CN101393677A - 分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，它是基于集成型光纤波分复用技术，利用光纤反斯托克斯拉曼光子强度受光纤温度调制原理和光时域反射原理制成的火灾探测器，包括光脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，本征型感温光纤，两个光电雪崩二极管，数字信号处理器和显示器或报警器。铺设在防灾现场的本征型感温光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，既是传输介质又是传感介质。该火灾探测器成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于中、短程100米－15公里感温火灾探测。

Description

分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器

技术领域

本发明涉及火灾监测器，尤其是分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器。

背景技术

长期以来，国内外在消防技术与工程领域主要使用线型感温电缆作为线型感温火灾探测器，感温电缆是一种两芯及采用“开/关”式原理设计的电缆。当内置的两芯导线於预设的温度时受热溶解便会形成电线短路并报警。感温电缆价格相对低廉，但不能定位，也不能预报防灾现场温度的变化过程。

近年来发展起来的利用分布式光纤温度传感器和准分布式的光纤温度传感器(主要有光纤光栅型和光纤法珀型)作为线型火灾监测感温光纤的感温火灾探测器，它可以在线实时预报温度的变化，可以在很大的温度范围设置报警温度，是本质安全型的线型感温火灾探测器，在电力工业、石化企业和土木工程上已成功地应用。分布式光纤温度传感器有两种：一种是拉曼散射型，另一种是布里渊散射型。

光纤的拉曼散射很弱，现有国外中程分布式光纤拉曼光子温度传感器，采用分立的波分复用器系统和1064nm光纤激光器，分立的波分复用器结构复杂，损耗大，隔离度低，成本高，可靠性差，而且1064nm波段的光纤损耗大。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器。

发明的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，包括光脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，本征型感温光纤，两个光电雪崩二极管，数字信号处理器和显示器或报警器，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器相连，公共端口与本征型感温光纤相连，1450nm端口与第一光电雪崩二极管相连，1660nm端口与第二光电雪崩二极管相连，第一光电雪崩二极管的另一端和第二光电雪崩二极管的另一端分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器的信号输出端连接显示器或报警器。

本发明中的光脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns或8ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz的光脉冲激光器。

本发明中的本征型感温光纤为62.5/125多模光纤，感温光纤长度为100m～15km。

所说的集成型光纤波分复用器可由分立的光纤双向耦合器、光纤平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成，具有1550nm，公共端，1450nm和1660nm四个端口。

本征型感温光纤铺设在防灾现场，该光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，既是传输介质又是传感介质。光脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入本征型感温光纤，在本征型感温光纤上产生的背向斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子波经集成型光纤波分复用器分朿，分别经两个光电雪崩二极管转换成模拟电信号并放大，由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息，给出本征型感温光纤上各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，利用光时域反射对感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器解调，经过温度定标，在30秒内得到本征型感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点各空域处的温度变化量，测温精度±1℃，在0℃-300℃范围内进行火灾在线监测预报，由显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当感温光纤上的拉曼光子感温火灾探测点所在空域温度达到设定的火灾报警温度时，向火灾报警控制器发出火灾报警信号。

分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器的测温原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入本征型感温光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个分子散射成另一个低频斯托克斯光子或高频反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T)：

$R\left(T\right)={\left[\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right]}^4{e}^{-\left(\frac{\mathrm{h\Δ}{v}_r}{\mathrm{kT}}\right)}---\left(1\right)$

其中v_as，v_s分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克(Planck)常数，Δv_r是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凱尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。拉曼散射光子的温度灵敏度，由(1)式得到：

$\frac{1}{R\left(T\right)}\frac{\mathrm{dR}\left(T\right)}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{h\Δ}{v}_r}{{\mathrm{kT}}^2}---\left(2\right)$

在室温T＝293K，得到分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器的测温度灵敏度约为0.80％/K。

本发明的有益效果在于：

本发明采用集成型波分复用器，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比，可靠性和空间分辨率，降低了成本；本发明选用1550nm低光纤损耗的通信波段，有别于国外的中程分布式光纤温度传感器，在性价比上优于感温电缆和其它感温光纤火灾探测器。铺设在防灾现场的感温光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是本征型的感温光纤，并具有50年以上的长寿命。本发明适用于中、短程100米-15公里感温火灾探测。

附图说明

图1是分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器的示意图。

具体实施方式

参照图1，分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器包括光脉冲激光器10，集成型光纤波分复用器11，本征型感温光纤12，两个光电雪崩二极管13、14，数字信号处理器15和显示器或报警器16，集成型光纤波分复用器11具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器10相连，公共端口与本征型感温光纤12相连，1450nm端口与第一光电雪崩二极管13相连，1660nm端口与第二光电雪崩二极管14相连，第一光电雪崩二极 n管13的另一端和第二光电雪崩二极管14的另一端分别与数字信号处理器15相连，数字信号处理器15的信号输出端连接显示器或报警器16。

铺设在防灾现场的本征型感温光纤为15公里长的62.5/125多模光纤，光脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz的光脉冲激光器，这时，15公里长的62.5/125多模光纤，感温长度为3米，具有5000个感温探测点。如果光脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为8ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz的光脉冲激光器，则15公里长的62.5/125多模光纤，感温长度为1米，具有15000个感温探测点。

数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在计算机内。数字信号处理器可采用美国NI公司的双通道100MHz带宽，100MS/s采集率的NI5911型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司双通道，500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (4)

1.分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，其特征是包括光脉冲激光器(10)，集成型光纤波分复用器(11)，本征型感温光纤(12)，两个光电雪崩二极管(13)、(14)，数字信号处理器(15)和显示器或报警器(16)，集成型光纤波分复用器(11)具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器(10)相连，公共端口与本征型感温光纤(12)相连，1450nm端口与第一光电雪崩二极管(13)相连，1660nm端口与第二光电雪崩二极管(14)相连，第一光电雪崩二极管(13)的另一端和第二光电雪崩二极管(14)的另一端分别与数字信号处理器(15)相连，数字信号处理器(15)的信号输出端连接显示器或报警器(16)。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，其特征是光脉冲激光器(10)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns或8ns，峰值功率为20W，重复频率为4kHz。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，其特征是本征型感温光纤(12)为62.5/125多模光纤，感温光纤(12)长度为100m～15km。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，其特征是集成型光纤波分复用器(11)，由分立的光纤双向耦合器、光纤平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成。

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