CN111579114A - 一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，将空间分辨率和感知分辨率两个概念区分开，在保证传统FBG传感系统的空间分辨率的前提下，仅增加单个脉冲光信号覆盖下的FBG的数量而不改变脉冲光信号的脉宽，从而提高系统的感知分辨率而不增加对硬件电路的要求，真正缩短相邻FBG之间的间隔，提高系统的感知分辨率，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测；通过采用简单的特征提取算法获取不同区域的火灾温度信息，系统的温度探测速度快。

Description

一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法
技术领域
本发明涉及小尺寸火源监测技术领域，尤其涉及一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法。
背景技术
光纤传感测温技术因具有抗电磁干扰、抗腐蚀、探测距离长和复用容量大等优点，已在石油石化、电力、隧道交通等众多领域取代传统的电类火灾探测技术，成为主流的火灾探测技术。然而随着科技的发展，人们对火灾的起始和发展过程有了清晰的认识，火灾探测技术不仅需要能够实现长距离、大范围的监测，还需要在火灾探测沿线密集的监测温升情况，从而在火源较小的情况下进行预警，将火灾扑灭在萌芽状态。
基于光纤布拉格光栅(FBG)温度传感的技术，是火灾探测器市场上一种成熟的技术，利用FBG的中心波长对温度敏感这一特性对FBG所处环境的温度进行测量，具有信噪比高、响应速度快等优势。但是FBG只能感知其自身的温度变化，FBG与FBG之间的光纤并不具备感知能力，因此该技术是一种准分布式传感技术，对小尺寸火源的探测能力主要取决于相邻FBG之间的间距。
传统的FBG温度传感系统主要有两种组网方式：一种是基于波分复用(WDM)技术的组网方式，将多个不同波长的强反射率的FBG串联焊接在一起构成传感网络，FBG之间的间隔可以根据需要任意设置，因此能够实现小尺寸火源的感知。但是由于受到光源带宽和焊接损耗的影响，系统的复用数量最多只有几十个，难以实现大规模长距离的探测；另一种是基于时分复用(TDM)技术的组网方式，将多个相同波长的弱反射率的FBG串联焊接在一起构成传感网络，由于不再受到光源带宽的限制，系统的复用容量可以达到数百个。但是FBG之间的间隔(通常为米级)受脉冲光源的脉宽及硬件电路的带宽的限制，系统难以实现小尺寸火源的探测。
随着在线光纤光栅刻写技术的出现，FBG传感网络采用工业光纤拉丝塔制备技术，在光纤拉制过程中连续多点写入传感光栅，避免了焊接损耗，同时也增加了传感网络的机械强度，可以实现在一根光纤上刻写上万个光栅，具备空间分辨率高、系统容量大、探测距离长、灵活性高等特点。虽然传感网络的制备得到了质的飞跃，但在利用TDM技术组网方式的传感网络中，解调系统始终受到脉冲光信号的脉宽限制，无法实现真正意义上缩短相邻FBG之间的间隔，无法实现长距离大容量高密度的小尺寸火源监测。
因此，为解决上述问题，本发明提供一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，将密集分布的FBG传感网络分为若干个较大的区域，使用脉宽较宽的脉冲光获取不同区域的整体光谱信息，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，将密集分布的FBG传感网络分为若干个较大的区域，使用脉宽较宽的脉冲光获取不同区域的整体光谱信息，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，包括以下步骤：
S1、在单根光纤上连续地刻写了n个等间距的FBG构成大容量全同UWFBG传感网络，相邻FBG之间的间隔为ΔL，将全同UWFBG传感网络的有效探测长度记为Lfiber，则Lfiber＝n*ΔL；
S2、将全同UWFBG传感网络分为2N个等长的区域，每个区域内分布着m个FBG，每个区域的长度记为D，则D＝m*ΔL＝Lfiber/2N，全同UWFBG传感网络的空间分辨率为D，并且空间分辨率D恒定不变；
S3、将脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中，单个脉冲光信号的脉宽覆盖一个区域内所有FBG，将脉冲光信号的脉宽记为t，周期记为T；t＝2neffD/c，T>2neffLfiber/c，其中neff为光纤纤芯的折射率，c为真空中光的传播速度；
S4、当脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中后，每个区域内的m个FBG的反射谱信号叠加形成一个整体区域光谱信号；
S5、对该整体区域光谱的特征进行归纳并分类，根据该整体区域光谱的特征建立不同的数据处理机制，获取详细的温度信息，从而实现小尺寸火源的监测。
在以上技术方案的基础上，优选的，S1中ΔL的取值范围为：8-20cm。
在以上技术方案的基础上，优选的，S5中整体区域光谱的特征包括四个特征，分别记为特征1、特征2、特征3和特征4；
特征1为：区域内所有的FBG处于同一条件下时，即区域内所有FBG的中心波长一起随温度变化，所有FBG的光谱叠加为一个整体区域光谱，该整体区域光谱形状与单个FBG的光谱相似但峰值强度为单个FBG峰值强度的m倍，同时该整体区域光谱呈现整体移动的特征；
特征2为：区域内仅单个FBG所处的环境发生变化时，将该单个FBG记为FBG#n，FBG#n的光谱逐渐从整体区域光谱中分离出来向长波长方向移动，同时整体区域光谱的主峰强度降为特征1下整体区域光谱峰值强度的(m-1)/m；
特征3为：区域内多个FBG受到相同的温度影响发生变化时，整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰强度增加至x/m，且随温度左右移动；
特征4为：区域内多个FBG受到不同温度影响发生变化时，整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰的形状则随着各个FBG所受温度的变化而变化，整个区域光谱的宽度代表了区域内FBG的温度梯度大小，旁峰的强度分布则与不同温度梯度上的FBG的数量相关。
进一步优选的，S5中数据处理机制包括以下步骤：
S101、系统初始化：保持全同UWFBG传感网络中所有的FBG处于同一参考温度C下，获取此时各个区域的整体区域光谱的最大值以及相对应的波长值作为系统的参考值，将整体区域光谱的最大值记为Mi，其相对应的波长值记为λi，i表示第i个区域，获取区域光谱两侧的旁瓣强度，将左侧旁瓣强度记为SLeft，将右侧旁瓣强度记为SRight，记录整体区域光谱最左侧sg倍SLeft的强度所对应的波长值λLeft_i和整体区域光谱最右侧sg倍SRight的强度所对应的波长值λRight_i作为系统的标定值，其中sg的取值根据系统的功率波动取值；
S102、系统实时运行时，获取区域i的整体区域光谱的最大值MAX以及MAX所对应的波长值λ，将MAX与Mi相比较；
若相等，则区域i的整体区域光谱属于特征1，区域i的最高温度值记为Ti，Ti＝C+k*(λ-λi)，k为FBG的温度/波长系数；
若不等，则进行S103；
S103、判断区域i的整体区域光谱的最大值MAX是否满足MAX≥(m-1)/m*Mi；
若满足，则执行S104；若不满足，则遍历整体区域光谱数据，寻找两个峰值点MAXL和MAXR，并执行S105；
S104、将MAX所对应的波长值λ并与λi相比较；
若λ与λi相等，则区域i的整体区域光谱属于特征2，区域i的最高温度值：Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，λRight为整体区域光谱最右侧sg倍SRight强度处的波长值；
若λ与λi不相等，则区域i的整体区域区域光谱属于特征4，区域i内的最高温度为Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，其它FBG所处温度值为C+k*(λ-λi)；
S105、判断峰值点MAXL和MAXR的强度之和是否等于Mi；
若等于，则区域i的整体区域光谱属于特征3，区域i内FBG被分为两组，每组内FBG受同一温度影响且每组内FBG数量分别为m*MAXL/(MAXL+MAXR)和m*MAXR/(MAXL+MAXR)，获取峰值点MAXL和MAXR对应的波长值λL和λR，区域i内两组FBG的温度信息分别为：TL＝C+k*(λL-λi)，TR＝C+k*(λR-λi)；
若不等于，则区域i的整体区域光谱属于特征4，区域i的最高温度为C+k*(λRight-λRight_i)，最低温度为C+k*(λLeft-λLeft_i)，λLeft为整体区域光谱最左侧sg倍SRight强度处的波长值。
本发明的一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)在全同UWFBG传感网络中采用反射率超弱的FBG可以大大提高全同UWFBG传感网络的复用容量，因此本发明的全同UWFBG传感网络也在具有小尺寸火源感知能力的同时也具有长距离的火灾探测能力；
(2)将光纤分成若干个等长的传感区域，每个区域的FBG数量和参数相同，避免了复杂的组网方式，降低了解调难度；
(3)将空间分辨率和感知分辨率两个概念区分开，全同UWFBG传感网络的空间分辨率为D，并且空间分辨率D恒定不变，单个脉冲光信号的脉宽覆盖一个区域内所有FBG，使用脉宽较宽的脉冲光获取不同区域的整体光谱信息，在保证传统FBG传感系统的空间分辨率的前提下，仅增加单个脉冲光信号覆盖下的FBG的数量而不改变脉冲光信号的脉宽，从而提高系统的感知分辨率而不增加对硬件电路的要求，真正缩短相邻FBG之间的间隔，提高系统的感知分辨率，从而实现小尺寸火源的探测；
(4)由于各个区域内的全同UWFBG具有相同的光学参数，因此叠加后的区域光谱仍受外界温度的影响，与传统FBG传感技术相比，该区域光谱所包含的信息更加丰富(波长-强度-形状信息)，更加有利于小尺寸火源的温度检测；
(5)通过采用简单的特征提取算法获取不同区域的火灾温度信息，系统的温度探测速度快；
(6)对于不同的小尺寸火源监测场景，本发明可以根据参考值和标定值提供详细且准确的温度信息，也可以只根据标定值提供简单的异常温度(高温)数据，增加响应速度，从而实现小尺寸火源的快速预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法中大容量全同UWFBG传感网络结构示意图；
图2为本发明一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法中不同情境下区域光谱的特征变化示意图；
图3为本发明一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法的流程示意图；
图4为实施例3适用于本发明的解调系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
传统的FBG温度传感系统主要有两种组网方式：一种是基于波分复用(WDM)技术的组网方式，将多个不同波长的强反射率的FBG串联焊接在一起构成传感网络，FBG之间的间隔可以根据需要任意设置，因此能够实现小尺寸火源的感知。但是由于受到光源带宽和焊接损耗的影响，系统的复用数量最多只有几十个，难以实现大规模长距离的探测；
另一种是基于时分复用(TDM)技术的组网方式，将多个相同波长的弱反射率的FBG串联焊接在一起构成传感网络，由于不再受到光源带宽的限制，系统的复用容量可以达到数百个。但是FBG之间的间隔(通常为米级)受脉冲光源的脉宽及硬件电路的带宽的限制，系统难以实现小尺寸火源的探测。同时由于FBG的反射率较弱(为了避免FBG之间的串扰问题)，过多的焊接点引入的焊接损耗造成传感网络尾端FBG传感器的信号信噪比较差。
为了克服TDM技术中FBG的反射率太弱造成的信噪比差的问题，将多个相同波长的强反射率的FBG并联焊接在分路器上构成传感网络，每个FBG对应不同的延时光纤，即为了提高FBG的反射率而又不引入串扰等问题，将串联网络改为并联网络。这种方法无疑可以实现小尺寸火源的感知，因为多根传感光纤的布设突破了空间因素的限制。但这种方法并未对解调系统进行改进，每个FBG对应的延时光纤的长度同样受到脉冲光源的脉宽及硬件电路带宽的限制，同时由分路器等器件引入的损耗也限制了系统的复用容量。
随着在线光纤光栅刻写技术的出现，FBG传感网络的制备不再需要多个FBG进行焊接，采用工业光纤拉丝塔制备技术，在光纤拉制过程中连续多点写入传感光栅，避免了焊接损耗，同时也增加了传感网络的机械强度，可以实现在一根光纤上刻写上万个光栅，具备空间分辨率高、系统容量大、探测距离长、灵活性高等特点。虽然传感网络的制备得到了质的飞跃，但在利用TDM技术组网方式的传感网络中，解调系统始终受到脉冲光信号的脉宽限制，无法实现真正意义上缩短相邻FBG之间的间隔，即系统的空间分辨率(感知分辨率)由脉冲光信号的脉宽决定。脉宽越短，系统的空间分辨率(感知分辨率)越高，但对系统中硬件电路的带宽要求也越高。值得一提的是，空间分辨率是表征分布式光栅传感器沿光纤长度分布上能够识别的两个相邻火源的最小距离，由脉冲光信号的脉宽决定；感知分辨率是表征分布式光栅传感器沿光纤长度分布上能够识别的火源的最小尺寸。可见，空间分辨率和感知分辨率是两个概念。在基于FBG传感的解调系统中，研究人员始终将系统的感知分辨率默认为系统的空间分辨率，因此系统一直受到脉冲光信号的脉宽的限制，无法实现长距离大容量高密度的小尺寸火源监测。
综上，基于波分复用(WDM)技术的组网方式，其复用数量最多只有几十个，难以实现大规模长距离的探测；基于时分复用(TDM)技术的组网方式中，存在两个问题：(1)FBG之间的间隔(通常为米级)受脉冲光源的脉宽及硬件电路的带宽的限制，系统难以实现小尺寸火源的探测；(2)将系统的感知分辨率默认为系统的空间分辨率，因此系统一直受到脉冲光信号的脉宽的限制，无法实现长距离大容量高密度的小尺寸火源监测。
本实施例是基于时分复用(TDM)技术的组网方式，为了解决时分复用(TDM)技术的组网方式中遇到的两个问题，本实施例利用超大容量FBG在线刻写技术制作的长距离、高密度、大容量的全同超弱光纤光栅(UWFBG)传感阵列作为传感网络，提供了一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，具体包括以下步骤：
S1、在单根光纤上连续地刻写了n个等间距的FBG构成大容量全同UWFBG传感网络，相邻FBG之间的间隔为ΔL，将全同UWFBG传感网络的有效探测长度记为Lfiber，则Lfiber＝n*ΔL；
本实施例中，间隔ΔL与火源尺寸相当。进一步优选的，ΔL的取值范围为：8-20cm。
本步骤的有益效果为：在全同UWFBG传感网络中采用反射率超弱的FBG可以大大提高全同UWFBG传感网络的复用容量，因此该全同UWFBG传感网络也在具有小尺寸火源感知能力的同时也具有长距离的火灾探测能力。
S2、将全同UWFBG传感网络分为2N个等长的区域，每个区域内分布着m个FBG，每个区域的长度记为D，则D＝m*ΔL＝Lfiber/2N，全同UWFBG传感网络的空间分辨率为D，并且空间分辨率D恒定不变；
如图1所示，将2N个区域分别记为区域#1、区域#2、区域#3…区域#2N。由于不同区域内的温度变化不会影响相邻区域，因此全同UWFBG传感网络的空间分辨率为D，并且空间分辨率D在设置区域长度时就已经确定，因此，本实施例的空间分辨率D不会改变。
本步骤的有益效果为：将光纤分成若干个等长的传感区域，每个区域的FBG数量和参数相同，避免了复杂的组网方式，降低了解调难度。
S3、将脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中，单个脉冲光信号的脉宽覆盖一个区域内所有FBG，将脉冲光信号的脉宽记为t，周期记为T；t＝2neffD/c，T>2neffLfiber/c，其中neff为光纤纤芯的折射率，c为真空中光的传播速度；
本实施例中，单个脉冲光信号的脉宽覆盖一个区域内所有FBG，即单个脉冲光信号的脉宽覆盖m个FBG。全同UWFBG传感网络的感知分辨率由单个脉冲光信号覆盖下的FBG数量决定，单个脉冲光信号覆盖下的FBG数量越多，全同UWFBG传感网络的感知分辨率越高。
传统传感技术中，脉冲信号的脉宽越短，系统的空间分辨率越高，但对系统中硬件电路的带宽要求也越高，而现有的硬件电路达不到要求，无法真正意义上缩短相邻FBG之间的间隔，进而提高系统的空间分辨率，实现小尺寸火源监测的目的。本步骤中，可以在保证传统FBG传感系统的空间分辨率的前提下，仅增加单个脉冲光信号覆盖下的FBG的数量提高系统的感知分辨率，使用脉宽较宽的脉冲光获取不同区域的整体光谱信息，从而实现小尺寸火源的探测，降低对硬件电路的要求，真正实现缩短相邻FBG之间的间隔。
传统的FBG传感系统中，脉冲光信号的脉宽t的要求是：t＜2neffD/c，只要脉宽t满足t＜2neffD/c，就可以区分开前后两个FBG。本实施例中，因为要顾及脉冲光信号脉宽需要覆盖每个区域内所有的光栅，若脉宽t小于2neffD/c，则无法覆盖区域内所有的光栅；若脉宽t大于2neffD/c，则无法区分前后两个分区，所以，本实施例中，t＝2neffD/c。
本步骤的有益效果为：本实施例至此已经将空间分辨率和感知分辨率两个概念区分开，将空间分辨率和感知分辨率两个概念区分开，在保证传统FBG传感系统的空间分辨率的前提下，仅增加单个脉冲光信号覆盖下的FBG的数量提高系统的感知分辨率，降低对硬件电路的要求，真正缩短相邻FBG之间的间隔，提高系统的感知分辨率，从而实现小尺寸火源的探测。
S4、当脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中后，每个区域内的m个FBG的反射谱信号叠加形成一个整体区域光谱信号；
本步骤的有益效果为：由于各个区域内的全同UWFBG具有相同的光学参数，因此叠加后的区域光谱仍受外界温度的影响，与传统FBG传感技术相比，该区域光谱所包含的信息更加丰富(波长-强度-形状信息)，更加有利于小尺寸火源的温度检测。
S5、对该整体区域光谱的特征进行归纳并分类，根据该整体区域光谱的特征建立不同的数据处理机制，获取详细的温度信息，从而实现小尺寸火源的监测。
本步骤的有益效果为：通过采用简单的特征提取算法获取不同区域的火灾温度信息，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测，同时由于解调算法简单，系统的温度探测速度快。
本实施例的有益效果为：相比于基于拉曼散射技术的分布式光纤测温系统，本实施例利用大容量全同超弱反射率FBG传感网络取代单模光纤，在传感网络的制作工艺中并不会引入太多复杂的加工工艺，通过降低光栅之间的间距实现小尺寸火源的探测。同时在温度检测过程中，在保证相同空间分辨率的前提下，由于光谱域波长-强度-形状所包含的传感信息比拉曼散射信号所包含的信息更加丰富，因此可以进一步提高小尺寸火源的探测能力；
与传统的基于TDM+WDM+SDM复合组网方式实现的FBG火灾探测技术相比，本实施例仅采用一种简单的TDM组网方式，将基于OTDR技术的FBG解调系统中的空间分辨率和感知分辨率两个概念区分开，使用脉宽较宽的脉冲光获取不同区域的整体光谱信息，通过采用简单的特征提取算法获取不同区域的火灾温度信息，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测，又降低了系统的复杂度和施工难度，提高了系统的鲁棒性、可靠性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例根据整体区域光谱的特征建立不同的数据处理机制，在介绍数据处理机制的具体过程之前，先介绍整体区域光谱的特征。本实施例中，整体区域光谱的特征包括四个特征，分别记为特征1、特征2、特征3和特征4。以下详细介绍特征1～特征4的具体描述。
特征1为：区域内所有的FBG处于同一条件下时，即区域内所有FBG的中心波长一起随温度变化，如图2(a)所示，所有FBG的光谱叠加为一个整体区域光谱，由于区域内所有FBG均为全同光栅，因此该整体区域光谱形状与单个FBG的光谱相似但峰值强度为单个FBG峰值强度的m倍，同时该整体区域光谱呈现整体移动的特征；
特征2为：区域内仅单个FBG所处的环境发生变化时，将该单个FBG记为FBG#n，FBG#n的区域光谱的形状则会发生改变，如图2(b)所示，FBG#n的光谱逐渐从整体区域光谱中分离出来向长波长方向移动，同时整体区域光谱的主峰强度降为特征1下整体区域光谱峰值强度的(m-1)/m；
特征3为：区域内多个FBG受到相同的温度影响发生变化时，即随着火势的变大，受影响FBG的数量逐渐增加，此时整体区域光谱会在特征2的基础上，主峰强度继续下降，而旁峰强度进一步增加，如图2(c)所示。整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰强度增加至x/m，且随温度左右移动；
特征4为：区域内多个FBG受到不同温度影响发生变化时，即火源尺寸很小，空间的温度梯度影响了火源周围多个FBG时，如下图2(d)所示，移出的光谱处于不同的中心波长的位置，但距离火源最近的光栅的中心波长偏离的最远。整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰的形状则随着各个FBG所受温度的变化而变化，整个区域光谱的宽度代表了区域内FBG的温度梯度大小，旁峰的强度分布则与不同温度梯度上的FBG的数量相关。
基于上述四个特征，如图3所示，本实施例的数据处理机制包括以下步骤：
S101、系统初始化：保持全同UWFBG传感网络中所有的FBG处于同一参考温度C下，获取此时各个区域的整体区域光谱的最大值以及相对应的波长值作为系统的参考值，将整体区域光谱的最大值记为Mi，其相对应的波长值记为λi，i表示第i个区域，获取区域光谱两侧的旁瓣强度，将左侧旁瓣强度记为SLeft，将右侧旁瓣强度记为SRight，记录整体区域光谱最左侧sg倍SLeft的强度所对应的波长值λLeft_i和整体区域光谱最右侧sg倍SRight的强度所对应的波长值λRight_i作为系统的标定值，其中sg的取值根据系统的功率波动取值，避免旁瓣强度影响整体区域光谱两侧波长值的获取；
S102、系统实时运行时，获取区域i的整体区域光谱的最大值MAX以及MAX所对应的波长值λ，将MAX与Mi相比较；
若相等，则区域i的整体区域光谱属于特征1，区域i的最高温度值记为Ti，Ti＝C+k*(λ-λi)，k为FBG的温度/波长系数；本实施例中，区域i的最高温度值记为Ti也可以表示为Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，λRight为光谱最右侧sg倍SRight强度处的波长值。
若不等，则进行S103；
S103、判断区域i的整体区域光谱的最大值MAX是否满足MAX≥(m-1)/m*Mi；
若满足，则执行S104；若不满足，则遍历整体区域光谱数据，寻找两个峰值点MAXL和MAXR，并执行S105；
S104、将MAX所对应的波长值λ并与λi相比较；
若λ与λi相等，则区域i的整体区域光谱属于特征2，区域i的最高温度值：Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，λRight为整体区域光谱最右侧sg倍SRight强度处的波长值；
若λ与λi不相等，则区域i的整体区域区域光谱属于特征4，区域i内的最高温度为Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，其它FBG所处温度值为C+k*(λ-λi)；
S105、判断峰值点MAXL和MAXR的强度之和是否等于Mi；
若等于，则区域i的整体区域光谱属于特征3，区域i内FBG被分为两组，每组内FBG受同一温度影响且每组内FBG数量分别为m*MAXL/(MAXL+MAXR)和m*MAXR/(MAXL+MAXR)，获取峰值点MAXL和MAXR对应的波长值λL和λR，区域i内两组FBG的温度信息分别为：TL＝C+k*(λL-λi)，TR＝C+k*(λR-λi)；
若不等于，则区域i的整体区域光谱属于特征4，区域i的最高温度为C+k*(λRight-λRight_i)，最低温度为C+k*(λLeft-λLeft_i)，λLeft为整体区域光谱最左侧sg倍SRight强度处的波长值。
本实施例的有益效果为：本实施例提供简单的特征提取算法获取不同区域的火灾温度信息，既保证了系统的空间分辨率又实现了小尺寸火源的监测，同时由于解调算法简单，系统的温度探测速度快；
对于不同的小尺寸火源监测场景，本实施例可以提供详细的温度信息，也可以只提供简单的异常温度(高温)数据，增加响应速度，从而实现小尺寸火源的快速预警。
实施例3
根据国家标准GB16280-2014《线型感温火灾探测器》所述，探测器任一段长度为100mm的敏感部件能够迅速检测高温变化。可见，如何提高光纤类火灾探测技术对小尺寸(100mm)火源的监测能力在火灾预防工作中至关重要。在实施例2的基础上，本实施例结合一个实际案例对本申请的应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法进一步解释。具体如下：
步骤1：在单根光纤上连续刻写10000个反射率为-47dB，中心波长为1550nm的FBG，如图1所示，FBG之间间隔为10cm。由于每个光栅都对外界环境敏感，因此该传感网络可以感知到最小10cm尺寸的火源。同时，该传感阵列的有效探测长度为Lfiber＝n*ΔL＝1km；
步骤2：为保证火灾探测技术的空间分辨率，通常情况下对于火源的定位精确到1m的范围内足够消防人员进行热源的诊断，因此空间分辨率设置为1m。即将FBG传感网络每1m长的区域作为一个传感区域，共分为1000个区域，即区域#1、区域#2、区域#3…区域#1000，每个区域内包含10个FBG；
步骤3：为了将各个区域的信号在传感网络中区分开，根据OTDR原理，输入至传感网络的脉冲光信号的脉宽t＝10ns，周期T与光纤光栅阵列总长度有关，T>10us。在实际系统中通常取20us避免光纤光栅阵列中多重反射的影响；
步骤4：如图4所示，系统控制单元通过驱动模块控制产生脉宽t＝10ns，周期T＝20us的脉冲光信号，脉冲光信号的频谱范围为1548～1552nm的宽带光，当脉冲光输入至光纤光栅阵列中后，每个区域内所有FBG的反射谱信号会发生重叠形成一个整体的新的“区域光谱”信号。该信号在不同的时间到达光谱还原单元，因此可以在时间上将不同的区域划分开。接着还原后的区域光谱信号被送入数据处理单元进行最终的传感信息解调。
步骤5：区域光谱包含区域内的波长、强度以及多个光栅累加后的形状等信息，此处对实际工程中可能发生的火灾情景及相应情景下区域光谱的特征进行归纳并分类如下：
典型情景1：在没有外界温度扰动的时候，单个区域内10个FBG的中心波长保持一致不变，光谱强度也保持一致，当脉冲光输入到该区域时，所有光栅反射谱信号叠加，在波长1550nm处形成一个强度为单个光栅10倍的区域光谱信号，如图2(a)中区域光谱1所示，该光谱与单个光栅光谱的形状相似。若存在一火源使所有FBG的中心波长同时改变，则区域光谱也会随之改变，如图2(a)中区域光谱2、区域光谱3和区域光谱4所示，随着区域内FBG中心波长的右移，区域光谱也随之右移；
典型情景2：当区域内仅单个FBG所处的环境发生变化时，如图2(b)中所示，单个光栅受热后中心波长从1550nm增加至1550.2nm、1550.3nm及1550.5nm，由于该光栅所处的区域内其它9个FBG未受影响，因此它们的反射光谱基本不变，而随着单个光栅中心波长的变化，该光纤光栅的中心波长逐渐从区域光谱中分离出来，且随着火源温度的增加而向长波长方向移动。由于单个光栅移出区域光谱，此时区域光谱的主峰强度随着其中一个光栅光谱的移出，强度从1逐渐变为0.9，中心波长一直为1550nm，而分离出的光谱(旁峰)则从0.1的强度处逐渐向长波长方向移动；
典型情景3：当区域内多个光纤光栅受到相同的温度影响发生变化时，即随着火源影响范围的增大，多个光纤光栅受影响，如图2(c)所示，随着受热光纤光栅数量从0个，3个，6个增加到9个，原有区域光谱的强度从1，逐渐较小至0.7，0.4再到0.1；而移出的光谱强度逐渐从0增加至0.3，0.6再到0.9；
典型情景4：当区域内多个FBG受到不同温度影响发生变化时，即火源尺寸很小，空间的温度梯度影响了火源周围多个FBG时，各个FBG波长移动的程度不同，分别处于不同的中心波长的位置，区域光谱呈现出不同的强度-波长曲线图。若有一半(5个)的FBG受到不同温度的影响后分别漂移至1550.15nm，1550.30nm，1550.45nm，1550.60nm，1550.75nm，则区域光谱的主峰强度会从1降至0.5，如图2(d)中区域光谱2所示，移出的光谱处于不同的中心波长的位置，因此产生的旁峰的宽度将会很宽，代表着温度梯度影响的范围从1550nm波及到1550.75nm，而最高温所在位置处(小尺寸火源处)的FBG波长受影响最大，飘移到了1550.75nm处；若有一半(5个)的FBG受到不同温度的影响后分别漂移至1550.15nm，1550.30nm，1550.45nm，1550.75nm，1550.75nm，则区域光谱的主峰强度会从1降至0.5，如图2(d)中区域光谱3所示，移出的光谱处于不同的中心波长的位置，因此产生的旁峰的宽度将会很宽，代表着温度梯度影响的范围从1550nm波及到1550.75nm，同时1550.75nm处的强度为0.2，说明在火源处有2个FBG同时受到影响且中心波长都飘移到了1550.75nm；同理，区域光谱4代表最高温所在位置处(小尺寸火源处)的FBG波长受影响最大，飘移到了1550.75nm处，有两个FBG受到同一温度的影响飘移至1550.3nm处。
根据不同情景下区域光谱的特征建立不同的数据处理机制，获取详细的温度信息，从而实现小尺寸火源的监测。具体的数据处理机制如下：
系统初始化：保持传感网络中所有的FBG处于同一温度20℃下，如图2(a)中区域光谱1所示，此处强度值采用相对强度来表示，由于单个区域内光栅数量为10，因此单个FBG在1/10强度以下逐渐飘移出光谱。取区域光谱1的最大值坐标为(1550.0nm，1)，即波长值为1550.0nm时光谱的强度最大为1，作为系统的参考值。获取光谱两侧旁瓣强度SLeft＝0.012和SRight＝0.011，sg取1.1，同时记录光谱最左侧0.0132强度处的波长值1549.82nm与最右侧0.0121强度处的波长值1550.18nm作为标定值。
系统实时运行：系统实时获取各个区域的区域光谱信号并进行温度检测，以图2(a)中区域光谱2和区域光谱4为例，两个光谱中最大值的坐标分别为(1550.15nm，1)和(1550.45nm，1)，与区域光谱1相比，具有相同的最大值，因此判断这两个光谱为典型情景1，进一步地，区域光谱2和区域光谱4的温度值即为35℃和65℃，温度系数取1℃/10pm。同时取区域光谱2和区域光谱4中0.9/10强度处的最右侧波长值1550.33nm和1550.63nm，利用此参考值计算的温度值同样为35℃和65℃。
当区域内单个FBG受热温度低和受热温度高时，如图2(b)中单个光栅受热后中心波长从1550nm增加至1550.2nm和1550.5nm，首先获取两个区域光谱的最大值分别为(1550.00nm，0.901)和(1550.00nm，0.9),与系统的参考值相对，强度下降了1/10以内，因此判断这两个区域光谱均为典型情景2。取这两个光谱中最右侧0.0121强度处的波长值分别为1550.35nm和1550.64nm，根据初始化记录的标定值1550.18nm，两个区域光谱计算得到的温度值分别为37℃和66℃，而根据实际波长变化量计算得到的温度值应为40℃和70℃，误差分别为3℃和4℃。虽然在只有单个FBG受热的情境下，本发明得到的温度值与真实值存在误差，但相比于光纤分布式拉曼测温系统，本发明在性能上有很大的改进。对于拉曼测温系统而言，如果在1m空间范围内分别存在一个40℃和70℃的10cm尺寸的小火源，由于拉曼测温系统的测量值为1m范围内的平均温度值，因此得到的温度值分别为22℃和25℃，误差分别为18℃和45℃，这将导致系统无法响应火源，而本发明得到的结果虽然存在误差，但误差仅小于5℃，可以正常响应小尺寸火源。
当区域内多个光纤光栅受到相同的温度影响发生变化时，如图2(c)中3个FBG同时受热。通过数据遍历可以得到该区域光谱均有两个峰值，分别为(1550.0nm，0.7)和(1550.5nm，0.3)同时满足0.7+0.3＝1的关系，因此可以判断该区域光谱属于典型情景3。根据系统的参考值(1550.0nm，1)可以得出该区域内有10*0.7/(0.7+0.3)＝7个FBG受热20℃+1℃/10pm*(1550nm-1550nm)＝20℃，10*0.3/(0.7+0.3)＝3个FBG受热20℃+1℃/10pm*(1550.5nm-1550nm)＝70℃。取该区域光谱中最右侧0.0121强度处的波长值1550.66nm，根据初始化记录的标定值1550.18nm计算得到的温度值为68℃，误差为2℃。同理，当有9个FBG受热时，根据参考值可以得出该区域有1个FBG受热20℃，9个FBG受热70℃，根据标定值计算得到的温度值为70℃，误差为0。
不满足以上条件的区域光谱数据则被判断为典型情景4，即多个FBG受到不同温度的影响，如图2(d)中所示。以区域光谱2和区域光谱3为例，当系统得到区域光谱2后，通过寻找峰仅得到一个峰值(1550.0nm，0.511)，0.511与系统保留的参考值1不相等，且小于0.9，因此可以判断出该区域光谱内有多个FBG受到温度的影响，又因为该区域光谱仅有1个峰值点，因此该区域光谱会被判断为典型情景4。通过峰值点可以得出系统中有5个FBG处于20℃温度下，其它FBG受不同温度的影响，且通过该区域光谱中最右侧0.0121强度处的波长值1550.89nm与标定值1550.18nm可以得出该区域内温度最高的FBG为91℃，误差为4℃。通过该区域光谱中最左侧0.0132强度处的波长值1549.83nm与标定值1549.82nm可以得出该区域内温度最低的FBG为21℃，误差为1℃；当系统得到区域光谱3后，通过寻峰可以得到2个峰值(1550.0nm，0.511)和(1550.75nm，0.201)，由于0.511＜0.9且0.511+0.201＜1，因此该区域光谱被判断为典型情景4，同理，根据参考值可知该区域有5个FBG处在20℃温度下，2个FBG处在95℃温度下，根据标定值可知该区域最大值为93℃，误差为2℃。
本实施例的有益效果为：对于不同的小尺寸火源监测场景，本实施例可以根据参考值和标定值提供详细且准确的温度信息，也可以只根据标定值提供简单的异常温度(高温)数据，增加响应速度，从而实现小尺寸火源的快速预警。虽然采用标定值的方法存在误差，但远比基于分布式光纤拉曼测温系统得到的结果更接近于真实值。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在单根光纤上连续地刻写了n个等间距的FBG构成大容量全同UWFBG传感网络，相邻FBG之间的间隔为ΔL，将全同UWFBG传感网络的有效探测长度记为Lfiber，则Lfiber＝n*ΔL；
S2、将全同UWFBG传感网络分为2N个等长的区域，每个区域内分布着m个FBG，每个区域的长度记为D，则D＝m*ΔL＝Lfiber/2N，全同UWFBG传感网络的空间分辨率为D，并且空间分辨率D恒定不变；
S3、将脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中，单个脉冲光信号的脉宽覆盖一个区域内所有FBG，将脉冲光信号的脉宽记为t，周期记为T；t＝2neffD/c，T>2neffLfiber/c，其中neff为光纤纤芯的折射率，c为真空中光的传播速度；
S4、当脉冲光信号输入至全同UWFBG传感网络中后，每个区域内的m个FBG的反射谱信号叠加形成一个整体区域光谱信号；
S5、对该整体区域光谱的特征进行归纳并分类，根据该整体区域光谱的特征建立不同的数据处理机制，获取详细的温度信息，从而实现小尺寸火源的监测。
2.如权利要求1所述的一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述S1中ΔL的取值范围为：8-20cm。
3.如权利要求1所述的一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述S5中整体区域光谱的特征包括四个特征，分别记为特征1、特征2、特征3和特征4；
所述特征1为：区域内所有的FBG处于同一条件下时，区域内所有FBG的中心波长一起随温度变化，所有FBG的光谱叠加为一个整体区域光谱，该整体区域光谱形状与单个FBG的光谱相似但峰值强度为单个FBG峰值强度的m倍，同时该整体区域光谱呈现整体移动的特征；
所述特征2为：区域内仅单个FBG所处的环境发生变化时，将该单个FBG记为FBG#n，FBG#n的光谱逐渐从整体区域光谱中分离出来向长波长方向移动，同时整体区域光谱的主峰强度降为特征1下整体区域光谱峰值强度的(m-1)/m；
所述特征3为：区域内多个FBG受到相同的温度影响发生变化时，整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰强度增加至x/m，且随温度左右移动；
所述特征4为：区域内多个FBG受到不同温度影响发生变化时，整体区域光谱呈现出主峰强度降为特征1下整体区域光谱强度的(m-x)/m，x为受影响FBG的数量，旁峰的形状则随着各个FBG所受温度的变化而变化，整个区域光谱的宽度代表了区域内FBG的温度梯度大小，旁峰的强度分布则与不同温度梯度上的FBG的数量相关。
4.如权利要求3所述的一种应用于小尺寸火源监测的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述S5中数据处理机制包括以下步骤：
S101、系统初始化：保持全同UWFBG传感网络中所有的FBG处于同一参考温度C下，获取此时各个区域的整体区域光谱的最大值以及相对应的波长值作为系统的参考值，将整体区域光谱的最大值记为Mi，其相对应的波长值记为λi，i表示第i个区域，获取区域光谱两侧的旁瓣强度，将左侧旁瓣强度记为SLeft，将右侧旁瓣强度记为SRight，记录整体区域光谱最左侧sg倍SLeft的强度所对应的波长值λLeft_i和整体区域光谱最右侧sg倍SRight的强度所对应的波长值λRight_i作为系统的标定值，其中sg的取值根据系统的功率波动取值；
S102、系统实时运行时，获取区域i的整体区域光谱的最大值MAX以及MAX所对应的波长值λ，将MAX与Mi相比较；
若相等，则区域i的整体区域光谱属于特征1，区域i的最高温度值记为Ti，Ti＝C+k*(λ-λi)，k为FBG的温度/波长系数；
若不等，则进行S103；
S103、判断区域i的整体区域光谱的最大值MAX是否满足MAX≥(m-1)/m*Mi；
若满足，则执行S104；若不满足，则遍历整体区域光谱数据，寻找两个峰值点MAXL和MAXR，并执行S105；
S104、将MAX所对应的波长值λ并与λi相比较；
若λ与λi相等，则区域i的整体区域光谱属于特征2，区域i的最高温度值：Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，λRight为整体区域光谱最右侧sg倍SRight强度处的波长值；
若λ与λi不相等，则区域i的整体区域区域光谱属于特征4，区域i内的最高温度为Ti＝C+k*(λRight-λRight_i)，其它FBG所处温度值为C+k*(λ-λi)；
S105、判断峰值点MAXL和MAXR的强度之和是否等于Mi；
若等于，则区域i的整体区域光谱属于特征3，区域i内FBG被分为两组，每组内FBG受同一温度影响且每组内FBG数量分别为m*MAXL/(MAXL+MAXR)和m*MAXR/(MAXL+MAXR)，获取峰值点MAXL和MAXR对应的波长值λL和λR，区域i内两组FBG的温度信息分别为：TL＝C+k*(λL-λi)，TR＝C+k*(λR-λi)；
若不等于，则区域i的整体区域光谱属于特征4，区域i的最高温度为C+k*(λRight-λRight_i)，最低温度为C+k*(λLeft-λLeft_i)，λLeft为整体区域光谱最左侧sg倍SRight强度处的波长值。
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