分布式光纤.ppt

1、分布式光纤火灾报警系统,一、项目基本情况及研究背景 二、国内外研究及应用现状 三、本课题技术原理及主要技术指标 四、本课题主要研究内容 五、主要研究成果及创新点 六、应用前景及下一步工作展望,一、项目基本情况及研究背景,项目来源,1、武汉市科技计划项目 编号：20066002058,2、科技部科研院所技术开发专项资金项目的进一步深化,公路隧道、铁路隧道、城市地铁、地下设施、矿井巷道、长走廊、电缆隧道等狭长空间式建筑日益增多。,项目背景,地铁,电缆隧道及夹层,铁路隧道,公路隧道,项目背景,1、空间或空间内布置的可燃物狭长、相对密闭。,上述建构筑物典型特征,2、环境较为恶劣。,交通隧道：伤亡严重，

2、结构损坏，交通中断 各类电缆隧道： 电力、信息、能源供给中断,上述场所火灾危害,国内： 1、上世纪90年代初，某电信局电缆火灾蔓延致使5万门市话程控交换机及长途交换机烧毁，国际、国内通讯中断140小时，直接财产损失1500万元； 2、1998年某地区电信楼电缆火灾导致控制室起火，损失900余万元，通讯中断50小时； 3、1996年某电厂电缆火灾将集控室中两台200MW机组控制柜柜、仪器仪表、 所有设施全部烧毁 ； 国外： 1988年美国某程控通信机房火灾直接间接经济损失600万美元。,以电缆隧道、夹层火灾为例,点式感烟 、感温火灾探测器难以满足上述场所狭长结构及可燃物延长形布置及环境 特点，故

3、较少采用,常用线型火灾探测报警手段,传统线型火灾探测报警分类,传统缆式线型火灾探测：由两根或数根外覆熔融指数比较低的高分子材料的高弹性钢丝绞合而成，正常情况下，钢丝之间呈现绝缘态，当火灾发生时，温度升高 ，外覆高分子材料融化，致使钢丝间的绝缘受到破坏，呈现短路信号发出火灾报警。,空气管线压力膜盒线型线型感温火灾探测：由感温管线（细铜管）、金属膜片、气孔和动、静触点构成，在常温下感温管线中的空气可以通过气孔泄漏出来，当温度急剧上升时，空气管线中的空气因迅速受热膨胀而来不及泄漏，致使金属膜片被顶起，从而动、静触点接通，发出火灾报警信号,致命缺陷：报警温度固定、不能准确报故障或不能有效区分真实火警与

4、故障信号，单回路探测距离有限（100300米）。,因而新型线型感温火灾探测器及相应火灾报警系统的研究近年来受到日益重视。 在新型线型火灾探测报警手段中，基于光纤中后向喇曼散射具有温度敏感原理的分布式光纤火灾报警为一重要研究及技术开发领域。,构成本课题的核心技术原理,系统探测距离长，单机可探测57km，适合于狭长建筑物的特点； 可设定报警温度，实现定温、温升速率及两者相结合的方式进行火灾早期探测； 无电磁干扰； 可用于爆炸危险环境。,分布式光纤火灾报警系统的技术优势,二、国内外研究及应用现状,1983 年英国Plessy 雷达研究中心的J. P. Dakin提出利用后向喇曼散射信号温敏原理实现分

5、布式温度测量的思想并于1985 年 在100m 长的光纤上演示了这种方法的可行性 英国Southampton 大学也进行了长1km 的光纤分布测温实验 1987 年英国York 技术有限公司首次推出了商品化的喇曼后向散射效应的DTS 分布式光纤温度测量系统 ，后经不断完善，已有系列化产品。 美国PROTECTWIRE公司4Km分布式光纤感温火灾报警系统。,国外,一些大学和研究机构曾从事分布式光纤传感的研究工作。传输距离为2km， 测温范围0 120C， 空间分辨率优于8m 测量时间小于40s。 数个研究所及一些公司也开展过类似研究。 但由于多种原因，到目前为止绝大部分未能得到推广应用。 近年来

6、国内陆续仍有有关机构开展上述系统的研究工作。,国内,三、本课题技术原理及主要技术指标,光在光纤中传输时，会发生一定的损耗，主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。,光纤中的散射,瑞利散射：散射光波长与入射光波长相同，前后向散射光强度相同，但光强不具备温度敏感性。,自发喇曼散射：散射光的强度为激发光强度的1081010； 散射光没有方向性； 散射光中反斯托克斯光与光纤所处的环境温度有着确定关系；自发喇曼散射光中斯托克斯 光及反斯托克斯光的中心波长与激发光波长存在喇曼频移。,光纤中自发喇曼散射的特点,瑞利散射、喇曼散射中反斯托克斯及反斯托克斯光强相对比,x,L=0,L=Cg（t0 x）/2,Tt0返回

7、,光纤,L=0,L=Cgt0/2,Tt0返回,光纤,（1）,（2）,光时域反射（OTDR）技术原理,光时域反射（OTDR）技术原理,（1）表示脉宽为的光脉冲前沿于t0的时刻从L=0处出发，该前沿到达光纤中L=Cgt0/2点产生的后向散射光于tt0返回到起始端， （2）表示滞后于脉冲前沿tx（0tx, 光脉冲宽度，假设为矩形脉冲）的脉冲点于ttx时刻从L0处出发，它到达L= Cg(t0-tx)/2点处产生的后向散射信号也于tt0时刻返回到起始端。,在某一时刻接收到的后向散射光是光纤中某一段长度上散射光的积分，也决定了分布式光纤火灾报警系统的距离分辨率。,起始端于tt0时刻接收到的后向散射光功率P

8、b（t0） 指数项为距离起始端L处产生的后向散射光返回到起始端的衰减，Pb(L)为距离起始端L处产生的后向散射功率 为后向散射系数， 为后向散射因子， 0为入射光功率，入射光为衰减系数，假设、均为常量，即光纤性质均匀，后向散射光的衰减系数与入射光的衰减系数相同，则有： 可简化为,光时域反射（OTDR）技术原理,分布式光纤感温火灾报警系统实现方式：将后向散射光强中反斯托克斯光强进行分离并转换成温度量，将时间转换成光纤中的位置（光在光纤中传播速度一定），从而实现对整个传感光纤中不同位置（存在距离分辨率）上的火灾温度探测报警。,系统组成,电脉冲 产生器,产生 激光脉冲,波分 复用器,Stokes,A

9、nti-Stokes,APD及放大电路,APD及放大电路,数据采集,计算机,后向散射信号返回,激光脉冲在光纤中传输,同步脉冲触发采集卡,1,2,5,3,系统主要指标,本课题系统主要技术指标,系统探测距离：56km 空间分辨率：3m 温度分辨率：23C 时间分辨率：35s 系统运行稳定可靠,四、本课题主要研究内容,波分 复用器,Stokes,Anti-Stokes,APD及放大电路,APD及放大电路,数据采集,计算机,后向散射信号返回,激光脉冲在光纤中传输,同步脉冲触发采集卡,2,5,3,系统组成,主要研究内容： 1、系统各个模块研究（五大部分） 2、温度敏感性及稳定性试验及试运行,系统各个模块

10、研究,1、激光器的选型及脉冲驱动：,光纤中后向散射光强度与入射光波长四次方成反比，即波长越短，后向散射光越强，但随着波长的减小，光在光纤中的传输损耗也随着增加，如中心波长为800nm左右的激光在数据光纤中（62.5/125, NA:0.275）传输时，其衰减系数约3.5-3.7dB/km，而中心波长为1000nm附近的激光，其衰减系数为1.9-2.0 dB/km，也就意味着如果采用短波长激光器，后向散射光信号较强，但系统的探测长度会减小。但如果在光滤波环节能降低喇曼散射光损耗。由于在项目工作前期，对光滤波环节终究能将RAMAN散射特别是对温度信号敏感而信号强度又更低的反斯托克斯信号并没有十分把

11、握，为正确选用激光器（在提高探测系统长度的同时能有效提取温度敏感信号）。 进行了两种不同中心波长的激光器进行RANMAN散射信号测量。,激光器选型及光谱测量,Y型耦合器,光纤,LD,测试方法：利用一个Y型定向耦合器和一台光谱仪在激光器以连续光工作的条件下测试光纤中喇曼散射光谱，用以分析喇曼散射光谱的特征，激光器发射的连续激光（700mW）从定向耦合器端口1进入，经端口2耦合入光纤（62.5/125m，0.275NA），光纤长度约2km，从光纤中返回的后向散射光经端口3接至光纤光谱仪，测试用光谱仪为ANDO公司AQ6317B光谱仪 。,光谱仪,光谱测量示意图,测量结果（短波长激光器）,（1）中心

12、谱带,（2）瑞利散射谱带（中间峰）及喇曼散射中的Antistokes谱带（左侧峰）和Stokes谱带（右侧峰）,测量结果（短波长激光器）,（3）图（2）中Antistokes信号放大图,（4）图（2）中Stokes信号放大图,测量结果（长波长激光器）,（1）中心谱带,（2）瑞利散射谱带（中间峰）及喇曼散射中的Antistokes谱带（左侧峰）和Stokes谱带（右侧峰）,测量结果（长波长激光器）,（3）图（2）中Antistokes信号放大图,（4）图（2）中Stokes信号放大图,测试结论： 1、短波长激光器产生的后向散射RAMAN信号比长波长激光器产生的后向RAMAN散射信号强度要强，因而

13、便于探测； 2、但如使用短波长激光器，光传输损耗较大，对系统的探测长度是一个制约因素，同时要兼顾光接受元件的光谱响应度， 本项目采用了长波长激光器作为OTDR脉冲激发光源。从而使有效探测距离由2km延长到5km； 3、测量得到了RAMAN散射信号锋值波长及谱带，为后续光滤波器件的研制奠定了基础。,激光脉冲驱动电路的研制：,基于后向喇曼散射分布式光纤感温火灾报警系统的基本原理是光时域反射（OTDR），因而必须产生一定重复频率的激光脉冲，对激光脉冲的要求是无过冲、稳定脉冲，在激光器发出光脉冲的同时，通过TRIG同步驱动弱信号累加卡 。,本项目研制的激光脉冲驱动电路产生重复频率为10kHz，有效脉宽

14、为约30ns（也就意味着本系统空间分辨率为3.0米） 、峰值功率为870mW的有效稳定激光脉冲 ，经过长时间观测，该脉冲稳定、无过冲（如产生过冲即负向电压会给激光器带来致命的破坏）。,由于激光器存在一定的波长温度漂移现象，为使激光器工作稳定，用半导体制冷器使激光器工作在较为稳定的环境温度下。,激光器脉冲测试,电脉冲 产生器,产生 激光脉冲,波分 复用器,Stokes,Anti-Stokes,APD及放大电路,APD及放大电路,数据采集,计算机,后向散射信号返回,激光脉冲在光纤中传输,同步脉冲触发采集卡,2,3,4,2、提取喇曼散射波分复用器的研制,传统方法的不足： 采用两个Y型耦合器，光损耗大

15、，滤光片对有用光信号透过滤低，不能将瑞利散射光有效抑制，结构松散，稳定性差。 为此采用了专门用于提取喇曼散射信号的波分复用器，插入损耗低，喇曼散射光透过滤高，同时极大抑制瑞利散射信号。,波分复用器指标,提取喇曼散射信号实验,测试结果,喇曼散射信号有效提取，瑞利信号有效抑制,研制的提取喇曼散射信号波分复用器测试实验,电脉冲 产生器,产生 激光脉冲,波分 复用器,Stokes,Anti-Stokes,后向散射信号返回,激光脉冲在光纤中传输,同步脉冲触发采集卡,2,5,3,4、淹没在噪声中信号的有效提取及软件编程,3、光电接收器件选择、稳定性控制措施和放大电路研制,由于喇曼散射信号极其微弱，故选用具

16、有内部对光电信号有倍增作用的硅雪崩光电二极管（APD）。,由此带来的问题：使用的复杂性,1、信号在倍增的同时，其体暗电流也同样参与倍增，产生量子或散粒噪声（通过使APD倍增因子在平缓段加以解决）； 2、APD为温度敏感器件，其倍增因子随APD所处环境温度的变化而变化，主要参数为APD的击穿电压温度漂移系数。,APD倍增因子温漂特性,倍增因子稳定性控制方法（1）温度反向偏置电压补偿法：根据 APD工作环境温度的变化，调整其反向偏置电压，保持增益稳定。（2）恒温恒压法：使APD工作在恒温环境中，保持其增益稳定性。,APD温漂特性及常用的控制方法,温度反向电压补偿方法保持增益稳定性难度较大，APD电

17、压温漂系数仅为典型的参考值，存在一定的区间，难以准确得到APD的温漂方程，同时不同器件之间也存在差异 改用一级TEC制冷的恒温恒压法，使APD工作在相对稳定的环境温度下，效果较好。,温度反向偏置电压补偿法实验,后续放大电路的研制,APD第一级输出电压也只有数十mV，因而必须进行后续放大，由于信号带宽不能小于20MHz，故选用低噪声、带宽增益积为500MHz的运放，分三级放大，反斯托克斯信号总放大倍数为600倍，斯托克斯信号的放大倍数为300倍。,电脉冲 产生器,产生 激光脉冲,波分 复用器,Stokes,Anti-Stokes,APD及放大电路,APD及放大电路,后向散射信号返回,激光脉冲在光

18、纤中传输,同步脉冲触发采集卡,2,5,3,4、淹没在噪声中信号的有效提取及软件编程,示波器测试的未经平均信号,示波器测试的经平均256次信号,采用累加平均去噪技术,设被测信号F(t)=S(t)+N(t), 其中N(t)为噪声，S(t)为信号，积累平均为每隔时间T全部取样一次，其中第i点（全部取样中的任一点）的第k次取样值为：,F（tkiT）S(tkiT)N(tkiT),经m次取样后，第i点的存储量为：,m次累加后,弱信号采集卡,经与有关单位合作，联合研制了微弱信号采集卡，进行卡上实时累加平均，通过同步触发采集累加结构，实现微弱信号的实时相关增强，数据最多可进行65536（216）次累加，对信号

19、的信噪比增益可以达到300倍以上，可以大大提高原始信号的信噪比。,采集卡特点 ： 采用同步并行设计，卡上集成了2片高速50Msps 12-bit A/D转换器，采集系统在统一的时钟和触发控制下实现全同步采集具有多种触发源，包括软件（手动）触发、内触发、外触发。内触发电平在当前量程范围内自由设置，可以设为上升沿、下降沿等模式；外触发信号符合TTL电平标准，可以选择上升沿或下降沿有效，通过对多种模式的触发设置确保对各种特征信号的准确捕捉。可以精确地恢复、检测和测量被噪声背景淹没的微弱信号 。,弱信号采集卡主要技术参数,最高采样率50Msps/100Msps A/D分辨率12bit 输入阻抗50/1

20、M 单次及累加采样长度1K4K样点 单次采样信噪比55dB 累加次数165536次可任意可调 累加结果信噪比增益300倍； 累加平均方式实时累加平均，2秒内能平均10,000次模拟信号。,满足本项目需要,数据采集与处理软件采用VC编写，其主要功能为对数据采集卡进行软件设置，对原始数据进行变换，对系统温度标定，将电压信号转变为温度信号，将时间信号转变为距离信号，显示和存储温度数据，设置报警温度等。,软件编程,5、裸光纤保护,由于裸光纤外径为254m ， 标称 允许抗拉强度为9N（在此强度下不影响光的正常传输），如果实际系统传感光纤安装在无外力触及的场所尚可（如各种隧道的顶部），但如敷设在一些经常

21、受外力触及的场合（如在电缆夹层、电缆隧道等场所进行敷设时，为提高感温效果，常将其以正弦曲线的方式直接敷设在上述场所各层电缆桥架上与被保护对象直接接触），这样就必须对其进行额外的加强保护。,保护措施,选择OPGW光纤单元作为保护方式，其基本保护措施为将裸光纤置于外径为3mm、壁厚为0.2mm的不锈钢管内，管内空隙与光纤之间充填导热系数较好的油膏，由于实际光纤与被保护对象较裸光纤相比只增加了1.5mm，而不锈钢本身及筛选的油膏导热性较好，经实际测试，采取上述保护措施后，较裸光纤相比，对温度探测的延迟可以忽略 。,温度敏感性试验及试运行,试验方法： 将5km长的传感光纤放入恒温烘箱中，调节烘箱温度，

22、得到在不同温度条件下喇曼散射信号中Antistokes及Stokes幅度的变化（累加平均次数为10000次），同时也为后续温度标定方法的选择奠定基础。,6、温度敏感性研究及系统标定,温度敏感性试验典型结果,烘箱温度为25C时的RAMAN散射信号中Antistokes及Stokes幅度,烘箱温度为35C时的RAMAN散射信号中Antistokes及Stokes幅度,烘箱温度为45C时的RAMAN散射信号中Antistokes及Stokes幅度,烘箱温度为55C时的RAMAN散射信号中Antistokes及Stokes幅度,烘箱温度为65C时的RAMAN散射信号中Antistokes及Stokes幅度,系统温度标定,标定方法,温度标定 结果,7、 系统试运行及现场试验,系统试运行的主要目的是考察系统的工作稳定性和温度敏感能力，期间工作稳定性较好，在试运行期间，不时进行了感温测试，其测试方法为从5km传感光纤中取出一段放入烘箱中进行加温，将该段光纤测得的温度数据与烘箱热电偶测得的温度进行比较，以判断测量的准确程度 。,烘箱温度为32C传感光纤显示的温度值,测试结果,烘箱温度为40C传感光纤显示的温度值,烘箱温度为45C传感光纤显示的温度值,烘箱温度为 50C传感光纤显示的温度值,烘箱温度为 50C传感光纤显示的温