够全天候、不间断地实时在线监测舰艇舱室内光纤所覆盖范围内各点温度信息。同时，可在区域内构建温度场，依据不同区域的热噪声背景，通过设置独立的门限，实现温度的区域化、网格化感知，当发现温度变化异常，提前主动干预处理，将探测的无人艇轮机舱内的火情信息及报警信息发送给外部设备，实现火焰预警和告警，并快速响应外部设备发出的灭火指令，远程控制灭火瓶实施精准灭火，有效保护无人艇的安全。此外，该系统可为舰船提供有效的独立监控措施，作为舰艇舱室装备开展故障诊断的依据，也可用来确定舰船的维修计划、改进设计、进行结构热设计优化，对提高舰船使用的安全可靠性具有重要的意义。随着该项技术的不断成熟和研发成本的不断降低，基于分布式光纤温度传感器的自动灭火技术将在舰船灭火防护领域发挥更重要的作用。