低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统及方法与流程

本发明属于光缆温度探测及报警领域，具体涉及一种低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统及方法。

背景技术：

大型隧道、液压站、油库、石油储罐、电力分布系统、仓库、化学品存储及生产工厂及飞机库等出对消防有相当严格的要求，需要可靠的火灾预警探测系统。常用的火灾报警系统，是利用环境温度升高时，感温电缆的金属丝之间的电阻值变化，实现警报输出。然后该类电缆利用负温度系数热敏电阻的同轴感温电缆，当温度升高时，热敏电阻材料其阻值会发生变化，或者发生短路。然而随着长度增加时精度会变差，受环境温度影响较大，易发生误报，因此，一般感温电缆的长度不超过300m。两根以上热敏电缆绕组成的感温电缆，发生火情时热敏材料熔接，内部包裹的金属丝发生短路，进行报警，这类感温电缆在热敏材料融化后必须更换。热敏电缆与负温度系数热敏电阻材料绕组成的感温电缆，热敏材料融化后发生负温度系数与热敏电阻材料混合，影响其特性，也存在必须更换的特点。

准分布式的光纤光栅感温光缆对温度十分敏感，且定位准确，测量精度高，解调速度快，应用范围比较广泛。然而，传统的光纤光栅感温光缆的制作十分复杂，首先要在静止状态下单个的制备光栅，再对光栅进行封装保护，然后采用光纤熔接机将多个光栅熔接形成阵列，最后成缆。在制备光栅时要剥除光纤的涂覆层，及之后的光栅熔接会导致光纤损耗增大，不能复用大量光栅，传感距离短，且熔接位置的抗拉强度大大减弱，光缆可靠性变差，光缆布设和使用过程中经常出现断纤的情况，限制了这种光缆的实际应用，而且一般都采用波分复用进行解调，解调过程复杂且解调速度慢，不能满足工程应用。最关键的是，在大型隧道等应用场所中，对空间分辨率的要求很高，甚至要求达到100mm的空间分辨率要求。因此，基于强光纤光栅阵列的感温光缆要求空间分辨率小于100mm，则必须使用基于高空间分辨率ofdr技术，然而，该技术解调复杂，解调系统的成本高，不能满足现场的应用要求。

常规的光缆火灾报警是通过波分复用技术，复用光栅的个数受限于光源的宽度，一般单个通道仅20个光栅，对于高空间分辨率的感温数量受限；另外一种火灾报警方法是基于otdr方法的火灾报警系统，包括基于拉曼的分布式光纤测温系统、基于布里渊技术的分布式测温系统、武汉理工大学设计的动态在线刻写的全同弱光栅的时分复用技术，这些系统复用的数量大，然而空间分辨率受制于调制的脉冲宽度限制，其脉冲宽度越窄，对探测部分的要求则越高，其系统成本高，对小尺寸火源，空间分辨率在100mm量级隧道火灾报警则难以应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统及方法，能够实现低成本的高空间分辨率的快速感温报警。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统，其特征在于：它包括宽带光源、光环形器、感温光缆、带阻滤波器、ccd波长解调模块和报警模块；

宽带光源的光经过光环行器传输给感温光缆，感温光缆反射回的光通过带阻滤波器过滤掉环境温度正常时整个光栅阵列的反射谱，得到红移的光栅反射谱，ccd波长解调模块解调红移的光栅反射谱的反射波长，报警模块用于对解调的反射波长进行阈值判断和报警；

所述的感温光缆上设有利用在线拉丝塔技术刻写的全同弱光栅阵列，全同弱光栅阵列中的每个光栅的反射率为0.1%~0.01%，边模抑制比大于10db。

按上述系统，所述的感温光缆长度大于500m，光栅个数大于5000个，光栅间距为50mm~1000mm。

利用所述的低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统实现的感温告警方法，其特征在于：它包括以下步骤：

s1、宽带光源的光经过光环行器传输给感温光缆，感温光缆反射回的光通过带阻滤波器过滤掉环境温度正常时整个光栅阵列的反射谱；所述的感温光缆上设有利用在线拉丝塔技术刻写的全同弱光栅阵列，全同弱光栅阵列中的每个光栅的反射率为0.1%~0.01%，边模抑制比大于10db；

s2、当某个位置的温度升高，该位置的光栅的反射谱将从总反射谱中红移出，ccd波长解调模块解调红移的光栅反射谱的反射波长；

s3、当解调出的反射波长大于设定的阈值，则发出火灾预警。

按上述方法，所述的感温光缆长度大于500m，光栅个数大于5000个，光栅间距为50mm~1000mm。

本发明的有益效果为：本发明通过选用在线拉丝塔技术刻写的全同弱光栅阵列，可以做到高空间分辨率，通过利用带阻滤波器滤掉本征的全同弱光栅阵列的总反射谱后，使用高速的ccd波长解调模块解调从感温光缆中红移的反射波长，无需利用波分复用技术解调所有的反射波长，不需要昂贵的调制器和高速率的探测器及高速电路设计，大大降低了感温系统的成本，并且解调的速度很快，可做到实时解调，最终实现低成本的高空间分辨率的快速感温报警。

附图说明

图1为本发明一实施例的原理图。

图2为本发明一实施例的环境温度正常时整个光栅阵列的反射谱。

图3为本发明一实施例的有温度变化时整个光栅阵列的反射谱。

图中：1-宽带光源，2-光环形器，3-感温光缆，4-带阻滤波器，5-ccd波长解调模块，6-报警模块。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统，如图1所示，它包括宽带光源1、光环形器2、感温光缆3、带阻滤波器4、ccd波长解调模块5和报警模块6；宽带光源的光经过光环行器传输给感温光缆，感温光缆反射回的光通过带阻滤波器过滤掉环境温度正常时整个光栅阵列的反射谱，得到红移的光栅反射谱，ccd波长解调模块解调红移的光栅反射谱的反射波长，报警模块用于对解调的反射波长进行阈值判断和报警；所述的感温光缆上设有利用在线拉丝塔技术刻写的全同弱光栅阵列，全同弱光栅阵列中的每个光栅的反射率为0.1%~0.01%，边模抑制比大于10db。宽带光源1与光环行器2的1端口相连，感温光缆3与光环形器的2端口相连，所述的带阻滤波器4分别与光环形器2的端口3及高速的ccd波长解调模块5连接，带阻滤波器4对全同弱光栅阵列的整个反射谱进行滤波，ccd波长解调模块5解调滤波后红移的光栅波长，当检测到的光栅波长超过系统阈值，报警模块6发出报警。

所述的感温光缆3长度大于500m，光栅个数大于5000个，光栅间距为50mm~1000mm。

宽带光源为常规的ase光源，不需要调制，因此不需要昂贵的调制器和高速率的探测器及高速电路设计。

本实施例利用武汉理工大学设计的动态在线技术刻写光栅间距为100mm的全同弱光栅，整个单模光纤无焊点，在单模光纤拉丝过程中，通过控制拉丝速度、拉丝炉的温度、拉丝张力、准分子激光器的功率、刻写系统的光路来控制全同弱光栅的反射率与边摸抑制比，采用相位掩膜法使单个光栅的反射率控制在0.1%~0.01%左右，反射率的一致性不超过3db，光栅的布喇格波长基本相同，光栅的3db带宽0.1nm左右。500m的智能光缆中包含5000个弱光栅，其反射谱20db的宽度仅0.16nm。因此，其弱光栅有良好的全同特性。

带阻滤波器作用是滤掉全同弱光纤光栅阵列中的整个反射功率，带阻滤波器滤掉本征的全同弱光栅阵列的总反射谱后，使用高速ccd波长解调模块解调从光纤光栅感温光缆中红移的反射波长。当某个位置的温度升高到一定程度，该位置光栅的反射谱将从总反射谱中移出，通过检测其移出总反射谱的反射波长就可以对该点的温度实现检测，当温度大于设定的阈值时，则系统将产生火灾预警。

利用所述的低成本高空间分辨率全同弱光栅感温告警系统实现的感温告警方法，它包括以下步骤：

s1、宽带光源1的光经过光环行器2传输给感温光缆3，感温光缆3反射回的光通过带阻滤波器4过滤掉环境温度正常时整个光栅阵列的反射谱，如图2所示；所述的感温光缆3上设有利用在线拉丝塔技术刻写的全同弱光栅阵列，全同弱光栅阵列中的每个光栅的反射率为0.1%~0.01%，边模抑制比大于10db；

s2、当某个位置的温度升高，得到的整个光栅阵列的反射谱如图3所示，该位置的光栅的反射谱将从总反射谱中红移出，ccd波长解调模块5解调红移的光栅反射谱的反射波长；s3、当解调出的反射波长大于设定的阈值，则发出火灾预警。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。