一种基于光纤传感的森林消防报警装置及其控制方法

本发明涉及消防安全领域，尤其涉及一种基于光纤传感的森林消防报警装置。本发明还涉及一种基于光纤传感的森林消防报警装置的控制方法。

背景技术：

1、在消防安全领域，森林消防报警系统已经能够判断出火情状况并对突发状况作出及时反应，并展现出较好的性能。然而，对于市面上已有的报警系统来说，其仍存在智能化程度低，防抖性能差以及安全维护不方便、对铁塔要求高等明显缺陷。

2、理论上，一个理想的基于光纤传感的森林消防报警装置应该具有以下三个标准：

3、（1）当火源出现在森林不同区段时，光纤传感器可根据其弯曲损耗程度把信息传递给报警装置；

4、（2）该报警装置具有耐高温、寿命长、放抖性强、维护成本低以及检测精准高等主要特点；

5、（3）具备一定的语音指示功能并且可适应各种复杂的地段，便于消防安全工作的顺利进行。

6、虽然消防报警装置已经到了一定程度的完备，但对其潜在的风险仍然无法检测和预估，往往是当火势蔓延到非常大的程度才可以延迟反应，这对于灭火工作的高效开展是非常不利的，此外，目前现有的火警报警装置常常利用电子器件进行检测，这往往受到天气因素等影响较大，具有较高的不确定性。

7、中国专利cn202321429478.7 公布了一种森林火灾探测报警装置，包括设备主体,所述设备主体的内部焊接有蓄电池,所述设备主体的左右两侧焊接有连接块一,所述连接块一的反面卡接有固定带,所述连接块一远离设备主体的一侧焊接有发射天线,所述设备主体的正面焊接有连接块二,所述连接块二的正面螺纹连接有检测装置,所述设备主体的四周外表面焊接有若干发电装置。通过设备主体、蓄电池、连接块一、固定带、发射天线、连接块二、检测装置和发电装置的配合使用,从而达到了体积较小,适用范围广,结构合理,可长时间独立工作和检测手段丰富,提高检测效率。但仍然受电子检测系统的局限，具有维修成本高，精度不够以及检测范围有限等弊端。

8、因此现有技术需要一种提高检测已知环境和未知环境准确率的方法，利用光纤传感技术和方法，来实现森林火灾精准监测报警的功能和目的，获得更加丰富资源信息的同时达到预防目的。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺陷,本发明提出了一种基于光纤传感的森林消防报警装置。本发明在传统消防报警系统的基础上增加光纤传感器、信号发生器、光电转换器以及锁相放大器等,可进一步抑制噪声信号，将微弱光信号转变成电信号并进一步放大，消除在温度监测过程中电磁波等干扰信号的影响等。

2、本发明还提出了一种基于光纤传感的森林消防报警装置的控制方法，该方法采用光钎传感器的多点布局设置，并且采用先进的otdr技术和ofdr技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。此方法在技术上更具有优势,尤其适应森林等比较复杂的地貌跟环境，具有很高的可行性,可大大提高火源测量精度,可以消除外界因素对检测信号波动的影响。

3、为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤传感的森林消防报警装置包括信号发生器、光电转换器、锁相放大器、数据采集单元、数据处理单元、报警系统、灭火系统以及若干个光纤传感器；所述信号发生器的一端分别与第一检测器和第二检测器相连接；所述第一检测器、第二检测器的左侧设置有相位调制器，所述相位调制器的左侧设置有光纤耦合器，所述光纤耦合器与若干个光纤传感器相连接；所述信号发生器的另一端与光电转换器连接，所述光电转换器的左侧与锁相放大器连接，所述锁相放大器的左侧设置有数据采集单元，所述数据采集单元的左侧设置有数据处理单元，所述数据处理单元的左侧分别与报警系统和灭火系统相连接；所述数据采集单元负责收集光纤传感器传来的数据，所述数据处理单元对数据进行分析处理，并通过报警系统发出警报。

4、作为本发明的进一步改进，所述光纤耦合器采用的是光纤分束式耦合器，通过光纤间的物理对接、光波的分束和合束实现光信号的传输和耦合；所述光纤耦合器设置有两个输出端，两个输出端中的一路为参考信号，另一路为调制信号；所述光纤耦合器是通过将光信号从一个光纤传输到另一个光纤中实现信号耦合的器件，同时实现适当的电气隔离或匹配。

5、作为本发明的进一步改进，所述相位调制器的输入端与光纤耦合器相连接，所述相位调制器主要采用二进制绝对调相原理，利用载波的不同相位的绝对值来传递数字信息，并用2ask解调方法实现解调。

6、作为本发明的进一步改进，所述信号发生器的信号输出端与光电转换器相连接，所述光电转换器的输出端与锁相放大器的其中一个输入端连接，作为信号通道；

7、作为本发明的进一步改进，所述锁相放大器的另一个通道输入与待测信号频率与相位相同的方波作为参考信号，其输出端与数据采集单元和数据处理单元连接；

8、作为本发明的进一步改进，所述报警系统和灭火系统的接口分别连到数据采集系统的输出端，并设置电压以及水位的参考值，从而根据不同火情实现精准灭火功能。

9、作为本发明的进一步改进，所述报警系统包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元包括第一壳体和至少一个光发射器，所述第一壳体内设置有光发射电路；所述光接收单元包括第二壳体和光接收器，所述第二壳体设置有光接收电路；温度的变化反映到光信号的变化，从而促发光发射电路，光接收器接收并触发广播，提醒人们火灾的紧急情况，便于撤退。

10、作为本发明的进一步改进，所述灭火系统包括动力单元、警示单元和喷水单元；所述动力单元包括水泵，水泵的输入端通过抽水管道与地下水源连接，水泵上设置有自动控制阀门、手动控制阀门和监测信号接收盒，所述自动控制阀门能够实现水泵的自动化控制，提高水泵工作的精确性和效率；所述手动控制阀门的作用在于方便手动控制水泵的启停；所述监测信号接收盒的一端与所述自动控制阀门相连接，另一端与警示单元相连接；所述水泵的输出端与喷水单元相连接。

11、所述警示单元包括火灾自动报警灭火控制器，所述火灾自动报警灭火控制器的一端依次与指示电路、保护电路和抗干扰电路相连接，所述抗干扰电路的输入端依次连接有感温探测器、感烟探测器和火焰探测器；所述火灾自动报警灭火控制器的另一端分别与声光报警器、喷放指示灯和手动控制器连接；所述监测信号接收盒的一端与火灾自动报警灭火控制器。

12、所述喷水单元包括输水管道和喷头，所述输水管道的一端与水泵的输出端连接，输水管道的另一端与喷头连接，所述喷头至少设置一个，当喷头设置多个时则能够分布式设置在森林的各个点位。

13、本发明充分利用分布式光纤的优势及特点，当森林着火时，可有效探测火源存在的位置以及距离市中心的距离，有效采取措施进行灭火操作，尤其对一些潜在的危险因素，该光纤可有效识别并发出语音指令，从而给森林防火中心一定的预告，以便他们可以加强管理，当出现大火时，促发水泵将搜集地下水通过水管连接到蓄水池，并通过灭火系统的电力驱动向外喷射水，从而把火苗扑灭。本发明可以对森林各地进行实时检测和温度显示，通过光纤把信息传递给检测器，通过环境的温度变化引起光纤携带信息发生变化，从而引起布里渊频移发生变化来实现温度应变的传感，通过得到光纤的复合基带传输函数来实现对火源的检测预防。

14、一种基于光纤传感的森林消防报警装置的控制方法，包括以下步骤：

15、a、火源发出辐射波长首先被分布式光纤传感器接收，通过光纤耦合器使得原有光信号被调制形成调制光，从而改变原来光的相位信息；

16、b、运用同步检波法实现光信号的解调，信号光通过信号发生器可以检测出其频率和相位信息，并通过光电转换器将光信号转化成直流电信号，输出目标火源信息；通过信号发生器选择特定频率和相位的光作为参考光，待测信号和参考信号分别通过锁相放大器的信号通道和参考通道传入，输出检测信号放大之后的交流电压；

17、c、通过数据采集单元将二次谐波信号传输到数据处理单元中，将数据处理单元与报警系统和灭火系统分别连接，设置报警系统工作的上下限从而控制报警系统工作电压范围，其中灭火系统包括动力单元，动力单元由电源、变频器、电机和水泵四个部分组成，通过电压驱动水泵工作从而控制出水量的多少，由此可以及时将森林火源扑灭。

18、作为本发明的进一步改进，所述步骤b中信号发生器输出的待测信号为正弦波，参考信号为方波。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明通过采用分布式光纤，解决了市面上传输精度不高，传输性能不稳定的缺点。本发明可以根据火情进行输出水压的控制，弥补了市场上对火情监测以及用水量难以把握的缺点。在保证人员生命安全的前提下，根据火情来发射不同水压的水灭火，对于灭火更有效，不会出现用水过多或者过少的情况，减少了资源浪费，也提高了安全性。

21、传统的消防检测系统存在电子系统自身的局限性，检测精度不足且易受环境干扰。而本发明通过采用光纤传感和光电转换等技术，起到抑制干扰，提高复杂环境下检测稳定性的作用。

22、传统的预警系统，仅存在自动灭火和呼救灭火的单一方式，而本发明可以根据火焰大小程度与设定阈值的范围决定是否启动警报救援。

23、传统的光学检测系统，单一的光纤使得检测范围极大受限，而分布式光纤采用光纤传感器的多点布局设置，可以扩大检测范围，提高检测火焰质量。

24、除此之外，本发明还具备以下几点优点：

25、1.打破了传统消防报警装置的弊端，在避免电磁干扰同时对噪声信号的抑制效果更加明显，使得实用性更强；

26、2.抗天气干扰，可在天气恶劣的情况下正常工作；

27、3.采用分布式光纤，成本造价低，覆盖范围广，维护成本低；

28、4.供能使用可充电蓄电池和太阳能电池板相结合的方式，节约能源，大大提高续航能力，使用寿命更长；

29、5.通过光纤将信号传达到基站，利用北斗导航系统进行精准定位；

30、6.能实现长距离传输，信号不失真，操作便捷，安全性高。