火灾烟气是火灾的主要产物，现有火灾探测方法也大都针对初期火灾烟气进行探测。火灾烟气一般包括燃烧或热解产生的气相产物、卷吸的空气以及微小固体颗粒和液滴。传统的火灾感烟探测器容易受到环境条件、燃烧状态等诸多因素的显著影响，从而产生误报^[1]。另外，点型火灾感烟探测器由于其光学暗室和防虫网的设计，不可避免地产生报警迟滞，延误关键的救援时间^[2]。线型光束感烟火灾探测器可以更快探测到经过空气对流的火灾烟雾，但是也会受环境影响产生误报，在白炽灯、氙灯以及太阳光等环境光干扰下易误报或丧失火灾探测能力^[3]。

火灾气体产物中的一氧化碳(CO)作为主要标志性气体和毒性气体，已成为火灾探测的主要对象，具有一定普适性。然而，现行国标GB 15631—2008^[4]规定的点型CO火灾探测器多采用电化学技术。电化学传感器存在老化和漂移、需要定期校准、受其他气体干扰等缺陷，使用场景受限。

激光气体吸收光谱探测具有非侵入式、响应快、稳定性高、灵敏度高、检测限低等优点^[5]。近十多年来，随着可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技术的发展，不少研究尝试利用TDLAS技术对火灾进行探测。例如，Hangauer等^[6]使用2.3 μm的激光实现了μL/L级别的CO检测限，并测试了系统对欧洲标准试验火的响应。蒋亚龙等^[7]设计的基于1.58 μm激光的TDLAS火灾探测系统使用100 m光程的气体吸收池，在常温常压下达到了2 μL/L的检测限。Dang等^[8]利用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy，WMS)技术与一次谐波量化二次谐波检测方法降低系统检测限，达到了1.18 μL/L的检测限，并在积分时间205 s时，系统能够实现0.08 μL/L的检测限。

然而，上述研究没能脱离点型探测的局限，受限于探测器的点型设计和布设方式，需要待烟气羽流形成顶棚射流进入点型探测器才会报警，不能更快响应空间中CO体积分数的变化。此外，已有研究多采用吸气式探测，依赖气体吸收池。气体吸收池在环境中容易受到外界因素的干扰，需要滤除杂质和水汽的干扰，导致探测器的结构复杂。一旦杂质或水汽进入气体吸收池则会显著影响探测器的稳定性，特别是火灾环境下烟颗粒进入气体吸收池可能会堵塞气体吸收池，或造成光强下降，影响探测精度。

本文提出了一种基于TDLAS和激光遥测技术的光学探针式初期火灾探测系统，并初步提出了基于阈值的火灾报警算法。通过开放光路的TDLAS探测，实现空间的CO体积分数获取，解决了点型探测器受光学暗室与气体吸收池的局限以及线型光束探测器受限于环境天气的问题。最后，利用标准火实验，验证了该探测系统通过开放光路探测火灾初期CO释放的可行性。

1 光学探针式初期火灾探测系统原理与设计 1.1 探测原理与波长选择

光学探针式初期火灾探测系统的探测原理如图 1所示。该系统利用TDLAS作为光学探针替代传统吸收测量腔室，实现火灾初期基于CO积分体积分数的开放光路探测。在TDLAS检测中，假设没有气体吸收时的光强为I_{0, ν}，经过气体吸收后的光强为I_ν，根据Lambert-Beer定律，对于频率为ν的激光可以有^[8]

$I_\nu=I_{0, \nu} \exp \left(-\alpha_\nu x_{\text {abs }} 2 R\right) . $

(1)

其中：α_ν=pS(T, ν₀)φ_ν，p为压强，ν₀为吸收峰的中心频率，S(T, ν₀)为温度为T时气体在ν₀处的吸收线强，φ_ν为线型函数，x_abs为气体的体积分数，R为光源到目标反射面的距离。当气体吸收较少时，式(1)可以写为

$ I_\nu \approx I_{0, \nu}\left(1-\alpha_\nu x_{\mathrm{abs}} 2 R\right) \text {. } $

(2)

α_νx_abs 2R可以看作是气体的光学厚度，在温度与压强相对稳定时，气体体积分数可以通过在吸收峰ν₀处的光强变化求出。

根据HITRAN数据库所提供的吸收峰数据，CO在2.3和4.6 μm处都有吸收峰分布^[10]，本文选择了这两个波长范围中最具代表性的吸收峰，分别为2 339.93和4 609.99 nm。这两个吸收峰所在波长对应的吸收线强S(T, ν₀)分别为8.60 × 10^-2 cm^-2·atm^-1和11.26 cm^-2·atm^-1(1 atm=101.325 kPa)。假设最小可分辨的光学厚度为10^-4，最大值为0.8。根据以上数据，可利用Voigt线型计算采用上述两吸收峰波长的激光所对应的探测量程。

在室温常压条件下(T=296 K，p=1 atm)，波长为2 331.93 nm时，量程计算结果为2.203~1.766×10⁴ (μL/L)·m；而波长为4 609.99 nm时，量程为0.017 03~136.2 (μL/L)·m。

通常环境中几乎没有CO的存在，一般空间中的CO体积分数不超过5 μL/L^[11]。假设室内空间跨度不大于10 m，则沿光路的CO路径积分体积分数不大于50 (μL/L)·m。国家标准GB 15631—2008^[14]中所规定的点型CO火灾探测器最小固定响应阈值为18.2 μL/L。为了及时探测由火灾产生的CO，参考美国消防协会NFPA 92中计算轴对称烟气羽流直径的公式^[12]，将烟气羽流转为顶棚射流瞬间的直径作为参数设定系统报警的探测阈值，

$d_{\mathrm{p}}=K_{\mathrm{d}} \cdot h \text {. } $

(3)

其中：d_p为烟气羽流在距离地面高度h处的直径，K_d为直径系数，此处取0.5。在顶棚高度为3 m且考虑背景可能存在的CO时，烟气直径d_p为1.5 m，乘以国标规定的最小阈值18.2 μL/L，烟气的最低响应路径积分体积分数为27.3 (μL/L)·m。剩下没有烟气羽流的部分为8.5 m，体积分数不超过5 μL/L，路径积分体积分数为42.5 (μL/L)·m。二者合计69.8(μL/L)·m，因此系统火灾报警阈值可设为70 (μL/L)·m。当沿光路的CO路径积分体积分数显著高于阈值时，则可判定有火灾发生并发出报警。综合考虑两个CO吸收峰波长所对应的量程以及目前光源的成本，本文选择2 331.93 nm作为光学探针式初期火灾探测系统的工作波长。

1.2 系统设计

光学探针式初期火灾探测系统的内部结构如图 2所示。光源为晶体管外形(transistor outline，TO)封装的激光二极管(NP-DFB-2330-TO5-H，Nanoplus)，最大功率10 mW。激光经过准直透镜由棱镜反射发出，光源发出的激光经由墙壁、地板或其他目标背景漫反射后被探测器接收。探测器接收系统是由90°离轴抛物反射镜(直径50.8 mm，有效焦距50.8 mm)和放置在焦点的InGaAs光电放大器(PDA10DT-EC，Tholabs)构成。接收光路与发射光路同轴。

后端电路控制部分由信号发生器(33522B, Keysight)和计算机控制的锁相放大器(MFLI，Zurich Instruments)组成。信号发生器负责驱动激光光源的信号调制，在1 Hz的锯齿波激光控制信号上叠加频率为10 kHz的调制信号。锁相发生器负责解调光电放大器接收信号中的二次谐波分量以获得吸收信号，从而得到CO的路径积分体积分数。

2 探测系统的检测限与误差分析 2.1 二次谐波信号分析

在开放光路的TDLAS检测中，光源发出的激光P₀经由墙壁、地板或其他目标背景漫反射后被探测系统接收。接收的信号功率P_r可以表示为^[13]

$ P_{\mathrm{r}}=\left(\frac{A_{\mathrm{r}} \eta \rho}{R^2}\right) P_0\left(1-\alpha_\nu 2 C_{\mathrm{r}}\right). $

(4)

其中：C_r=x_absR，即在光源与目标反射面间的CO路径积分体积分数，因为探测信号是在光源与目标反射面间往返传播的，所以是单程吸收的2倍；A_r为探测器接收系统的有效面积；η为接收系统的效率；ρ为目标反射面的微分反射率。根据Iseki等的研究^[13]，目标反射面的微分反射率与总反射率ρ_tot的关系为

$ \rho=\frac{k+1}{2 \pi} \rho_{\mathrm{tot}} \cos ^{2 k-1}\left(\theta_{\mathrm{i}}\right). $

(5)

式(5)中：θ_i为入射角，k是反射面的Minnaert常数。本文中所使用的反射面都是标准的Lambert漫反射面，即k=1。

探测采用WMS，其原理由Reid和Labrie提出^[14]。当对较小的光学厚度，也就是微弱的气体信号探测时，可以将探测信号的大小(式(4))进一步改写为：

$ \begin{gathered} P_{\mathrm{rdc}}=\left(\frac{A_{\mathrm{r}} \eta \rho}{R^2}\right) P_{\mathrm{0dc}}, \\ P_{\mathrm{r} 2 \mathrm{f}}=\left(\frac{A_{\mathrm{r}} \eta \rho}{R^2}\right) P_{\mathrm{0dc}} k_2 \alpha_0 2 C_{\mathrm{r}}, \\ C_{\mathrm{r}}=\frac{1}{2 k_2 \alpha_0}\left(\frac{P_{\mathrm{r} 2 \mathrm{f}}}{P_{\mathrm{rdc}}}\right). \end{gathered} $

(6)

其中：P_rdc为探测系统接收信号的直流分量，P_r2f为接收信号的二次谐波分量，P_0dc是光源功率的直流分量，α₀是α_ν在吸收峰中心的值。k₂描述了系统的调制深度，当k₂=0.343时，二次谐波达到最大值。

为了分析系统的检测限，需要考虑接收信号二次谐波与系统噪声电流的关系。二次谐波信号的电流均方根值为

$ I_{2 \mathrm{f}}=s P_{\mathrm{rdc}} k_2 \alpha_0 2 C_{\mathrm{r}} / \sqrt{2} . $

(7)

其中s为光电探测器的转换效率，A·W^-1。另外，噪声电流的大小可以表示为

$ I_{\mathrm{N}}=\left[\frac{s^2 N_{\mathrm{RI}} P_{\mathrm{rdc}}^2+2 e\left(s P_{\mathrm{rdc}}+I_{\mathrm{d}}\right)+s^2 P_{\mathrm{NE}}^2}{2 \Delta t}\right]^{1 / 2} . $

(8)

其中：I_N为二次谐波噪声电流的均方根值，N_RI为激光相对强度噪声，e=1.602×10^-19 C为基本正电荷，P_NE为光电放大器的噪声等效功率，Δt为相敏检测器的时间常数。此时，定义检测限为二次谐波电流与二次谐波噪声电流信噪比为1时所对应的CO路径积分体积分数，则有

$ C_{\mathrm{r}, \text { limit }}=\frac{1}{k_2 \alpha_0}\left[\left(\frac{N_{\mathrm{RI}}}{2}+\frac{e}{s P_{\mathrm{rdc}}}+\frac{s^2 P_{\mathrm{NE}}^2}{\left(s P_{\mathrm{rdc}}\right)^2}\right) \frac{1}{2 \Delta t}\right]^{1 / 2} . $

(9)

将吸收系数α₀=4.8×10¹ m^-1、激光器激光相对强度噪声N_RI=10^-12 Hz^-1、s=1.3 A·W^-1、P_NE=2.11 pW·Hz^-1/2、Δt=5 ms代入式(9)，则得到C_{r, limit}关于P_rdc的曲线如图 3所示。

当激光器功率为10 mW，假设目标面为反射率100%的Lambert漫反射面，且目标与光源距离为5 m时，接收功率约为258 nW。此时的C_{r, limit}约为5 (μL/L)·m，与1.1节所述的初步计算结果接近，满足初期火灾探测的需要。

2.2 探测系统检测限测试设计 2.2.1 气体吸收池设计

实验设计的测试气体吸收池为长50 cm、直径10 cm的圆柱体，池壁为不锈钢，两侧为红外熔融石英窗口片。气池进气口有气压表(DP-101，Panasonic)，以监测气池内外压力差。实验时，利用真空泵将气池抽至接近真空，再充入相应体积分数的CO气体使气压表归零。

2.2.2 实验设计

检测限测试布置如图 4所示，标准反射板放置于距离光源4.4 m处，气池放置于光路中，距离反射板0.5 m。实验分别测试不同CO体积分数、反射板不同入射角度与反射率时的探测系统信号响应。另外，实验也测试了标准反射板与探测系统之间不同距离时的接收信号功率。

标定测试如下：

1) 固定反射率、固定入射角度、不同体积分数测试；

2) 不同反射率、固定入射角度、固定体积分数测试；

3) 固定反射率、不同入射角度、固定体积分数测试。

实验使用了不同反射率的标准Lambert漫反射测试板组合(PFT-05M-RT-TC，Labsphere)，在2 330 nm处的反射率分别为0.69、0.35、0.18和0.07，以模拟不同反射目标材质(白墙、混凝土、沥青和黑板^[15])对检测限的影响。除了反射率测试以外，其他测试均使用反射率为0.69的标准反射板，以接近一般室内白墙的情况。

体积分数测试采用出厂标定体积分数为100、200、500、1 000、2 000和5 000 μL/L的CO气体(N₂作为配气)分别进行测试，记录不同体积分数下的二次谐波信号强度。

入射角度测试分别测试了0°、5°和10°入射角时二次谐波信号强度。实验只考虑了小入射角，因为室内开放光路探测不同于手持漫反射探测，不会出现大入射角照射的情景。

测试不同距离的接收信号功率时，气池没有放置在光路中以减小红外窗口片造成的信号损失，此时接收信号强度更接近真实火灾探测的情况。

2.3 探测系统检测限测试结果

实验记录的数据为光电放大器输出的电压结果，其电压增益为4 750 kV/A。对实验测得的二次谐波信号基于式(6)作量化处理，得到相应的体积分数。

2.3.1 体积分数测试

图 5a为二次谐波信号的时序变化，在体积分数稳定时，信号也维持基本不变。不同CO体积分数的量化二次谐波幅度如图 5b所示。图 5b展示了量化二次谐波幅度与相应路径积分体积分数的线性关系，经线性回归分析，调整后R²=0.997 7，说明此系统有良好的线性响应。距离4.4 m且目标反射率为0.69时，由图 3和式(9)计算得到理论检测限约为5 (μL/L)·m，实际检测限为26.75 (μL/L)·m。实际接收信号功率强度只有约80 nW，而不是理论计算的230 nW，光束准直度及接收系统光学效率都限制了系统检测限。另外，现有设计中锁相参考信号采用了信号发生器输出，而实际激光功率输出的线性度远低于信号发生器输出的，使解调后的二次谐波信号中引入了误差。

2.3.2 反射率测试

不同反射率标准反射板的CO二次谐波信号和量化二次谐波幅度如图 6所示。二次谐波信号的强度随着反射率的变化而变化，但量化二次谐波幅度基本维持稳定。随着反射率下降，信号强度的绝对值下降，测量结果的不确定度增大，在反射率为0.07时，检测限为88.22 (μL/L)·m。对于光学探针式初期火灾探测系统，提高接收功率有助于提高信噪比，实现更低的检测限，直到受到激光相对强度噪声的限制。

2.3.3 入射角度测试

由式(5)可知，入射角为10°时，光强较0°入射角只有不到2%的损失。不同入射角的CO二次谐波信号和量化二次谐波幅度如图 7所示。与理论预测一样，0°~10°入射角时，二次谐波信号绝对值的变化不大，对应的量化二次谐波幅度也基本一致。但是，10°入射角的不确定度要显著大于0°和5°时，这与理论预测有较大的偏差。这可能是由于接收系统是针对垂直入射即入射角为0°设计的，而对于10°这样斜入射的情况，系统容易受到空气扰动等其他因素的影响。

2.3.4 探测距离测试

接收光功率P_r随探测距离变化的关系如图 8所示。当探测距离小于1 m时，光功率较小；探测距离在1~3 m时，接收光功率达到最大；随着探测距离进一步增大，光功率随距离平方反比衰减。由图 8可知，没有气池窗口片时，在4.4 m处的光功率约为100 nW，代入式(9)，理论检测限约为10 (μL/L)·m，较有气池窗口片时显著提升。

3 基于标准火测试的火灾探测系统性能验证

由2.3.4节和式(9)可知，在良好的漫反射条件下，光学探针式火灾探测系统在10 m内的检测限平均可以达到20 (μL/L)·m；而对于一般非Lambert漫反射面，即镜面反射成分较漫反射多时，小入射角时二次谐波信号的信噪比会更高，能够实现接近(μL/L)·m级甚至几百(nL/L)·m级的检测限，满足初期火灾探测的要求。

考虑到初期火灾多以阴燃状态出现，因此选择使用国标GB 4715—2005^[16]规定的木材热解火在燃烧室内模拟初期火灾场景。本文测试了木材热解火的CO释放，并计算相应的积分体积分数。随后，根据探测器的检测限设定相应的阈值，以验证光学探针式火灾探测器是否可以满足要求。

木材热解火实验布置见图 9。在11 m(长)×10 m(宽)×3 m(高)的燃烧室内，火源放置于燃烧室正中央。木材热解火实验中，进行6组测试，用已标定的吸气式电化学CO浓度计记录每次测试的体积分数。CO浓度计在每次测试时放置于顶棚不同位置(图 9中1—3)，以获得空间各处的CO体积分数分布。

表 1显示了木材热解火测试中实验记录的各次最大CO生成量。从表 1可以看到，木材热解的CO生成量平均为32.6 μL/L，其中最大值为CO浓度计放置于中央时，即第1组的84.5 μL/L，最小为第3组，即CO浓度计放置于角落时。

采用6次测试的CO最大生成量的算数平均值作为此标准火测试的CO平均生成量，以消除CO在空间分布不均对积分体积分数的影响。假设探测系统布置在空间顶棚短边中央，其光束沿长边方向射出，则以长边计算平均CO最大生成量对应的顶棚CO积分体积分数为325.8 (μL/L)·m。按图 8所示，现有设计的光学探针式火灾探测器在约10 m处接收功率为25 nW，根据式(9)计算得到理论检测限为30 (μL/L)·m。在10 m跨度的空间中，若此探测系统阈值设定为70 (μL/L)·m，根据前文检测限测试，除了反射背景为黑板的特殊情况，一般墙面均可满足满足阈值设定的要求。阴燃火测试也表明烟气最大生成量所对应的路径积分体积分数为325.8 (μL/L)·m，大于阈值设定值，可以实现及时报警响应，即系统可以满足火灾初期时阴燃状态的报警要求。

从以上结果看，基于TDLAS和激光遥测技术的光学探针式火灾初期探测系统可以有效地实现火灾初期的CO气体探测。但是，由于初期火灾释放的CO在时空分布上存在不均匀的情况，后续探测阈值与相应算法研究，还需要综合考虑探测器与反射面距离及夹角、烟气体积分数分布以及CO释放少的燃烧状态(例如酒精燃烧)等因素。

4 结论

本文设计了基于TDLAS和激光遥测的光学探针式火灾初期探测系统，并初步提出了相应的阈值报警算法来实现初期火灾的报警响应。通过检测限测试实验与标准火实验，确定了所设计的探测系统开放光路探测火灾初期CO释放的可行性，弥补了利用吸收腔体的气体探测器与点型感烟火灾报警器的不足。较线型光束火灾探测器，此探测系统受限更小，传统线型光束火灾探测器需要放置合作目标(如角反射镜)，而此探测系统不需要，基于普通墙面就可以实现火灾探测。

本文设计的系统只考虑了火灾初期的CO探测，没有考虑火灾时烟颗粒的影响。另外，探测激光光束在空间中的传播情形也只考虑了一般的横向布置，没有考虑其他布置或空间高度对探测的影响。未来可以进一步研究将火灾初期CO探测与烟颗粒探测结合起来进行复合探测，以及探测光束在室内空间布置对火灾探测响应时间的影响。此外，探测阈值与相应算法也需要进一步研究，以使此探测技术与系统的准确率达到工程应用要求。