基于TDLAS早期森林火灾检测系统

张佳薇，张红丽，李明宝

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)

森林火灾的突发性强、破坏性大、处置救助较为困难这会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果，严重影响着人类的生活［1］。目前我国森林火灾监测普遍采用地面巡护、瞭望塔监测［2］、航空巡护和卫星遥感监测［3－4］。地面巡护和瞭望塔监测受到气候、时间和人为局限性等因素的影响，其监测效果一般;而航空巡护、红外监控和卫星遥感监测等受天气和外界环境影响较大，成本较高，而且对小火的识别能力有限，不利于实现“打早、打小、打了”。无线传感器林火监测技术［5］是通过测量温度来实现火灾检测，这对于早期火灾的发现效果不明显。

为了提高森林火灾探测系统的性能，达到灵敏可靠的火灾早期报警，可以结合多参数、多判据进行复合探测，借助人工智能的方式有效地减少系统的误报和漏报。但是从本质上提高系统探测的灵敏度对于极早期的森林火灾探测才是关键。因此本文采用一种探测灵敏度较高的气体检测方法来实现森林火灾的早期检测。

1 早期森林火灾特征气体研究

森林火灾的发生都有一定的过程，燃烧的整个过程中产生气 (燃烧气体)、烟 (烟雾粒子)、热(温度)和光 (火焰)等表征火灾信号的物理化学参量，通常称为火灾参量。这些火灾参量在火灾发生的早期、阴燃、火焰放热和衰减4个阶段产生［6］。在森林火灾发生的早期，可燃物不完全燃烧热解，生成物以燃烧气体为主。鉴于燃烧气体产生较早，灵敏迅速地探测到燃烧气体的产生，从根本上提高早期探测系统的性能，更容易实现森林火灾的极早期探测。因此针对火灾特征气体，提取火灾早期特征信号的探测技术有着广阔的前景［7］。

火灾燃烧过程必然会产生CO和CO2，CO2是大气环境中有一定浓度的常见气体，当火灾发生时其浓度会急剧上升。一般情况下空气中CO的含量非常低，比CO2产生早，由于CO比空气轻，所以只需要很少的热量甚至不需要热量的驱动就可以快速扩散上升，很容易探测到火灾发生信号［8］。此外，不管是真假火灾源都会产生大量的CO2，而CO只有发生火灾时才会产生一定数量。因此CO是火灾极早期的特有标志［9］，准确快速检测CO浓度实现森林火灾的早期检测。

目前常用的气体浓度检测方法主要有化学法、气相色谱法和光谱吸收法，这几种方法对弱信号气体的检测效果不甚理想。因此需要选择其他高灵敏度的探测技术运用到早期森林火灾检测领域。可调谐二极管激光吸收光谱技术 (TDLAS)近几年已经成为一种检测环境、生物医学和工业等领域中痕量气体的极好工具，能实现快速、实时、超灵敏度的探测和监测。尤其针对痕量弱信号气体检测，将谐波检测技术和长光程池相结合得到很好的效果。

2 TDLAS的原理

TDLAS技术实际上是一种吸收光谱技术，利用激光器的窄线宽和波长调谐特性，使其扫描被测气体的单个吸收峰，通过分析气体对光的选择吸收性来获得气体的浓度。比尔 － 朗伯定律［10－11］(Beer－Lambert law)是TDLAS技术的理论基础。根据比尔－朗伯定律，一束光经过气体分子吸收之后，其光强变为:

式中:I0(v)为入射光光强;It(v)为经过气体吸收后透射光的光强;α(v)为在频率v处，单位浓度、单位长度下气体对光的吸收系数;C为气体的体积分数;L为气体吸收光路的光程长度。

3 CO吸收谱线的选取

通过查找HITRAN(2008)光谱数据库中的数据可以得到气体的吸收谱线。吸收谱线的选择应该考虑激光器和背景气体干扰两个方面。目前，近红外波段的激光器在工业界都已相对成熟，价格也便宜。背景气体干扰是指不同的气体分子在同一个波长下的谱线干扰。吸收谱线的强度可以决定系统所能达到的最小探测限，强度越大，灵敏度越高。从图1可看出，CO在1.58μm左右有强度较大的吸收谱线。

图1 CO在1.43～2.0μm附近的吸收谱线Fig.1 Carbon monoxide absorption lines around 1.43～2.0μm

在1.58μm波长左右，其它常见气体的吸收谱线的强度相对较弱，如图2所示。此外，选择谱线宽度较窄的吸收谱线更适合于TDLAS测量。

图2 常见气体在1.55～1.61μm附近的吸收谱线Fig.2 Absorption lines of common gases around 1.55～1.61μm

4 TDLAS系统框图

对于TDLAS早期森林火灾检测系统，如图3所示，其核心部件是激光器。激光器的选择应该考虑:①激光器输出中心频率要与气体的特征吸收谱线相吻;②价格相对便宜，适于广泛使用。另外由于比尔－朗伯定律需要严格的单色光，因此采用中心频率在1.58μm附近的分布反馈式 (DFB)激光器作为光源是一个很好的选择，其带宽窄、有效光功率较高，有助于提高系统灵敏度。

采用美国Thorlabs公司的ITC5000型激光电流温度控制器改变激光器的温度和注入电流实现激光波长的改变使其扫描过整条吸收谱线。通过外部输入调制信号实现对激光驱动器输出电流的调制，另外将调制信号送至锁相放大器作为参考信号。激光驱动器驱动激光器发出激光，激光照射到充满气体的长光程池内，经过多次反射之后由光电探测器接收，再经锁相放大器通过相乘和积分的方法对微弱信号进行处理，从而抑制噪声，进而得到有用的谐波信号。再通过数据采集卡采集送给计算机进行数据处理和运算，从而得到气体浓度。气泵用于实现长光程池内气体与外界气体的交换，从而实时检测外界环境变化。

图3 TDLAS系统原理图Fig.3 Schematic of TDLAS system

5 实验结果与分析

由于直接吸收测量技术容易受到背景气体的干扰，为提高测量的灵敏度和准确性，可采用谐波检测技术来实现微弱信号的测量。随着谐波次数的增加，谐波信号幅度反而减少，因此实际应用中，一般选择一次或二次谐波来检测。由图4可以看出，在谱线中心，二次谐波相对幅度最大，而一次谐波接近零。此外，由于二次谐波上的直流偏置比一次谐波的小很多，因此文中可利用二次谐波峰值实现浓度检测。本文根据已有文献中TDLAS技术和气体检测技术的研究进展，设计了一套早期森林火灾CO气体检测系统，其实物图如图5所示。

图4 二次谐波信号与一次谐波信号Fig.4 Second-harmonic spectrum and single-harmonic spectrum

图5 TDLAS早期森林火灾检测系统实物图Fig.5 The picture of TDLAS detection system for early-stage forest fire

图6 不同浓度CO的二次谐波信号Fig.6 Second-harmonic spectrum for different CO concentrations

实验采用扫描频率为20 Hz扫描气体的吸收峰和调制频率为5 kHz对激光器进行波长调制。配制了体积分数为20～165 ppmv的CO气体，平衡气为N2。测量结果如图6所示，从图中可以看出，二次谐波强度随浓度变化而变化。由图7中可以看出，CO浓度与二次谐波强度之间有良好的线性关系，可以得到拟合直线为Y=0.0251+0.004 51X。

图7 CO浓度与二次谐波强度之间的关系Fig.7 Relevance of CO concentration and second-harmonic spectrum intensity

6 结束语

TDLAS技术对痕量弱信号气体的检测灵敏度高，响应速度快，选择性好，检测限可达几个ppm量级。这将有助于快速准确的检测到森林火灾早期产生的气体，从而实现森林火灾的早期检测，有利于我国的森林防火工作，使火灾在较早期得到救助，降低损失。

［1］郭 衡，李德生.森林防火原理与方法［M］.北京:中国农业科技出版社，2001.

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