基于raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计

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1、基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计严洪1，姜明武2，徐海峰3(1.广东省公安消防总队，510640；2.，3.深圳市安捷工业光电有限公司，518054)摘要：本文分析了分布式光纤温度传感技术在消防火灾探测报警领域的应用特性和系统优化设计方案。特别设计、开发了专用算法处理芯片（ASIC）、嵌入式硬件系统和基于嵌入式linux的软件平台，极大地提高了系统的性能及可靠性。快速响应、稳定可靠、低功耗以及符合消防操作习惯的一键式人机界面，使安捷工业光电的AT810线型光纤感温火灾探测器不同于一般DTS仪器仪表式的产品设计，更好地满足消防行业的专业需求。关键词：光纤温度传感器，拉曼，

2、光时域反射，火灾探测。 1引言由于光纤本身不带电，以光纤作为传感部件的光纤传感器属于本征安全型传感系统，并具有良好的抗腐蚀性、耐高压、抗电磁干扰能力，因而光纤传感技术在安全、健康检测、航空航天领域受到了很大的关注。分布式光纤温度传感器(DistributedOpticalFiberTemperatureSensor，简称DTS)作为线型光纤感温探测器的一种，主要利用Raman散射来测温并通过光时域反射（OTDR）技术来对温度点进行定位。与其他原理系统相比具有实时，多点连续，精确定位，无盲区，系统分区容量大，综合成本低的优点，是今后应用于火灾探测技术的重要发展方向之一。2传感原理2.1OT

3、DR定位技术Barnoski博士于1976年提出的光时域反射技术，是检测光纤的损耗特性、进行空间故障定位的有力手段，同时也是分布光纤传感器的基础，它的典型结构如图所示：图1光时域反射仪的结构原理图 其工作原理与雷达的工作原理相似：将一束窄的激光脉冲通过双向耦合器注入光纤中，光纤中产生的背向散射光（瑞利散射和拉曼散射）也通过该双向耦合器耦合到光电探测器中。背向散射回到入射端所需的时间相应于光脉冲在光纤中所走的距离L=νt/2。时间的变化对应着光纤距离的不同，也就是说，光探测器探测得到的光功率是光纤位置的函数，随着L的变化，探测器就实现了对沿光纤分布的待测场的空间分布测量。2.1光纤中的Ra

4、man散射测温原理在拉曼散射过程中，斯托克斯光强度正比于处于基态的粒子数密度，反斯托克斯光强度正比于激发态的粒子数密度。一般情况下，粒子数服从波尔兹曼因子分布，即光子数分布正比于能级上的粒子数[1]：φ∝Exp(−EkT)(1)式中k波尔兹曼常数，T绝对温度，E能级能量。式(1)表明，由于激发态E1的能量高，故处于激发态E1的反斯托克斯光子数比处于基态E2的Stokes的光子数少，在实际测量中相差近一个数量级[2]。当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤的起始端每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：φs=Ks•S•νs4•φe•Rs(T)•exp[−(α0+αs)•L]（2）反

5、斯托克斯拉曼背向散射光的光通量可以表示为：φa=Ka•S•νa4•φe•Ra(T)•exp[−(α0+αa)•L]（3）式中，Ks、Ka分别为和光纤的Stokes散射截面、Anti-Stokes散射截面有关的系数，νs，νa分别为Stokes散射光子和Anti-Stokes散射光子的频率，α0、αa、αs为光纤中入射光、Anti-Stokes光以及Stokes光的平均传播损耗，Rs(T)、Ra(T)为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，且有：Rs(T)=[1－exp(－h∆ν/kT)]−1（4）Ra(T)=[exp(h∆ν/kT)−1]−1（5）由式（2)、（3）、（4）、(5

6、)得到：φφas((TT))=KKas•(ννas)4•exp[−(h∆ν/kT)]•exp[−(αa−αs)•L]（6）在基线温度T0时：φφas((TT00))=KKas•(ννas)4•exp[−(h∆ν/kT0)]•exp[−(αa−αs)•L]（7）当光纤从基线温度T0变化到任一温度T时：φa(T)/φs(T)=exp[−(h∆ν/kT)]=exp[−h∆ν(1−1)]（8）φa(T0)/φs(T0)exp[−(h∆ν/kT0)]kTT0由上式得：1=1−klnφa(T)/φs(T)（9）TT0h∆νφa(T0)/φs(T0)在实际测量中，只要测出φa(T)、φs(T)、φa(

7、T0)、φs(T0)，经光电转换后的电平值，就能由上式求出温度T。3优化设计在研发AT810线型光纤感温火灾探测器产品过程中，我们认真研究了《线型光纤感温火灾探测器》GB/T21197-2007国家标准，分析了客户应用需求，综合评估了DTS的各类参数指标：测温精度、空间分辨率、测量时间、测量动态范围、测量距离等的相互关联关系，结合火灾探测领域的特殊要求，本着着重提高快速响应和产品可靠性两方面性能的原则，去设计火灾探测报警系统。快速测