基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计

嵌入式

2010年第3期 广东公安科技 总第100期

基于Raman散射线型光纤感温火灾探测器

的优化设计

严 洪 姜明武 徐海峰

1

2

3

(1 广东省公安消防总队,广东广州510640;2 ;3 深圳市安捷工业光电有限公司,广东深圳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,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 1 OTDR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1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=vt/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 2 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

Exp(-E/kT)

[1]

:

(1)

嵌入式

在实际测量中,只要测出 (T)、 s

(T)、 (T0)、 s(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

4

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:

s=Ks S vs e Rs(T) exp[-( 0+ s) L]以表示为:

=K S v e R (T) exp[-( 0+ ) L]

(3)

式中,Ks、K 分别为和光纤的Stokes散射截面、Anti-Stokes散射截面有关的系数,vs,v 分别为Stokes散射光子和Anti-Stokes散射光子的频率, 0、 、 s为光纤中入射光、Anti-Stokes光以及Stokes光的平均传播损耗,Rs(T)、R (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 v/kT)]R (T)=[exp(h v/kT)-1]由式(2)、(3)、(4)、(5)得到: (T)K

=

s(T)Ks

v 4

() exp[-vs

(h v/(6)(h v/(7)

-1

4

(2)

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量可

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

[3]

间不大于30s,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。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

(4)(5)

-1

kT)] exp[-( - s) L]

在基线温度T0时:

v 4 (T0)K

= () exp[-vss(T0)Ks

kT0)] exp[-( - s) L]

当光纤从基线温度T0变化到任一温度

T时:

(T)/ s(T) 0)/ s(T0)=

exp[-(h c/kT0)]=exp[-由上式得:

(T)/ s(T)=-ln

TT0h v (T0)/ s(T0) (9)

(-)]kTT0

(8)

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:

嵌入式

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,Etherne,tUSB,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。

数据量大

系统的双通道ADC是10bi,t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技术关键,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。

表1 测量通道数与DTS信号处理能力

类

别累加次数/每通道每通道最大测量时间(s)每通道最小处理速度(次/秒)最小接口速度(MB,2km系统)

1通道系统40000162500 …… 此处隐藏：4496字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……