关键词：光纤;分布式;温度检测;拉曼散射效益;报警系统
Application Research of Optical Fiber Distributed Temperature Detection in Fire Alarm System
HAN Libing 1 WANG Yichen 2 WANG Rui 2 QING Chen 2 LIU Xumeng 2
（1.College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010051 China; 2. Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010051 China）
Abstract： Fiber distributed temperature detection technology is based on the principle of Raman scattering and optical time domain technology， using the correlation between the intensity of scattered light signal transmitted in the fiber and the temperature to realize the distributed accurate measurement of temperature field. This paper mainly discusses the overview and research status of optical fiber distributed temperature detection system， introduces the application in the fire alarm system， gives full play to the advantages of optical fiber distributed temperature detection， improves the accuracy of the fire alarm system， and ensures the wide application of optical fiber distributed temperature detection in the fire alarm system.
Key Words： Optical fiber; Distributed; Temperature detection; Raman scattering benefit; Alarm system
由于火災给人类带来了巨大的伤害，人们希望能对火灾进行有效的探测报警以减少火灾发生及减轻生命财产损失。因此，在防火安全过程中，火灾报警系统起着极其重要的作用，主要工作原理是把接收到的烟雾、热量和光辐射等物理量通过感烟、感温和感光火灾检测设备转变为电信号，及时传输到火灾报警系统，除了确定火灾的发生地，还能够记录火灾发生的具体时间。为了预防火灾的发生以及遏制火灾形式的蔓延，国内外学者开始研究新型的火灾报警系统，目前，火灾报警系统最有效的形式是采用线型温度检测技术。线型温度检测技术只是基于气体力学或电气科学的原理，接收到比较少的信息以及功能，即使将感温电缆应用于在火灾报警系统中进行监测，也无法在线完成检测温度的变化，而是在火灾发生后，只能给出区域大致的报警信号，无法确定精确的报警点位置。
由于光纤的特性，它既能起敏感元件的作用，又能起信号传输通道的作用，在工业和工程的许多领域中的应用而成为有吸引力的创新。近年来，光纤分布式温度检测技术应运而生，成为一种能够通过光纤感温远距离对温度场内的温度变化进行实时监测的先进技术，可实现连续高密度、大频次采集温度信息，凭借其较高的灵敏度、较高的耐腐蚀性能、较强的抗电磁干扰性能以及较高的安全可靠性能被广泛应用于公路以及地铁隧道、煤矿井、电力、以及大型建筑等的温度监测和火灾报警中。使用光纤分布式测温技术不仅能描述温度场的空间状态分布，还可以实现起火点的精确定位。
1光纤分布式温度检测技术的概述
1.1光纤分布式温度检测技术的概念
光纤分布式温度检测技术是一种光纤新技术，近年来发展起来的，主要用于温度场内温度变化的实时监测，能够实现连续分布式的温度测量。光纤分布式温度检测系统是将整条传输光纤作为传感器，光纤上的每一点都兼具“传”和“感”的功能，一方面是具有感光的功能，另一方面是能够传输光信号的功能。与传统的电子温度检测技术相比，光纤分布式温度检测技术具有较好的电绝缘性、较高的耐腐蚀性以及传输过程中损耗低等本身固有的特性，还具有测量精度高、成本低以及寿命长等优点[1]。
1.2光纤分布式温度检测技术的原理
光纤分布式温度检测系统主要是运用光纤内的自发拉曼散射效应原理来测温，利用其光强之比可以计算出沿光纤各点的温度值，利用其光时域原理进行定位，以达到实时对温度场内温度变化的精确测量。当光纤分布式温度检测系统感受激光信号后及时在光纤中进行传输，此时光信号在光纤中会发生背向散射现象，根据光信号的波长，背向散射分為瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种[2]。三种背向散射中的信号强度，与该点所处位置的温度相关度最大的是拉曼散射，根据检测光纤上各每点发生散射的光信号光强，利用通过温度效应公式确定光纤上每一点的温度，从而利用已知的温度信息获得整条光纤上的温度分布[3]。
1.3光纤分布式温度检测技术的优点
1.3.1预警定位功能
可以实现报警位置的定位和温度监测，通过实施温度显示，能够确认火灾状况的趋势，及时提供火灾数据进而采取相应的灭火措施。
1.3.2安全可靠功能
具有较高的抗电磁干扰性能，而且具有较高的灵敏度，实现温度的实时监测，较高的防爆性能，采用定温和差温结合的方式实现无错误报告。
1.3.3安装便捷
光纤抗拉伸、抗冲击、外径小、柔韧性好，体积小，重量轻，可绕曲，可直线或蛇形绕线安装于测试区域表面。
1.3.4高效使用
实现远距离的温度监测，系统比较简单，仅通过一根光纤实现激光信号探测以及完成信号的传输，整个系统的维护较少。
2光纤分布式温度检测在火灾报警系统中的应用
2.1光纤分布式温度检测在火灾报警系统中的应用现状
在光纤分布式温度检测系统的温度报警方法中，目前主流的报警方法是在启动系统时设定一个固定的报警阈值，当系统测量到光纤某位置的温度高于设定报警阈值时，系统开始报警[4]。这种报警方式的速度主要依赖于高速采集卡的采集速率和温度解调程序的运行时间的快慢，若想通过这种方式达到国家安全标准的线性火灾探测器的响应报警时间标准，对系统硬件要求很高，不经济且不能保证准确性。在一些对温度预警要求很高的场所，如井下安全，山林防火，航空航天等测温场所，这类响应时间慢且预警方法单一的温度报警方式，则无法做到安全准确[5]。
随着测温技术的发展，光纤分布式温度检测技术是集传感和传输于一体，不仅能感应光信号还能够进行光信号的传输，目前已在火灾报警系统中被广泛运用。光纤分布式温度检测是利用光纤技术，利用向后散射光信号，对所处空间温度场进行监测，然后对光信号进行调节、采集和处理，最后通过实时监测将温度信息显示出来。由于光纤具有不带电、抗射频和电磁干扰等性能，使得被应用于光纤分布式温度检测系统，系统凭借其较高的防燃防爆性能、抗腐蚀性能和较高的耐高压、强电磁、耐电离辐射等特殊优势，使得被广泛应用于在很多高温、高热等恶劣环境中。光纤分布式温度检测系统的安全运行，完成了温度场的空间状态分布，实现火灾现场起火点的精确定位。
2.2光纤分布式温度检测在火灾报警系统中的工作原理
目前，光纤分布式温度检测技术已在火灾报警系统中被广泛应用，常用进行报警的方法主要是定温法和差温法两种。定温法是首先将某一温度值设定为温度报警值，利用光纤在一定的空间区域内对每一点的温度进行监测时，当测量温度超过设定的温度值时就会发生报警。差温法与定温法相似，首先也是设定一个温度值作为报警的温度值，利用光纤在一定的空间区域内对每一点的温度进行监测时，当测量温度超过设定的报警的温度值时就会发生报警。采用以上两种方法发生报警现象时，光纤分布式温度检测系统会输出光纤上每一待测点的当前温度输出值，光纤分布式温度检测系统在输出光缆上各待测点的当前温度时，首先利用光纤分布式温度检测系统的主机实时采集光缆上各待测点的温度数据，然后将这些温度采集数据通过一定的处理方法进行处理以后，作为最终的温度测量值输出，供火灾报警时使用。
光纤分布式温度检测系统判断火灾报警，一般采用温度上限报警，以及通用的温升速率报警。在光纤分布式温度检测传感器中，检测的温度为线性的差分数据，将光缆上连续的信号值差分处理为离散温度点，一般0.5～1米一个监测点。所谓温度上限报警，即对采集到的光纤原始温度数据进行最大值是否高于定义的定温上限值判断;而通用的温升速率报警是在原始温度数据基础上，计算每点的温升速率，即每秒变化的温度值，再对这个值进行判断是否高于定义的温升上限值[6]。在高风速火灾情况下，由于火情作用于光纤上的范围较大，通常为4～10米，且分布不均匀，以致原始的温度数据采集及温升速率计算值噪声较大，从而无法快速地判断火灾报警，且定位精度较差，若将上限值定义的较低，则误报率较高。因此，现有的光纤分布式温度检测系统判断火灾报警，单纯的采用温度上限判断报警，在很多实际环境情况，特别是高风速下，由于噪声较大，往往无法及时发出警报，甚至出现无报警的情况。而通用的温升速率报警方法对采集的温度数据不进行相应地去噪音处理，而直接进行空间移动平均，不适合高风速下长包络范围的温升异常的情况。若减小报警上限，误报率则较高，增大报警上限，则报警缓慢甚至不报警。
利用光纤分布式测温系统，采集光纤各点的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强数值，以及对应解调的温度数值，通过对所采集的光强和温度数值进行处理，通过对温度和光强与报警阈值进行比较，确定是否满足于差温或定温报警条件;同时利用当前温度数值以及过去若干点温度的离散系数来预测下一时刻温度;温度预测时，连续时间内测量并记录光纤同一位置当前时刻的前设定次温度数据，当前时刻的前设定次温度数据按照时间顺序分为三组并对每组温度数据取平均值，若第三组的温度平均值与第二组的温度平均值之差的绝对值大于第三组的温度平均值与第二组的温度平均值之差的绝对值，则进行第二温度预测报警，否则，设定离散系数差的阈值，计算当前时刻的前设定次温度数据中当前时刻多点温度离散系数与前一时刻多点温度离散系数之差的绝对值，若该绝对值大于设定离散系数差的阈值，则进行第一温度预测报警。
3结语
随着科技的进步和网络信息的普及，光纤凭借其大容量、远距离传输等优势在工程技术领域得到了广泛的应用，通过对传统的光纤技术改进，使其具有感光、导光功能，既能做敏感元件又能传输信号。在火灾报警系统中，光纤分布式温度检测技术的普及应用，一方面实现了空间温度场中实时的温度监测，另一方面还实现了火灾现场起火点的精确定位，以达到预防火灾的发生以及降低火灾损失的目的，从而保障了生命财产安全。
参考文献
[1]于小鹏.分布式光纤在高速公路隧道火灾报警系统中的应用[J].交通世界，2020（27）：11-13.
[2]刘温彦.用于火灾预警的分布式光纤温度传感器[J].电子技术与软件工程，2020（08）：102-103.
[3]郝立钢.分布式光纤温度检测系统在火灾监测中的应用[J].科技创新导报，2017，14（22）：154-155.
[4]方星.分布式光纤拉曼温度传感系统关键技术的研究[D].电子科技大学，2020.
[5]左婧，李忠虎，闫俊红，王金明.分布式光纤测温系统温度检测与处理算法研究[J].高技术通讯，2018，28（Z2）：991-996.
[6]郎国伟，魏志猛，陈伟，等.分布式光纤火灾监测系统的关键算法研究[J].光纤与电缆及其应用技术，2019（04）：32-35.