基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计

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，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2.1OTDR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Raman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)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(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。快速测量就要求我们设计的系统有强大的、实时的数据采集和处理能力；而高可靠性则对硬件系统的高集成度、冗余能力、架构合理性提出很高要求，同时采用嵌入式操作系统（如Linux，VxWorks）及软件也是工业级产品提升可靠性的重要途径。3．1信号处理系统优化设计国家标准GB/T21197-2007《线型光纤感温火灾探测器》5.4表2要求探测器响应时间不大于30s[3]，而按照6.8的试验方法，光纤通过油渗透要达到报警温度所需时间应该在10s左右，因而要保证在后面的20s内必须所有通道都能完成一次温度测量，这对于依靠测量微弱回波信号来测温的DTS的信号处理能力来说是一个设计难题。我们根据国标要求，推算出测量时间、通道数、硬件处理能力的关系。见下表1。表1．测量通道数与DTS信号处理能力类别1通道系统2通道系统3通道系统4通道系统累加次数/每通道4000060000110000110000每通道最大测量时间（s）16854每通道最小处理速度（次/秒）250075002200027500最小接口速度（MB,2km系统）1338110138从表1就可以由各个制造商的通道测量时间，推测出能满足消防需求的最大通道负载能力。制造高性能的DTS必须有强大的数据采集和处理能力。设计中，我们从系统出发，开发了专用算法处理芯片（ASIC）来完成实时时域累加平均等数字化微弱信号处理算法，即整个系统的速度极限在于光脉冲在光纤内的传输时间。每个脉冲间隔中不需要任何的停顿来处理数据，其主要技术难点集中在以下几个方面：数据量大：系统的双通道ADC是10bit，虽然分辨率不高，但是采样率达到100MHz，要做到数据的实时采集累加。意味着每秒种要处理的数据量要有2.5Gbps,计算中间操纵的数据流量达到15.5Gbps，如此庞大的数据量对于现有接口技术是个挑战，因此在数据采集端采用累加和指数算法完成，以减少数据传输量，提高效率。高速存储：一个采样周期仅为10ns，一般TTL器件的极限速率也就8ns，读写一次需要16ns，无法满足需求，因此我们用逻辑器件内部资源，设计了读写频率在350MHz的存储器。高速数字电路设计：在高速数字电路设计中，必须充分考虑信号完整性（SignalIntegraty），传输线匹配（Transmissionline），时钟分配，电磁兼容（EMC），及良好的接地处理。CPU处理能力:采用AMCC高性能PowerPC440嵌入式中央处理器，主频667MHz，高达1334MIPS处理能力，支持DDRRAM及多种通信接口（如PCI，Ethernet，USB，SPI，UART等）。在保证系统有强大的运算能力的同时，能提供高效的通信和并行处理能力，为消防系统的实时操控，告警联动提供了快速反应能力。图2DTS信号处理系统结构图综合以上分析，我们设计开发了AT810线型光纤感温火灾探测器基于专用算法处理芯片ASIC和PowerPC处理器的实时数据采集处理系统，其指标为:带宽100MHz,分辨率10bit，采样率100MSPS，板载处理支持260000次累加，达到了非常好的效果。3．2提高系统稳定性的措施z硬件体系优化设计：1高性能PowerPC440嵌入式中央处理器，主频达到667MHz，具有强大的处理能力和浮点运算性能，该CPU还集成了丰富的外设接口和通信接口（网络口，串口，USB等）。高集成度设计减少了品质控制点，带来了高可靠性。2通过欧标DIN连接器完成信号、电源、地的连接并可靠锁定，摈弃PC级的线缆连接方式，真正达到工业级标准，增加系统的可靠性；3Memory及CompactFlash）存储管理历史数据和用户配置数据，无机械式硬盘，具有长寿命、高可靠、抗震动、适应恶劣环境等优点；4以工业级标准进行元器件筛选，做到低功耗、高性能、宽温度范围。全面采用贴片封装工艺，结合激光钢网，自动贴装，保证批量生产的一致性。5采用嵌入式的低功耗设计，经此整体方案优化，主机运行功耗在28W，是业界其他解决方案的五分之一甚至是十分之一，为消防供电备电系统减轻负担，节能安全。6采用8层以上的多层线路板设计，保障了板内信号质量，提高了机器的抗电磁干扰能力，也减低对外电磁辐射的产生。z软件体系优化设计：11.采用嵌入式Linux操作系统，内核精简，系统稳定，避免了商用windows平台的冗余功能和不稳定因素，不会被病毒攻击，不会受不法应用软件影响而死机。22.主机内嵌Web服务器，客户端只需使用浏览器便可登录AT810系统，无需安装客户端软件，便可进行设置、查询、监控等功能，易操作，易维护。同时组网及远程监控极其方便。33.设计了符合消防操作习惯的一键式人机交互界面，主页面监控设备的状态及火警，可控制完成复位、自检、消音功能，简单明了，一旦发生火灾，可迅速定位及时操控。各种设置参数及温度曲线分布在子页面，操作方便。44.由于线型光纤感温火灾探测器有大量的温度数据及分区信息、定位信息可以显示，传统的消防告警主机的LED指示灯，LED字符显示和按键的方式已不能满足其需要，而一般计算机常用的键盘、鼠标和显示菜单方式则略显繁复，不适合消防的一键式快速反应的要求。为此，我们特别采用工业级触摸屏显示方式，配合一键式人机界面，获得专家好评。图3.AT810一键式主控界面z感温光缆的优化设计：感温光缆采用多模光纤，内部有不锈钢保护管和抗拉钢丝网保护光纤不受损害，外护套为高性能低烟无卤阻燃PVC,起到防水，防锈，防化学腐蚀的作用，是不可缺少的一道防护层。感温光缆在平衡了导热性和防护性能及使用寿命几个矛盾之后，具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性，可以适应比较恶劣的施工条件和工作环境。总结针对消防应用，我们对DTS系统做了如下优化：11.采用“ASIC+嵌入式PowerPC”的硬件架构，提高系统的数据处理运算能力，实现实时采集累加，为快速火灾探测提供了根本保障；22.自行开发嵌入式平台，高密度，高性能，低功耗，高可靠；33.基于嵌入式linux平台的软件系统和内置Web服务器架构，可靠性高，即插即用，方便快捷；触摸屏及一键式人机界面相配合，简单明了，符合消防操控习惯；44.平衡了各项性能之后，设计的感温光缆具有良好的导热性和环境适应性。经上述改进，我们所设计、制造的第一代机型AT810线型光纤感温火灾探测器顺利通过了国家消防电子产品质量监督局检验中心的全性能型式检验。所设计指标均高于国标要求。华能集团海门电厂在其一期2x1000MW机组项目中采用了多台AT810线型光纤感温火灾探测器，对电缆桥架、输煤栈桥、油罐等进行感温检测和火灾预报警。客户对该产品的优异性能（组网、联动、分区）及产品的稳定性、可操作性给予极好评价。