本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)以及測溫方法。
背景技術(shù)：
火災(zāi)是公路隧道所面臨的高度危險之一。1999年，法國勃朗峰隧道、2000年奧地利薩爾茨堡州基茨施坦霍恩山隧道和2009年西安地鐵隧道突發(fā)的火災(zāi)事故造成的大量人員傷亡，都給我國隧道的消防安全敲響了警鐘。
發(fā)生在隧道中的火災(zāi)，多數(shù)是開放性火災(zāi)，帶有濃煙，其熱輻射率為數(shù)兆瓦級，在數(shù)分鐘內(nèi)便可形成火災(zāi)?！八淼阑馂?zāi)”實例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災(zāi)的溫度升至大約200℃。已有研究結(jié)果表明：當(dāng)隧道中發(fā)生一起嚴(yán)重的火災(zāi)時，在最初的4分鐘內(nèi)，可以探測到，在火災(zāi)點上方的熱空氣層，溫度每分鐘上升大于50℃。此外，隧道通風(fēng)將產(chǎn)生特定的影響。一般的測試都顯示，在大于2m/s的縱向風(fēng)時，一輛汽車或列車火焰向上飄動，頂部的溫度僅達(dá)到60℃。并且，在距火災(zāi)發(fā)生地20米遠(yuǎn)的地點，頂部溫度將降到50℃以下。因此，尋找適合隧道應(yīng)用環(huán)境、開發(fā)能及時準(zhǔn)確探測火災(zāi)發(fā)生并報警的系統(tǒng)，對隧道的安全運行十分重要。
目前所采用的隧道測溫方法有如下幾種：
(1)單點溫度光纖傳感器：這種傳感器只是單點測量，只能測試一小部分區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)，而某些特定場合，迫切需要對溫度場的空間分布狀態(tài)進行準(zhǔn)確測量和實時監(jiān)控。另外，對于單點測量，雖然可以采用多個點式溫度傳感器的陣列進行測試，但其測試過程復(fù)雜，且不經(jīng)濟、不準(zhǔn)確、不可靠。
(2)復(fù)用溫度光纖傳感器以及溫度光纖傳感器陣列：此種方法主要是在傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，結(jié)合光纖的特性而構(gòu)成的準(zhǔn)分布式溫度光纖傳感器系統(tǒng)，一般都是基于頻率調(diào)制連續(xù)波FMCW(frequency modulated continuous wave)的方法，采用點傳感器陣列構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)類似，往往由于分辨率、帶寬或空間的原因而使傳感器的數(shù)目或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到限制，所以，測量溫度的精度、速度和范圍也受到限制。
由此可見，現(xiàn)有技術(shù)中，迫切需要尋找到適合隧道應(yīng)用環(huán)境、能及時準(zhǔn)確監(jiān)控到隧道內(nèi)整體溫度場的空間分布狀態(tài)，從而保證隧道的安全運行。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)以及測溫方法，可有效解決上述問題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
本發(fā)明提供一種適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)，包括：分布式光纖測溫系統(tǒng)、傳感光纖和上位機；
所述分布式光纖測溫系統(tǒng)包括：控制板、脈沖半導(dǎo)體激光器PLD、波分復(fù)用組件、定標(biāo)光纖、光電檢測器APD、信號放大器和采集板；所述傳感光纖包括光纖跳線(1)和鎧裝多模光纖(2)；
其中，所述控制板的輸出端連接到所述脈沖半導(dǎo)體激光器PLD的輸入端；所述脈沖半導(dǎo)體激光器PLD的輸出端連接到所述波分復(fù)用組件的輸入端；所述波分復(fù)用組件配置有三個輸出端口，分別為光脈沖輸出端口、斯托克斯光輸出端口和反斯托克斯光輸出端口；所述光脈沖輸出端口通過所述定標(biāo)光纖連接到所述光纖跳線(1)的一端，所述光纖跳線(1)的另一端與布置于隧道(5)內(nèi)的鎧裝多模光纖(2)的一端連接；所述斯托克斯光輸出端口的輸出光路和所述反斯托克斯光輸出端口的輸出光路布置所述光電檢測器APD，所述光電檢測器APD為雙通道光電檢測器，配置有斯托克斯光光電檢測通道和反斯托克斯光光電檢測通道；所述斯托克斯光光電檢測通道的輸出端和所述反斯托克斯光光電檢測通道的輸出端分別連接到所述信號放大器的對應(yīng)輸入端口，所述信號放大器的輸出端連接到所述采集板的輸入端，所述采集板的輸出端連接到所述上位機；
其中，所述鎧裝多模光纖(2)在隧道(5)內(nèi)的布置方式為：在所述隧道(5)的頂壁固定設(shè)置多個U型支架(3)，所述鎧裝多模光纖(2)依次穿過各個所述U型支架(3)布置。
優(yōu)選的，還包括：開關(guān)電源；所述開關(guān)電源分別與所述控制板、所述信號放大器和所述采集板的供電接口連接；所述控制板分別與所述脈沖半導(dǎo)體激光器PLD、所述光電檢測器APD的供電接口連接。
優(yōu)選的，還包括：總控制器；所述總控制器分別與所述控制板和所述采集板連接。
優(yōu)選的，所述波分復(fù)用組件為Raman 1×3波分復(fù)用組件；所述光電檢測器APD為含高壓驅(qū)動的光電雪崩二極管；所述光纖跳線(1)為FC-APC多模光纖跳線；所述采集板為雙通道采集板；所述控制板為ATMEGA AU 1214型號單片機。
優(yōu)選的，所述Raman 1×3波分復(fù)用組件由1×3雙向耦合器和多光束干涉型高隔離度的光學(xué)濾光片組成。
優(yōu)選的，所述采集板的輸出端通過通信接口連接到所述上位機。
優(yōu)選的，所述通信接口為USB通信接口、RS-232通信接口和/或網(wǎng)口。
本發(fā)明還提供一種的適用于隧道測溫的分布式光纖測溫方法，包括以下步驟：
步驟1，總控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脈沖半導(dǎo)體激光器PLD產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖并對所產(chǎn)生的脈沖進行調(diào)制，產(chǎn)生一系列大功率光脈沖；另一方面，總控制器向采集板提供同步脈沖，使其進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。
步驟2，對于脈沖半導(dǎo)體激光器PLD產(chǎn)生的光脈沖，傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用組件，光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器的一個輸出端口輸出后，依次經(jīng)過定標(biāo)光纖、光纖跳線的傳輸后，最后傳輸?shù)讲贾迷谒淼赖逆z裝多模光纖，并在鎧裝多模光纖各點產(chǎn)生后向散射光，后向散射光傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用組件，通過波分復(fù)用組件的薄膜干涉濾光片，對后向散射光進行濾光，分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光；
步驟3，然后，斯托克斯光從波分復(fù)用組件的斯托克斯光輸出端口輸出，進入到光電檢測器APD的斯托克斯光光電檢測通道；反斯托克斯光從波分復(fù)用組件的反斯托克斯光輸出端口輸出，進入到光電檢測器APD的反斯托克斯光光電檢測通道；
斯托克斯光光電檢測通道和反斯托克斯光光電檢測通道分別將檢測到的光信號進行光電轉(zhuǎn)換后，得到對應(yīng)的電信號，并將電信號傳輸?shù)叫盘柗糯笃鬟M行放大處理，將信號放大到采集板有效的采集范圍；
步驟4，此時，采集板接收來自信號放大器的電信號，并對接收到的電信號進行分析處理，得到光纖溫度曲線，并等待后續(xù)光脈沖產(chǎn)生的散射光電信號進行累加和平均處理，最終由上位機通過編譯軟件進行溫度解調(diào)和顯示。
本發(fā)明提供的適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)以及測溫方法具有以下優(yōu)點：
提出了用分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測隧道安全狀況，在工程中將分布式光纖溫度測量系統(tǒng)引入隧道檢測，克服了傳統(tǒng)測量不連續(xù)、不精確、不可靠等缺點。它所進行的測量是沿光纖路徑的連續(xù)測量，可獲得隧道的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這一技術(shù)將完善隧道檢測的手段，提供大量新的病害有關(guān)的參數(shù)，為隧道長期安全提供有力的保證。
附圖說明
圖1為本發(fā)明提供的適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
為克服傳統(tǒng)測量技術(shù)存在的相關(guān)缺陷，本發(fā)明將分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用在隧道溫度的監(jiān)測中，提出了采用分布式光纖溫度傳感器實時監(jiān)測隧道安全狀況，在工程中將分布式光纖測溫系統(tǒng)引入隧道溫度檢測，其所進行的測量是沿光纖路徑的連續(xù)測量，可獲得隧道的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這一技術(shù)完善了隧道檢測的手段，提供大量新的病害有關(guān)的參數(shù)，為保證隧道的安全提供有力的保證。另外，采用光纖分布式測溫，還具有隧道測溫連續(xù)、精確以及可靠性高等優(yōu)點。
本發(fā)明思路基礎(chǔ)為：基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展的新型測溫技術(shù)，由于光纖測溫具有測距、可復(fù)用、非破壞性報警、報警溫度可調(diào)、傳感器輸出為光信號、抗電磁干擾等優(yōu)點，因而可適用于隧道這種復(fù)雜環(huán)境等惡劣環(huán)境下的溫度測量。分布式光纖溫度傳感器利用光纖作為溫度信息的傳感和傳輸介質(zhì)，光纖設(shè)在整個溫度場中，可以測量整條光纖沿線的溫度分布情況，隨著光纖的增長，測量點數(shù)的增加，單位信息的獲取成本大大降低，這是分布式光纖溫度傳感器相對于其它溫度傳感器的顯著優(yōu)點。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，通過改善分布式光纖溫度傳感器的信號處理方式來提高整個系統(tǒng)的測溫精度和空間定位精度，在數(shù)據(jù)處理方面的改進能夠使分布式光纖測溫系統(tǒng)實現(xiàn)真正的分布式測量，完成準(zhǔn)確測量、實時測量，從而真正發(fā)揮其巨大的實際運用作用。
結(jié)合圖1，本發(fā)明提供一種適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)，提出了用分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測隧道安全狀況，在工程中將分布式光纖溫度測量系統(tǒng)引入隧道檢測，其所進行的測量是沿光纖路徑的連續(xù)測量，可獲得隧道縱橫截面的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這一技術(shù)將完善隧道檢測的手段，提供大量新的病害有關(guān)的參數(shù)，為保證隧道長期、連續(xù)、安全運行提供有力的保證。
具體的，適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)包括：分布式光纖測溫系統(tǒng)、傳感光纖和上位機；
分布式光纖測溫系統(tǒng)包括：控制板、脈沖半導(dǎo)體激光器PLD、波分復(fù)用組件、定標(biāo)光纖、光電檢測器APD、信號放大器和采集板；傳感光纖包括光纖跳線1和鎧裝多模光纖2；
其中，控制板的輸出端連接到脈沖半導(dǎo)體激光器PLD的輸入端；脈沖半導(dǎo)體激光器PLD的輸出端連接到波分復(fù)用組件的輸入端；波分復(fù)用組件配置有三個輸出端口，分別為光脈沖輸出端口、斯托克斯光輸出端口和反斯托克斯光輸出端口；光脈沖輸出端口通過定標(biāo)光纖連接到光纖跳線1的一端，光纖跳線1的另一端與布置于隧道5內(nèi)的鎧裝多模光纖2的一端連接；斯托克斯光輸出端口的輸出光路和反斯托克斯光輸出端口的輸出光路布置光電檢測器APD，光電檢測器APD為雙通道光電檢測器，配置有斯托克斯光光電檢測通道和反斯托克斯光光電檢測通道；斯托克斯光光電檢測通道的輸出端和反斯托克斯光光電檢測通道的輸出端分別連接到信號放大器的對應(yīng)輸入端口，信號放大器的輸出端連接到采集板的輸入端，采集板的輸出端連接到上位機；
其中，鎧裝多模光纖2在隧道5內(nèi)的布置方式為：在隧道5的頂壁固定設(shè)置多個U型支架3，鎧裝多模光纖2依次穿過各個U型支架3布置。參考圖1，4代表隧道中心，鎧裝多模光纖布置于隧道頂部的U型支架中，可用于滿足隧道中防鼠咬、防潮濕等要求，延長鎧裝多模光纖的使用壽命以及使用可靠性。
上述適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)的測溫原理為：
步驟1，總控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脈沖半導(dǎo)體激光器PLD產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖并對所產(chǎn)生的脈沖進行調(diào)制，產(chǎn)生一系列大功率光脈沖；另一方面，總控制器向采集板提供同步脈沖，使其進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。
步驟2，對于脈沖半導(dǎo)體激光器PLD產(chǎn)生的光脈沖，傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用組件，分復(fù)用組件采用Raman 1×3波分復(fù)用組件，由1×3雙向耦合器和多光束干涉型高隔離度的光學(xué)濾光片組成，因此，光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器的一個輸出端口輸出后，依次經(jīng)過定標(biāo)光纖、光纖跳線的傳輸后，最后傳輸?shù)讲贾迷谒淼赖逆z裝多模光纖，并在鎧裝多模光纖各點產(chǎn)生后向散射光，后向散射光傳輸?shù)讲ǚ謴?fù)用組件，通過波分復(fù)用組件的薄膜干涉濾光片，對后向散射光進行濾光，分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光；
步驟3，然后，斯托克斯光從波分復(fù)用組件的斯托克斯光輸出端口輸出，進入到光電檢測器APD的斯托克斯光光電檢測通道；反斯托克斯光從波分復(fù)用組件的反斯托克斯光輸出端口輸出，進入到光電檢測器APD的反斯托克斯光光電檢測通道；
斯托克斯光光電檢測通道和反斯托克斯光光電檢測通道分別將檢測到的光信號進行光電轉(zhuǎn)換后，得到對應(yīng)的電信號，并將電信號傳輸?shù)叫盘柗糯笃鬟M行放大處理，將信號放大到采集板有效的采集范圍；
步驟4，此時，采集板接收來自信號放大器的電信號，并對接收到的電信號進行分析處理，得到光纖溫度曲線，并等待后續(xù)光脈沖產(chǎn)生的散射光電信號進行累加和平均處理，最終由上位機通過編譯軟件進行溫度解調(diào)和顯示。
在上述過程中，測溫原理為：分布式光纖測溫系統(tǒng)依據(jù)光纖的光時域反射(OTDR)原理以及光纖的后向拉曼散射光(ram an scattering)溫度效應(yīng)，當(dāng)一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，光脈沖會沿著光纖向前傳播。因光纖內(nèi)壁類似鏡面，故光脈沖在傳播中每一點都會產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反。這種后向反射光的強度與光纖中反射點的溫度有一定的關(guān)系。反射點的溫度(光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強度也越大。也就是說，后向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現(xiàn)象，若能測量出后向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度。分布式測溫系統(tǒng)的溫度解調(diào)公式為：
式中，T為絕對溫度，T0為標(biāo)定溫度，K為玻爾茲曼常量，h為普朗克常量。
在上述結(jié)構(gòu)中，還包括：開關(guān)電源；開關(guān)電源分別與控制板、信號放大器和采集板的供電接口連接；控制板分別與脈沖半導(dǎo)體激光器PLD、光電檢測器APD的供電接口連接。也就是說，開關(guān)電源分別向控制板、信號放大器和采集板供電；而控制板分別向脈沖半導(dǎo)體激光器PLD和光電檢測器APD供電。
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步說明，但實施例不是對本發(fā)明的限定。
1、具體參數(shù)為：
1、分布式光纖測溫系統(tǒng)的光源有穩(wěn)定的單模工作模式以及納秒及級的脈沖輸出，還具有高峰值功率。
2、光纖跳線使用FC-APC多模光纖跳線。
4、采用雙通道采集、采集距離為60km、累計次數(shù)最高達(dá)到3600萬次的采集板。
5、選用ATMEGA AU 1214型號單片機作為控制板。
6、APD基于內(nèi)光電效應(yīng)工作，具有內(nèi)部增益和放大功能，工作于反向偏置電壓下，達(dá)到雪崩倍增狀態(tài)，放大光信號。
7、測溫系統(tǒng)與上位機之間為USB通信方式或RS-232通信方式以及網(wǎng)口通訊方式。
8、選用多模光纖作為測溫光纖，可以傳播多個模式光信號。
9、隧道布設(shè)多模光纖通過光纖跳線連接到分布式光纖測溫系統(tǒng)，使用光纖跳線為FC-APC多模光纖跳線。
10、光電檢測器APD和采用含高壓驅(qū)動的光電雪崩二極管。
本發(fā)明提供的適用于隧道測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)以及測溫方法，具有以下優(yōu)點：
(1)提出了用分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測隧道安全狀況，在工程中將分布式光纖溫度測量系統(tǒng)引入隧道檢測，克服了傳統(tǒng)測量不連續(xù)、不精確、不可靠等缺點。它所進行的測量是沿光纖路徑的連續(xù)測量，可獲得隧道縱橫截面的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這一技術(shù)將完善隧道檢測的手段，提供大量新的病害有關(guān)的參數(shù)，為隧道長期安全提供有力的保證。
(2)分布式光纖溫度傳感器利用光纖作為溫度信息的傳感和傳輸介質(zhì)，光纖設(shè)在整個溫度場中，可以測量整條光纖沿線的溫度分布情況，隨著光纖的增長，測量點數(shù)的增加，單位信息的獲取成本大大降低。
(3)隧道上光纖的鋪設(shè)方法與鋪設(shè)路徑直接關(guān)系到檢測質(zhì)量，是需要仔細(xì)研究的內(nèi)容，必須針對隧道工程結(jié)構(gòu)的具體特點，設(shè)計與之相適應(yīng)的布設(shè)方案，這一技術(shù)是提取的隧道溫度狀態(tài)有效性的保證。
(4)本發(fā)明是對隧道健康的一種新的評價方法，通過分布式光纖溫度傳感器對隧道進行溫度測量后，必須根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)隧道進行評估。本發(fā)明將遵循隧道測量的標(biāo)準(zhǔn)和要求，掌握隧道溫度隨時間的變化情況。依托于已運營或在建的公路隧道工程從事研發(fā)，從分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的綜合檢測能力出發(fā)，來完成對隧道工程結(jié)構(gòu)進行檢測。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護范圍。