CN108074369A - 针对飞行器的基于光纤的烟雾和/或过热检测和监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测烟雾、火灾和温度状况的方法，所述方法包括：经由第一光纤电缆传输光，所述光纤电缆终止于节点处，所述节点被设置以监测一个或多个预定区域处的烟雾或火灾状况；沿着第二光纤电缆传输光，所述第二光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况；在控制系统处从所述第一光纤电缆和/或所述第二光纤电缆接收散射光；以及对所述散射光进行分析以沿着纤维线束或在所述节点处确定烟雾、火灾和/或温度状况的存在和幅度中的至少一个。

Description

针对飞行器的基于光纤的烟雾和/或过热检测和监测

发明背景

本公开涉及飞行器操作，更具体地涉及飞行器中利用烟雾和/或过热检测所进行的火灾检测。

飞行器中的火灾探测利用烟雾检测和过热传感器来快速高效地检测火灾。目前的飞行器规定要求系统必须检测货舱内的火灾，并在一分钟内向机组人员提供视觉指示。此外，卫生间系统和航空电子设备舱系统符合对这些领域的特定要求。然而，规模较小、位于关键位置并且某些时候位于密闭位置的火灾具有特殊的风险。早期可靠的检测可以更好地控制火灾。较高的灵敏度可以实现较早的检测，但会增加错误警告的风险。点传感器和吸气系统的信号处理和传感器设计获得了进步，它们通过引入温度和烟雾检测而减少了妨害性警告。

然而，过热和烟雾传感器体积庞大，它们的使用限于飞机的较大零件，可能容易发生错误警告并且很难维护。此外，此类传感器通常需要进行重量和功率预算，并且可能很难在具有高气流速率的区域中检测烟雾。过热检测器可以是热敏电阻、易熔盐和气动元件。主要的方法是使用非常敏感且故障安全的易熔盐。但是，该技术容易发生振动、较重并且在飞行器例行维修过程中难以维修。新的方法可以减少占用空间，具有振动不敏感和容易维修的优点。此外，综合防火技术减少了重量、功率和占用空间，这对于飞机是有利的。

发明概要

在一个实施方案中，一种监测烟雾、火灾和温度状况的方法包括：经由第一光纤电缆传输光，所述光纤电缆终止于节点处，所述节点被设置以监测一个或多个预定区域处的烟雾或火灾状况；沿着第二光纤电缆传输光，所述第二光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况；在控制系统处从第一光纤电缆和/或第二光纤电缆接收散射光；以及对散射光进行分析以沿着纤维线束或在节点处确定烟雾、火灾和/或温度状况的存在和幅度中的至少一个。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，通过对散射光进行分析而确定温度状况，所述散射光已在第二光纤电缆的一个或多个纤维部分处被内部散射。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光源可有选择地操作以传输光信号。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，有选择地改变所传输光的波长。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光敏装置与节点相关联，光敏装置被配置成接收散射光信号。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，将散射光信号转换成相应电信号，以便由控制单元进行评估。

在另一个实施方案中，一种用于监测飞行器结构内的烟雾、火灾和/或温度状况的系统包括：纤维线束，所述纤维线束具有第一光纤电缆和第二光纤电缆，所述第一光纤电缆终止于节点处，所述节点被设置以监测一个或多个预定区域处的烟雾或火灾状况，并且所述第二光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况。控制系统可操作地连接到纤维线束。控制系统包括：一个或多个光敏装置，所述一个或多个光敏装置被配置成从第一光纤电缆和第二光纤电缆接收光；以及控制单元，所述控制单元被配置成：对在一个或多个光敏装置处从第一光纤电缆所接收的光进行分析以确定一个或多个预定区域处的一个或多个火灾或烟雾状况；以及对在一个或多个光敏装置处从第二光纤电缆所接收的光进行分析以确定一个或多个预定区域处的温度状况。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，一个或多个纤维部分沿着第二光纤电缆设置，以便经由光的内部散射而测量温度。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，测量温度进一步包括确定过热状况。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，一个或多个光敏装置包括第一光敏装置和第二光敏装置，所述第一光敏装置被配置成从第一光纤电缆接收光，并且所述第二光敏装置被配置成从第二光纤电缆接收光。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，控制系统包括光源，所述光源用于沿着第一光纤电缆和第二光纤电缆传输光信号。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，控制单元可操作地耦合到光源，以便有选择地控制来自光源的光的发射。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光敏装置为光二极管。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光敏装置将在控制系统处所接收的散射光信号转换成可由控制单元接收的电信号。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，第一光纤电缆限定布置在飞行器结构内的多个节点。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，飞行器结构是飞行器的货舱、航空电子设备舱或其他封闭部分。

在又一个实施方案中，一种监测温度状况的方法包括：沿着光纤电缆传输光，所述光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况；从光纤电缆接收散射光；向光敏装置传送散射光；以及经由控制系统确定散射光是否指示沿着纤维线束和/或在节点处的非期望温度状况的存在。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光信号在第二光纤电缆的一个或多个纤维部分处被内部散射，所述内部散射指示非期望温度状况。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，光源可有选择地操作以传输光信号。

除此之外或另选地，在这个或其他实施方案中，有选择地改变所传输光的波长。

附图简述

在随附于本说明书的权利要求书中特别指出并明确要求保护被认为是本公开的主题。通过以下结合附图而进行的详细描述，可以清楚了解本公开的上述和其他特征及优点，在附图中：

图1是根据一个实施方案的检测系统的示意图；

图1A是根据一个实施方案的检测系统的节点处的光传输的示意图；

图2A是根据另一个实施方案的检测系统的示意图；

图2B是根据另一个实施方案的检测系统的示意图；

图3是根据一个实施方案的图1的纤维线束的光纤节点的横截面图；

图4A是根据一个实施方案的检测系统的纤维线束的侧视图；

图4B是根据一个实施方案的检测系统的纤维线束的示意图；

图5是根据一个实施方案的包括多个纤维线束的检测系统的示意图；

图6是根据一个实施方案的由检测系统监测的建筑物内的区域的透视图；

图7是根据一个实施方案的检测系统的控制系统的示意图；

图8是根据一个实施方案的包括雪崩光二极管传感器的检测系统的另一个示意图；

图9是根据一个实施方案的操作检测系统的方法；

图10是根据一个实施方案的用于评估由光敏装置所生成的信号的过程流的示意图；

图11A和图11B是根据一个实施方案的示出由检测系统针对各种预定状况或事件而随时间所记录的信号的图。

图12是检测系统的另一个示意图；

图13是检测系统的又一个示意图；

图14是使用了透镜的检测系统的示意图；

图15是使用了透镜的检测系统的另一个示意图；

图16A是具有接合连接件的检测系统的示意图；

图16B是用于检测系统的接合连接件的另一个示意图；

图17是包括光学放大器的检测系统的示意图；

图18是进一步配置用于通信的检测系统的示意图；

图19是组合起来的检测系统和抑制系统的示意图；以及

图20是飞行器的示意图。

具体实施方式通过参考附图而以举例的方式说明了本公开的实施方案以及优点和特征。

具体实施方式

现在参考附图，示出了用于检测指定区域内的一个或多个状况或事件的系统20。检测系统20可能能够检测一个或多个危险状况，所述一个或多个危险状况包括但不限于烟雾、火灾、温度、火焰或者多种污染物、燃烧产物或化学物质中的任何一种。另选地或除此之外，检测系统20可以被配置成执行对人、照明状况或物体的监测操作。在一个实施方案中，系统20可以以类似于运动传感器的方式进行操作，例如以便检测人、乘客或通往指定区域的未授权通路的存在。本文所述的状况和事件仅作为例子，并且其他合适的状况或事件也在本公开的范围内。

检测系统20使用光来评估状况所存在的体积。在本说明书中，术语“光”是指在电磁谱中以任一频率或频率组合的相干或非相干辐射。在一个例子中，光电系统使用光散射来确定大气环境中的颗粒的存在，以便指示存在预定状况或事件。在本说明书中，术语“散射光”可以包括入射光的振幅/强度或方向的任何变化，包括在任何/所有方向上的反射、折射、衍射、吸收和散射。在这个例子中，将光发射到指定区域中；当光遇到物体(例如，人、烟雾颗粒或气体分子)时，可能由于物体的折射率与周围介质(空气)相比存在差异，光被散射和/或吸收。可以在所有不同的方向上散射光，这取决于物体。通过检测由例如物体所散射的光而观察入射光的任何变化，可以提供关于指定区域的信息，包括确定预定状况或事件的存在。

如图1所示，检测系统20，在其最基本的形式中，包括单个光纤电缆28，所述单个光纤电缆具有至少一个光纤芯。术语光纤电缆28包括任何形式的光纤。作为例子，光纤是由单模纤维、多模纤维、保偏纤维、光子晶体纤维或中空芯的一个或多个光纤芯组成的一段电缆。节点34定位于光纤电缆32的终端点处，并且在光纤电缆28的定义中，固有地包括所述节点。节点34被定位成与大气环境连通。光源36如激光二极管和光敏装置38如光二极管耦合到光纤电缆28。检测系统20的控制系统50(下面进一步详细讨论)用于管理检测系统的操作，并且可以包括对部件、数据采集、数据处理和数据分析的控制。

如图1A所示，经由节点34向周围区域传输来自光源的光，这以21示意性地示出。光21与指示状况的一个或多个颗粒(以22示意性地示出)相互作用，并反射或传输回到节点34，这以23示意性地示出。对提供到节点34的光和/或从节点34反射回到光敏装置38的光的变化进行比较，这指示了在与节点34相邻的大气环境中是否存在引起光散射的大气变化。本文所述的散射光旨在另外还包括所反射光、所传输光和所吸收光。尽管将检测系统20描述为使用光散射来确定状况或事件，但其中除了光散射之外或作为对光散射的替代，还使用了光遮挡、光吸收和荧光的实施方案也在本公开的范围内。

在另一个实施方案中，检测系统20可以包括多个节点34。例如，如图2A所示，多个光纤电缆28和相应节点34各自与不同的光敏装置38相关联。在其中单独的光敏装置38与每个节点34相关联的实施方案中(如图2A所示)，可以监测从每个节点34所输出的信号。在检测到预定事件或状况后，可以定位事件的位置，因为系统20内的每个节点34的位置都是已知的。另选地，如图2B所示，多个光纤电缆28可以耦合到单个光敏装置。

在其中单个光敏装置38被配置成从多个节点34接收散射光的实施方案中，控制系统50能够定位散射光，即识别从多个节点34中的每一个所接收的散射光。在一个实施方案中，控制系统50使用每个节点34的位置，具体地，与每个节点34相关联的光纤电缆28的长度以及相应飞行时间(即，光由光源36发射与光由光敏装置38接收之间所经过的时间)来使光信号的不同部分与相应节点34中的每一个相关联，这些相应节点连接到该光敏装置38。另选地或除此之外，飞行时间可以包括光从节点发射与光被接收回节点之间所经过的时间。在这样的实施方案中，飞行时间提供关于物体相对于节点的距离的信息。

在一个实施方案中，示出了图3所示光纤电缆的横截面，两个基本上相同且平行的光传输纤维芯40、42包含在光纤电缆28中并且终止于节点34处。然而，应当理解，本文还考虑了其中光纤电缆28仅包含单个纤维芯或超过两个芯的实施方案。光源36可以耦合到第一纤维芯40并且光敏装置38可以例如在光纤电缆28的第一端附近耦合到第二纤维芯42。光源36可有选择地操作以发射光，所述光沿着光纤电缆28的第一纤维芯40向下行进到节点34。在节点34处，将所发射的光排出到相邻大气中。光经由第二纤维芯42散射并传输回到节点34并且沿着光纤电缆28向下传输到光敏装置38。

现在参考图4A，在更复杂的实施方案中，检测系统20包括纤维线束30，所述纤维线束具有捆束在一起的多个光纤电缆28。应当指出，纤维线束30也可以仅仅是单个光纤电缆28。在一个实施方案中，多个纤维芯40、42在某个位置处捆束在一起形成纤维线束主干31，光纤电缆28的端部与所述主干分离(不包括在捆束主干中)以限定纤维线束30的多个光纤分支32。如图所示，多个纤维芯40、42分叉形成多个单独的纤维分支32，其中的每一个均终止于节点34处。在图4A和图4B的非限制性实施方案中，纤维线束30另外还包括与纤维分支32相关联的发射器接脚33和接收器接脚35。发射器接脚33可以包含来自多个纤维分支32中的每一个的第一纤维芯40，并且接收器接脚35可以包含来自纤维分支32中的每一个的全部的第二纤维芯42。在发射器接脚33或接收器接脚35与节点34之间延伸的光纤芯40、42的长度可以变化，使得分支32和相应节点34沿着纤维线束主干31的长度布置在各个位置处。在一个实施方案中，可以在制造期间或在安装系统20时设定节点34的位置。

另选地，纤维线束30可以包括光纤电缆(未示出)，所述光纤电缆具有与其整体形成并从其中延伸出来的多个分支32。分支32可以仅包括单个光纤芯。纤维线束30内的节点34的配置(具体地，间距)可以是基本上等距的，也可以沿线束30的长度发生变化。在一个实施方案中，每个节点34的定位可以与指定区域内的特定位置相关联。

现在参考图5，检测系统20另外还可以包括多个纤维线束30。在所示非限制性实施方案中，不同的光敏装置38与多个纤维线束30中的每一个相关联。然而，这里也考虑了其中单个光敏装置38耦合到多个纤维线束30的实施方案。此外，单个光源36可以可操作地耦合到系统20的多个纤维线束30内的多个光传输纤维芯40。另选地，检测系统20可以包括多个光源36，其中的每一个均耦合到多个纤维线束30中的一个或多个。

检测系统20可以被配置成监测诸如建筑物的预定区域。尤其是，检测系统20可以用于具有拥挤环境的预定区域诸如服务器机房，例如如图6所示。每个纤维线束30可以与一个或多个设备排46对准，并且其中的每个节点34可以直接邻近于排46内的塔柱48中的一个定位。此外，可以布置节点以便监测特定的封闭件、电子装置或机器。以这种方式定位节点34允许较早地检测状况并定位状况，这可以限制机房中的其他设备暴露于相同的状况。在另一个应用中，检测系统20可以集成到飞行器中，例如用于监测飞行器的可能易受火灾或其他事件影响的货舱、航空电子设备机架、卫生间或其他密闭区域。

检测系统20的控制系统50用于管理检测系统的操作，并且可以包括对部件、数据采集、数据处理和数据分析的控制。如图7所示，控制系统50包括至少一个光敏装置38、至少一个光源36和控制单元52如计算机，所述计算机具有一个或多个处理器54和存储器56，所述存储器用于将算法58实现为可执行指令，所述可执行指令由处理器54执行。这些指令可以在任何抽象层次上以任何方式进行存储或组织。处理器54可以是任何类型的处理器，包括中央处理单元(“CPU”)、通用处理器、数字信号处理器、微控制器、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等。此外，在一些实施方案中，存储器56可以包括随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)或其他电子介质、光学介质、磁性介质或用于存储和支持存储器56中的处理的任何其他计算机可读介质56。除了可操作地耦合到至少一个光源36和至少一个光敏装置38之外，控制单元52还可以与一个或多个输入/输出装置60相关联。在一个实施方案中，输入/输出装置60可以包括警告或其他信号，或者在检测到预定事件或状况时启动的灭火系统。本文中应当理解，如本文所使用的术语警告可以指示任何一个可能的检测结果。

处理器54可以经由连接器耦合到至少一个光源36和至少一个光敏装置38。光敏装置38被配置成将从节点34所接收的散射光转换成可由处理器54接收的相应信号。在一个实施方案中，由光感测装置38生成的信号为电信号。然后，向控制单元52提供从光感测装置38所输出的信号，以便使用算法进行处理，从而确定是否存在预定状况。

可以例如通过比较器(未示出)对由光敏装置38所接收或从光敏装置38所输出的信号进行放大和/或滤波，以在将信号传送到控制单元52之前减少或消除信号内的不相关信息，所述控制单元远离节点34定位。在这样的实施方案中，信号的放大和滤波可以在光感测装置38内直接发生，或另选地，可以经由设置在光感测装置38与控制单元52之间的一个或多个部件发生。例如，控制单元52可以例如通过调节放大器的增益、滤波器的带宽、采样率、定时和数据缓冲量而控制光敏装置38的数据采集。

现在参考图8，在系统20的一个实施方案中，光敏装置38可以包括一个或多个雪崩光二极管(APD)传感器64。例如，APD传感器64的阵列66可以与一个或多个纤维线束30相关联。在一个实施方案中，传感器阵列66内的APD传感器64的数量等于或大于与其可操作地耦合的纤维线束30的总数。然而，本文中也考虑了传感器阵列66内的APD传感器64的总数小于纤维线束30的总数的实施方案。

由交换机68周期性地获得代表了来自APD阵列66中的每个APD传感器64的输出的数据，或者另选地，同时收集所述数据。数据采集装置67从APD收集电信号并使所收集的信号与元数据相关联。作为例子，元数据可以是时间、频率、位置或节点。在一个例子中，使来自APD的电信号与激光调制同步，使得电信号的收集持续一段时间，在激光脉冲之后的几微秒时间内对激光进行脉冲调制时开始这段时间。将由处理器54收集并处理数据，以确定节点34中的任一个是否指示存在预定状况或事件。在一个实施方案中，仅收集由传感器阵列66所输出的数据的一部分，例如来自与第一纤维线束30相关联的第一APD传感器64的数据。因此，交换机68被配置成从传感器阵列66的各种APD传感器64顺序地收集信息。当对从第一APD传感器64所收集的数据进行处理以确定是否已经发生某个事件或状况时，收集来自传感器阵列66的第二APD 66的数据并提供给处理器54以便进行分析。当已根据从APD传感器64中的一个所收集的数据检测到预定状况或事件时，交换机68可以被配置成从相同的APD传感器64向处理器54提供额外的信息以跟踪该状况或事件。

图9中示出了检测系统20的操作方法100。可操作地耦合到光源36的控制单元52被配置成如框102所示有选择地使光源36通电，并且如框104所示向与其耦合的纤维线束30发射光。控制单元52可以基于检测系统20的期望操作而改变所发射的光的强度、持续时间、重复率、频率或其他性质。当光沿着至少一个光纤分支32的第一纤维芯40行进时，在纤维线束30的一个或多个节点34处发射光的全部或一部分。在框106中，光在预定区域中被散射并经由第二纤维芯42而穿过光纤分支32传输回来。散射光可以包括邻近于节点的大气中的散射光和从光纤分支32的内部反射的散射光中的一个或多个。在框108中，向至少一个光感测装置38传输散射光。如框110所示，光感测装置38响应于由每个节点34所接收的散射光而生成信号，并向控制单元52提供该信号以便进一步处理。

通过使用由处理器54所执行的算法58，对表示由相应节点34所接收的散射光的每个信号进行评估以确定节点34处的光是否指示预定状况如烟雾。参考图10，示出了示出用于处理由每个节点34所生成的信号的流路的例子的示意图。如图所示，如在框70处所示的那样，将指示散射光69的信号基于它们各自的始发节点34而解析成多个信号。在所示非限制性实施方案中，在针对单独信号中的每一个对脉冲特征进行评估之前，从数据中提取背景信号，这以72示意性地示出。如在框74处所示的那样，可以经由积分、脉冲压缩和/或特征提取而确定信号的一个或多个特性或特征(脉冲特征)。此类特征的例子包括但不限于：峰值高度；由信号所定义的曲线下的面积；统计特性诸如平均值、方差和/或高阶矩；时间、频率、空间和/或其组合中的相关性；以及通过深度学习、字典学习和/或自适应学习等而确定的经验特征。

在一个实施方案中，对飞行时间记录进行解析并提取特征。飞行时间记录可以覆盖一段时间。例如，飞行时间记录可以记录0.001-1,000,000纳秒、0.1-100,000纳秒或0.1-10,000微秒内的光强度。例如，从信号所提取的特征可以包括但不限于高度、半极大处全宽度、信号拾取时间、信号下降时间、群速、积分、变化率、平均值和方差。

然后可以通过应用数据处理(这在框76处示意性地示出)而使用例如平滑化、傅里叶变换或互相关来对这些特征进行进一步处理。在一个实施方案中，然后将处理后的数据发送到框78处的检测算法，以确定信号是否指示相应节点34处的状况或事件的存在和/或幅度。该评估可以是简单的二进制比较，所述二进制比较并不识别特性与阈值之间的偏差的幅度。所述评估也可以是所述一个或多个特性的数值函数与阈值的比较。阈值可以事先确定，也可以根据信号来确定。可以将根据信号来确定阈值称为背景学习。可以通过自适应滤波、基于模型的参数估计、统计建模等来完成背景学习。在一些实施方案中，如果所识别的特征中的一个不超过阈值，则不应用检测算法的剩余部分，以便减少在检测算法期间完成的总处理量。在检测算法指示出在一个或多个节点34处存在状况的情况下，可以但无需启动警告或其他灭火系统。应当理解，用于评估本文所示和所描述的数据的过程仅作为例子，本文也考虑了包括附图所示的部分或全部步骤的其他过程。

有利的是，所述评估也可以采用分类器，所述分类器包括可以经由深度学习技术而根据信号进行学习的那些分类器，所述深度学习技术包括但不限于深度神经网络、卷积神经网络、递归神经网络、字典学习、视觉/深度词袋技术、支持向量机(SVM)、决策树、决策林、模糊逻辑等。也可以使用马尔科夫模型技术、隐马尔可夫模型(HMM)、马尔可夫决策过程(MDP)、部分可观察MDP、马尔可夫决策逻辑、概率编程等来构建分类器。

除了单独地评估从每个节点34所生成的信号之外，处理器54另外还可以被配置成例如经由数据融合操作而共同地评估多个信号或其特性，以产生融合信号或融合特性。数据融合操作可以提供与事件或预定状况的时间和空间演变有关的信息。因此，数据融合操作可以有助于检测低级别事件，所述低级别事件不足以在节点34中的任一节点处单独地发起警告。例如，在火燃烧缓慢的情况下，由节点34中的每一个附近的少量烟雾所单独地生成的光信号可能不足以发起警告。然而，当综合审查来自多个节点34的信号时，从多个节点34返回到光敏装置38的光的增加可以指示发生某个事件的或存在另外没有检测到的物体。在一个实施方案中，通过贝叶斯估计执行融合。另选地，可以采用线性或非线性联合估计技术，诸如最大似然(ML)、最大先验(MAP)、非线性最小二乘法(NNLS)、聚类技术、支持向量机、决策树和决策林等。

如上所述和所描述的，处理器54被配置成对由至少一个光感测装置38相对于时间所生成的信号进行分析。在另一个实施方案中，检测算法可以被配置成向信号应用傅里叶变换、小波变换、时空变换、Choi-Williams分布、Wigner-Ville分布等中的一个或多个，以将这些信号从时域转换成频域。当单独地分析节点34时，当在数据融合期间共同地分析节点34时，或者两者同时进行时，可以向信号应用该变换。

通过测量信号的因果关系和依赖性而推断光散射与状况的幅度或存在之间的关系。作为例子，因果关系的测量利用一个或多个信号特征作为输入，并且从假设检验方法、前景比、二阶导数、平均值或格兰杰因果关系检验的计算中确定一个或多个输出。类似地，可以使用一个或多个信号特征作为输入来评估信号的依赖性。从相关性、快速傅里叶变换系数、二阶导数或窗口的计算中选择一个或多个输出。然后，状况的幅度和存在基于因果关系和依赖性。可以利用一种或多种评估方法来计算状况的幅度和存在：阈值、速度、变化率或分类器。检测算法可以包括利用从因果关系、依赖性或两者的计算中所获得的输出。这用于指示一个或多个节点34处的状况的存在并且发起响应。

由于烟雾的频率在例如约0.01 Hz至约10Hz的小范围内变化，因此相对于频率而对信号的评估可以有效且准确地确定预定空间82内的烟雾的存在。检测算法可以被配置成在固定时间窗口中评估信号，以便确定烟雾的运动的频率或强度的幅度。因此，如果频率分量的幅度超过预定阈值，那么检测算法可以发起警告，指示存在火灾。在一个实施方案中，预定阈值为约10Hz，使得当光学烟雾频率的幅度超过阈值时，存在烟雾。

在一个实施方案中，算法58被配置成基于由节点34附近的大气所散射并由节点34中的一个或多个随时间而接收的光的变化率来区分不同的事件或状况。参考图11A和图11B，示出了从节点34相对于不同的事件而随时间所记录的信号的图。图11A指示当人走过正由节点34所监测的区域时，由节点34所接收的光信号的变化。如图所示，人的移动表现为具有不同幅度的步长。图11B，其表示来自阴燃火的烟雾的检测，以图形方式表现为更连续变化的信号，由节点34所接收的光信号随时间而加速增大。应当理解，所示的图仅仅是例子。此外，可由检测系统20检测的每个预定事件可以具有与其相关联的一个或多个唯一参数。

为了减少与每个信号相关联的噪声，可以对发光装置36进行调制，使得装置36有选择地操作以便以特定图案生成调制光。在一个实施方案中，图案内的光可以在强度、宽度、频率、相位上发生变化，并且可以包括离散脉冲或者可以是连续的。光的特定图案可以被设计成具有期望性质，诸如与其自身的特定自相关或与第二特定图案的互相关。当以特定图案发射光时，散射回到相应光感测装置38的光应当以基本相同的图案到达。使用一个或多个特定且已知的图案可以通过允许系统20降低整体噪声而提供增强的处理能力。当与信号处理结合时，所实现的噪声的这种降低可以导致信噪比得到改善，并且检测到的错误事件或状况的总数将会减少。另选地或除此之外，可以提高装置灵敏度，从而提高检测系统20的极限。类似地，通过使一个或多个第二图案互相关，可以例如通过对所接收信号与一个或多个第二图案的相应互相关的贝叶斯估计而区分所发射信号或所反射信号的特定原因。

此外，对由光源36所发射的光信号的调制可以通过确定关于某个事件或状况的更多信息而提供改进的检测，所述事件或状况导致由节点34所接收的光信号受到散射。例如，这种调制可以允许系统20更容易地区分走过邻近于节点的指定区域的人(如图11A所示)与邻近于节点34的阴燃火。

现在参考图12，在一些实施方案中，系统20包括一个或多个光学增强装置80，诸如带通滤波器、偏振器、抗反射涂层、波片和/或其他光学特征，以减少来自非事件信号或其他非期望信号诸如来自日光的环境光或空间中的照明的干扰，或者来自预定空间82中的固体物体的干扰。此外，光学增强装置80可用于减少从光源36所传输的非期望波长和/或强度。在一些实施方案中，将光学增强装置80放置在系统20中，在光源36(在一些实施方案中为激光二极管)的下游和光敏装置38(在一些实施方案中为光二极管)的上游。放置光学增强装置80，使得散射并反射回到光敏装置38的光穿过光学增强装置80，以便过滤或区分由于例如环境光、固体物体、臭虫、灰尘或水蒸汽而从其他信号所感测的事件或其他状况。

如图12所示，在一些实施方案中，光学增强装置80定位于光敏装置38处和/或是光敏装置38的一个部件、与光敏装置38成一整体或嵌入光敏装置38内。此外，光敏装置38可以被配置成使得光学增强装置80可容易地移除和/或可替换为另一光学增强装置80，以便过滤或散布散射信号/反射信号中的不同状况。

虽然在图12的实施方案中，光学增强装置80定位于光敏装置38处或嵌入光敏装置38中，但在其他实施方案中，光学增强装置80定位于其他位置处，诸如定位于如图13所示的节点34处。这实现了光学增强装置80的节点特定放置，使得不同的光学增强装置80可以放置在不同的节点34处。此外，在一些实施方案中，可以利用光学增强装置80的组合，诸如带通滤波器和偏振器的组合来过滤或散布散射光/反射光的某些状况。此外，在其中节点34包括两个或更多个芯40、42的系统20中，光学增强装置80可以定位于单独的芯40、42处或定位于芯40、42中的两个或更多个处。

现在参考图14，在一些实施方案中，系统20包括聚焦或扩展光学元件，以便在检测烟雾/气体或其他状况或事件时增大检测系统20的范围、灵敏度或视场。可以将聚焦光学元件放置在节点处或控制系统与纤维线束之间，以通过会聚光或准直光来增大范围和灵敏度。此外，可以将扩展光学元件放置在类似位置处，以通过发散光来增大节点的视场。通过举例，光学元件可以包括反射镜、聚焦透镜、发散透镜和扩散体，以及光学元件或其部件上的抗反射涂层的整合。

如图14所示，光学元件可以是定位于节点34处的一个或多个透镜84。透镜84使得从光源36所传输的出射光束的发散度减小，同时还增加了由节点34所接收以便传输到光敏装置38的散射光的量。在一些实施方案中，透镜84在节点34处融合到芯40、42的端部，以减少离开透镜84面的光的散射，从而提高节点34的光收集效率。此外，在一些实施方案中，芯40、42可以具有锥形透镜光纤，所述锥形透镜光纤不需要融合并且用作透镜84。在其他实施方案中，透镜84可以被配置成减少离开透镜面的光的散射。此外，透镜84可以包括光束转向特征，例如固态材料，所述固态材料用于改变入射光的折射率以使光沿着芯40、42转向。光束转向特征还可以是光子集成电路，所述光子集成电路利用图案化硅来控制光的定向发射。

现在参考图15，在一些实施方案中，光学元件可以包括定位于节点34处的抛物面反射镜86。抛物面反射镜86相对于节点轴线88而偏离角度定位。与透镜84一样，抛物面反射镜86使得从光源36所传输的出射光束的发散度减小，同时还增加了由节点34所接收以便传输到光敏装置38的散射光的量。在一些实施方案中，抛物面反射镜86被配置成在系统20的操作期间围绕旋转轴线旋转，以进一步增加节点34的覆盖范围。

在一些实施方案中，可以在节点34处利用透镜84和反射镜86二者。此外，虽然在图14和图15所示的实施方案中，在每个节点34处都利用光学器件，但在其他实施方案中，可以仅在所选择节点34处利用光学器件来向所选择节点34提供它们的益处，诸如由于例如限制将节点34放置在受保护空间中而增大了所选择节点34处的检测范围。在其他实施方案中，可以将光学元件放置在光源36或光敏装置处以增强检测系统50。

除了烟雾或灰尘之外，系统20还可用于监测或检测污染物诸如挥发性有机化合物(VOC)、颗粒污染物如PM2.5或PM10.0颗粒、生物颗粒和/或化学物质或气体诸如H₂、H₂S、CO₂、CO、NO₂、NO₃等。可以由光源36传输多个波长，以能够同时检测烟雾以及单独的污染材料。例如，第一波长可用于检测烟雾，而第二波长可用于检测VOC。另外的波长可用于检测另外的污染物，并且使用多个波长信息进行聚合可以提高灵敏度并辨别来自错误源或妨害性源的气体品种。为了支持多个波长，可以利用一个或多个激光器来发射几个波长。另选地，控制系统可以有选择地控制光的发射。利用系统20进行污染物检测可以改善预定空间82中的空气质量并改进安全性。

在一些实施方案中，如图16A所示，光纤分支32可各自经由耦合件132操作地连接到纤维线束主干31，所述纤维线束主干可以仅包括单个光纤芯。在一些实施方案中，耦合件132是接合连接件、融合连接件或固态切换装置中的一个。利用耦合件132允许在安装纤维线束30后向纤维线束30添加节点34，或者一旦安装光纤束30，就移除或重定位节点34。因此，耦合件132增大了纤维线束30和系统20的灵活性。

在另一个实施方案中，如图16B所示，第一光纤芯40可操作地耦合到第一节点34，而第二节点34可操作地耦合到第二光纤芯42。在这样的实施方案中，第一光纤芯40用于从光源36传输光，而第二光纤芯42接收散射光并将向光敏装置38输送散射光。在一些实施方案中，将第一光纤芯40耦合到第一节点34的第一耦合件132a与将第二光纤芯42耦合到第二节点34的第二耦合件132b相同，而在其他实施方案中，第一耦合件132a不同于第二耦合件132b。

此外，作为接合连接件、融合连接件、一个或多个固态切换装置的替代或补充，光学放大器96可以沿着纤维线束30放置，以放大经由纤维线束31行进的信号。光学放大器96可以例如如图17所示定位于节点34之间，或定位于光检测装置38与纤维线束30之间。此外，在一些实施方案中，耦合件132可以沿着纤维线束30定位在其他位置处，例如定位在纤维线束30与光源36之间，和/或定位在纤维线束30与光敏装置38之间。

现在参考图18，控制系统50被配置用于多个输入端和/或多个输出端，以便经由光纤电缆28和节点34传送信息。在一些实施方案中，多个输入端和输出端可以包括建筑物或封闭空间的互联网连接140、建筑物网络或管理系统142和/或消防系统控制板134。消防系统控制板134被配置用于与例如消防部门进行通信，和/或被配置成在由系统20检测到烟雾、火灾或其他物质的情况下，经由建筑物或空间传输警告。在图18所示的实施方案中，光纤电缆28进一步用于经由建筑物传送警告、警报和其他信息，诸如系统诊断信息。控制系统50既能够测量预定区域82中的状况，又能够提供通信。例如，一旦控制系统50基于从一个或多个节点34所接收的检测信号而确定存在某个状况，则控制系统50将来自消防系统控制板134的一个或多个警告信号沿着光纤电缆28传输到建筑物或空间中的一个或多个警告单元138，所述警告单元基于所接收的警告信号而发起警告或警报。控制系统50能够通过将光的频率和幅度调制组合起来而在光纤线束30中进行这个操作。在一些实施方案中，警报或警告是一个或多个可听见的声音，而在其他实施方案中，警报或警告是光或者光和声音的组合。此外，控制系统50可以被配置成经由光纤电缆28和节点34发送和/或接收通信，以便经由沿着电缆32所传输的调制光而与空间中的一个或多个建筑物基础设施或本地装置进行通信。在一些实施方案中，该通信经由Li-Fi协议进行。

现在参考图19，示出了封闭件122例如服务器壳体，在所述服务器壳体中定位有一个或多个电子部件124。检测系统20与抑制系统126一起安装在封闭件122中。抑制系统126可以包括例如抑制剂供应装置128和一个或多个抑制剂出口130，所述一个或多个抑制剂出口定位于例如检测系统20的节点34处。检测系统20、抑制系统126和一个或多个电子部件124连接到检测系统20的控制单元52。在检测系统20的节点34处检测到火灾或烟雾的情况下，控制单元52触发抑制系统126以便在节点34位置处启动抑制剂出口130，从而在封闭件122中提供局部抑制。此外，控制单元52可以命令断开节点34区域中的电子部件124，以防止对具体电子部件124造成进一步损坏。如本文所述的经由检测系统20和抑制系统126而实现的局部检测和抑制为电子部件124提供保护使其免于遭受火灾和烟雾，同时定位抑制以保护此类未经受火灾和烟雾的部件使其免于暴露于抑制剂，从而减少对那些部件的损坏，并进一步降低事件后清理抑制剂的成本和费用。

现在参考图20，示出了飞行器200的示意图。飞行器200包括机身202，所述机身具有从其中延伸出来的机翼204。此外，飞行器200包括一个或多个舱室，即预定区域，在所述一个或多个舱室处期望提供火灾、烟雾和/或热检测能力。这些舱室可以包括货舱206、卫生间208、航空电子设备舱210等。本领域技术人员应当很容易认识到，所列出的舱室仅仅是示例性的，并且本公开可以很容易应用于其他舱室，以及进一步地，可以在除飞行器200之外的其他交通工具或结构中利用本公开。

将检测系统20的实施方案安装在飞行器200中以检测舱室206、208、210处的火灾、烟雾和/或热量。如图20所示，纤维线束30在端口212处连接到控制系统50，并且可以具有一个或多个光纤电缆28，所述一个或多个光纤电缆延伸到舱室206、208、210。在一些实施方案中，纤维线束30中的不同的光纤电缆28或光纤芯将用于烟雾/火灾检测，而其他光纤电缆或光纤芯用于温度测量。然而，控制系统50用于评估来自纤维线束30的散射光，以便进行烟雾检测和温度/过热检测。

对由光源36所传输的光与在光敏装置38处所接收的散射光进行比较，这将指示邻近于节点34相邻的大气中是否存在变化。例如，大气中烟雾或其他颗粒的存在将导致经由节点而发射的光散射到纤维外部。尽管将检测系统20描述为使用光散射来确定状况或事件，但其中除了光散射之外或作为对光散射的替代，还使用了光遮挡、光吸收和荧光的实施方案也在本公开的范围内。

在一些实施方案中，第一光纤电缆28用于监测舱室或区域的烟雾和/或火灾状况，而第二光纤电缆28用于监测舱室或区域的温度状况。在端点212与节点34之前，第一光纤电缆28延伸进入或穿过检测系统20的一个或多个感兴趣舱室，以便监测或检测这些舱室中的烟雾和/或火灾。类似地，在端点212与节点34之间，第二光纤电缆28延伸进入或穿过检测系统20的一个或多个感兴趣舱室，以便监测或检测这些舱室中的过热状况。第二光纤电缆也可以以环路的方式延伸穿过一个或多个舱室。

虽然通过观察节点34附近的散射光(不在纤维内部)而进行烟雾/火灾检测，但可以通过对纤维中的内部散射进行分析而监测温度。围绕光纤电缆28的环境空气的温度的增大会导致在光纤芯内部发生瑞利和拉曼散射。随后可以使这个内部散射与芯40、42附近的环境空气的温度相关。通过对控制系统50处的散射光信号和飞行时间信息进行分析而确定任何烟雾、火灾和/或过温状况的位置。此外，在一些实施方案中，来自光源26的外传光可以以多个波长重复，以便减少错误警告，经由应变和温度感测、寿命终止条件或对挥发性有机化合物(VOC)的环境健康监测来提供健康监测。

虽然已结合有限数量的实施方案描述了本公开，但应当很容易理解，本公开不限于这些公开的实施方案。而是，可以修改本发明以并入迄今未描述但与本公开的精神和范围一致的任何数目的变化、更改、替代或等效布置。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施方案，但应当理解，本公开的各方面可以仅包括所描述实施方案中的一些。因此，本公开并不被视为受前述描述的限制，而仅由随附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种监测烟雾、火灾和温度状况的方法，所述方法包括：

经由第一光纤电缆传输光，所述光纤电缆终止于节点处，所述节点被设置以监测一个或多个预定区域处的烟雾或火灾状况；

沿着第二光纤电缆传输光，所述第二光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况；

在控制系统处从所述第一光纤电缆和/或所述第二光纤电缆接收散射光；以及

对所述散射光进行分析以沿着纤维线束或在所述节点处确定烟雾、火灾和/或温度状况的存在和幅度中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过对所述散射光进行分析而确定所述温度状况，所述散射光已在所述第二光纤电缆的一个或多个纤维部分处被内部散射。

3.根据权利要求1所述的方法，其中光源可有选择地操作以传输光信号。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括有选择地改变所述所传输光的波长。

5.根据权利要求1所述的方法，其中光敏装置与所述节点相关联，所述光敏装置被配置成接收所述散射光信号。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述散射光信号转换成相应电信号，以便由控制单元进行评估。

7.一种用于监测飞行器结构内的烟雾、火灾和/或温度状况的系统，所述系统包括：

纤维线束，所述纤维线束包括第一光纤电缆和第二光纤电缆，所述第一光纤电缆终止于节点处，所述节点被设置以监测一个或多个预定区域处的烟雾或火灾状况，并且所述第二光纤电缆被布置以监测一个或多个预定区域处的温度状况；以及

控制系统，所述控制系统可操作地连接到所述纤维线束，所述控制系统包括：

一个或多个光敏装置，所述一个或多个光敏装置被配置成从所述第一光纤电缆和所述第二光纤电缆接收光；以及

控制单元，所述控制单元被配置成：

对在所述一个或多个光敏装置处从所述第一光纤电缆所接收的光进行分析以确定一个或多个预定区域处的一个或多个火灾或烟雾状况；以及

对在所述一个或多个光敏装置处从所述第二光纤电缆所接收的光进行分析以确定一个或多个预定区域处的温度状况。

8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括一个或多个纤维部分，所述一个或多个纤维部分沿着所述第二光纤电缆设置，以便经由所述光的内部散射而测量温度。

9.根据权利要求8所述的系统，其中测量所述温度进一步包括测量过热状况。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个光敏装置包括第一光敏装置和第二光敏装置，所述第一光敏装置被配置成从所述第一光纤电缆接收光，并且所述第二光敏装置被配置成从所述第二光纤电缆接收光。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述控制系统包括光源，所述光源用于沿着所述第一光纤电缆和所述第二光纤电缆传输光信号。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制单元可操作地耦合到所述光源，以便有选择地控制来自所述光源的光的发射。

13.根据权利要求7所述的系统，其中所述光敏装置为光二极管。

14.根据权利要求7所述的系统，其中所述光敏装置将在所述控制系统处所接收的散射光信号转换成可由所述控制单元接收的电信号。

15.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一光纤电缆限定布置在所述飞行器结构内的多个节点。