CN109937438B - 基于高灵敏度光纤的检测 - Google Patents

基于高灵敏度光纤的检测 Download PDF

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Abstract

一种用于测量预定区域内的一个或多个状况的检测***的控制***包括：控制单元，所述控制单元具有用于实施算法的至少一个处理器；以及光纤线束，所述光纤线束具有用于传输光的至少一根光纤电缆，所述至少一根光纤电缆限定被布置成测量所述一个或多个状况的至少一个节点。传感器可操作地耦合到所述至少一个节点，其中所述传感器接收与所述至少一个节点相关联的散射光并生成与所述散射光相对应的信号。开关可操作地耦合到所述传感器和所述控制单元。所述开关选择性地将来自所述传感器的信号提供给所述控制单元以进行处理以确定所述预定区域内的所述状况的存在和幅度中的至少一个。

Description

基于高灵敏度光纤的检测
背景技术
本公开的实施方案总体涉及用于检测预定空间内的状况的***，且更具体地涉及光纤检测***。
传统的烟雾检测***通过检测烟雾或其他空气污染物的存在来进行操作。在检测到阈值水平的颗粒时，可以激活警报或其他信号诸如通知信号，并且可以发起灭火***的操作。
高灵敏度烟雾检测***可以包括管网，该管网由一个或多个管道组成，其中在可以从被监测的区域或环境收集烟雾或火灾前排放物的位置处安装有孔或入口。空气通过入口(诸如经由风扇)被吸入管网，并随后被引导至检测器。在一些传统的烟雾检测***中，各传感器单元可以位于每个感测位置处，并且每个传感器单元都具有其自己的处理部件和感测部件。
在传统的点型烟雾探测器以及管网检测***中，可能由于例如烟雾传输时间而发生检测火灾存在的延迟。在管网检测***中，由于管网的大小，在烟雾通过入口进入管网和烟雾实际到达远程探测器之间通常存在时间延迟。此外，由于烟雾或其他污染物最初通过一些入口进入管网，因此烟雾与从其余入口提供给管道的清洁空气混合。由于这种稀释，烟雾和空气混合物中可检测到的烟雾可能不会超过指示火灾存在所需的阈值。
发明内容
根据一个实施方案，一种用于测量预定区域内的一个或多个状况的检测***的控制***包括：控制单元，其具有用于实施算法的至少一个处理器；以及光纤线束，其具有用于传输光的至少一根光纤电缆，所述至少一根光纤电缆限定被布置成测量所述一个或多个状况的至少一个节点。传感器可操作地耦合到所述至少一个节点，其中所述传感器接收与所述至少一个节点相关联的散射光并生成与所述散射光相对应的信号。开关可操作地耦合到所述传感器和所述控制单元。所述开关选择性地将来自所述传感器的信号提供给所述控制单元以进行处理以确定所述预定区域内的所述状况的存在和幅度中的至少一个。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，控制单元还包括现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列可作为所述开关操作。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，控制单元还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元可作为所述开关操作。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述传感器是光敏装置。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，光敏装置是雪崩光电二极管传感器。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述传感器包括多个光敏装置。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述至少一个节点包括多个节点，并且所述多个光敏装置中的每一个与所述多个节点中的一个或多个相关联。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述至少一个光纤线束包括多个光纤线束，并且每个光敏装置可操作地耦合到所述多个光纤线束中的一个。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述开关将与所述多个光敏装置中的每一个相关联的信号提供给所述控制单元以顺序地进行处理。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述开关将与所述多个光敏装置中的每一个相关联的信号提供给所述控制单元以同时地进行处理。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，光源耦合到所述至少一个节点以向其发射光。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述传感器将所述散射光转换成可由所述控制单元接收的电信号。
根据另一实施方案，一种测量预定区域内的一个或多个状况的方法包括：在光敏装置处接收与光纤检测***的节点相关联的散射光，所述节点被布置成测量所述一个或多个状况；选择性地将来自所述光敏装置的信号传送到控制单元；以及处理来自所述光敏装置的所述信号以确定所述预定区域内的一个或多个状况的存在和幅度中的至少一个。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述方法还包括：在另一光敏装置处接收来自所述光纤检测***的另一节点的散射光，所述另一节点被布置成测量所述预定区域内的所述一个或多个状况，所述另一节点与所述节点分开定位；选择性地将来自所述另一光敏装置的信号传送到所述控制单元；以及处理来自所述另一光敏装置的所述信号以确定所述预定区域内的所述状况的所述存在。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述光敏装置和所述另一光敏装置是传感器阵列的一部分。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，在来自所述光敏装置的所述信号的所述处理期间，将来自所述另一光敏装置的信号传送到所述控制单元。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，将来自所述光敏装置的所述信号和来自所述另一光敏装置的所述信号同时传送到所述控制单元。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述方法包括：如果存在所述状况，则生成通知信号。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述方法包括：如果存在所述状况，则向所述控制单元提供来自所述光敏装置的附加信号。
根据另一实施方案，一种测量预定区域内的状况的方法包括：接收与光纤检测***的多个节点相关联的散射光，所述多个节点被布置成测量所述一个或多个状况；将和与所述多个节点相关联的所述散射光相对应的多个信号传送到控制单元；确定和与所述多个节点相关联的所述散射光相对应的所述多个信号是否指示所述预定区域内的所述状况的所述存在；以及定位所述多个信号中的至少一个信号以识别与所述至少一个信号相关联的所述多个节点中的一个。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述检测***包括多个光敏装置，每个光敏装置都被配置为接收与所述多个节点中的仅一个节点相关联的所述散射光。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，定位包括识别与所述至少一个信号相关联的所述至少一个光敏装置。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，所述检测***包括光敏装置，所述光敏装置被配置为接收与所述多个节点相关联的所述散射光。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，定位所述至少一个信号使用与所述多个节点中的每一个相关联的飞行时间和长度来识别与所述至少一个信号相关联的所述节点。
除了以上所述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，在另外的实施方案中，与所述多个节点中的每一个相关联的所述长度包括与所述多个节点中的每一个相关联的一个或多个芯的长度。
附图说明
在随附于本说明书的权利要求书中特别指出并明确要求保护被认为是本公开的主题。本公开的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下具体实施方式中显而易见，在附图中：
图1是根据一个实施方案的检测***的示意图；
图1A是根据一个实施方案的检测***的节点处的光传输的示意图；
图2A是根据另一个实施方案的检测***的示意图；
图2B是根据另一个实施方案的检测***的示意图；
图3是根据一个实施方案的图1的光纤线束的光纤节点的横截面图；
图4A是根据一个实施方案的检测***的光纤线束的侧视图；
图4B是根据一个实施方案的检测***的光纤线束的示意图；
图5是根据一个实施方案的包括多个光纤线束的检测***的示意图；
图6是根据一个实施方案的由检测***监测的建筑物内的区域的透视图；
图7是根据一个实施方案的检测***的控制***的示意图；
图8是根据一个实施方案的包括雪崩光电二极管传感器的检测***的另一个示意图；
图9是根据一个实施方案的操作检测***的方法；
图10是根据一个实施方案的用于评估由光敏装置所生成的信号的过程流的示意图；
图11A和图11B是根据一个实施方案的示出由检测***针对各种预定状况或事件而随时间所记录的信号的图；
图12是检测***的另一个示意图；
图13是检测***的又一个示意图；
图14是使用了透镜的检测***的示意图；
图15是使用了反射镜的检测***的另一个示意图；
图16A是具有接头(splice)连接件的检测***的示意图；
图16B是用于检测***的接头连接件的另一个示意图；
图17是包括光学放大器的检测***的示意图；
图18是进一步配置用于通信的检测***的示意图；以及
图19是组合起来的检测***和抑制***的示意图。
具体实施方式通过参考附图以举例的方式解释了本公开的实施方案以及优点和特征。
具体实施方式
现在参考附图，示出了用于检测指定区域内的一个或多个状况或事件的***20。检测***20可能能够检测一个或多个危险状况，所述一个或多个危险状况包括但不限于烟雾、火灾、温度、火焰或者多种污染物、燃烧产物或化学物质中的任何一种的存在。替代地或除此之外，检测***20可被配置成执行对人、照明状况或对象的监测操作。在一个实施方案中，***20可以以类似于运动传感器的方式进行操作，所述运动传感器诸如用以检测例如人、乘员的存在或到指定区域的未授权进入。本文所述的状况和事件仅旨在作为示例，并且其他合适的状况或事件也在本公开的范围内。
检测***20使用光来评估一定体积是否存在状况。在本说明书中，术语“光”是指在电磁谱中以任一频率或频率组合的相干或非相干辐射。在一个示例中，光电***使用光散射来确定周围大气中的颗粒的存在，以指示存在预定状况或事件。在本说明书中，术语“散射光”可包括入射光的振幅/强度或方向的任何变化，包括在任何/所有方向上的反射、折射、衍射、吸收和散射。在这个示例中，将光发射到指定区域中；当光遇到对象(例如，人、烟雾颗粒或气体分子)时，可能由于对象的折射率与周围介质(空气)相比存在差异，光被散射和/或吸收。取决于对象，光可以在所有不同的方向上散射。通过检测由例如对象所散射的光而观察入射光的任何变化可以提供关于指定区域的信息，包括确定预定状况或事件的存在。
如图1所示，检测***20，在其最基本的形式中，包括单根光纤电缆28，所述单根光纤电缆具有至少一个光纤芯。术语光纤电缆 28包括任何形式的光纤。作为示例，光纤是由单模光纤、多模光纤、保偏光纤、光子晶体光纤或中空芯的一个或多个光纤芯组成的一段电缆。节点34定位于光纤电缆32的终端点处，并且在光纤电缆28的定义中，固有地包括所述节点。节点34被定位成与周围大气连通。诸如像激光二极管的光源36和诸如像光二极管的光敏装置38耦合到光纤电缆28。检测***20的控制***50(下面进一步详细讨论)用于管理检测***的操作，并且可以包括对部件、数据采集、数据处理和数据分析的控制。
如图1A所示，来自光源的光通过节点34传输到周围区域，这以21示意性地示出。光21与指示状况的一个或多个颗粒(以22示意性地示出)相互作用，并被反射或传输回到节点34，这以23示意性地示出。对提供到节点34的光的比较和/或从节点34反射回到光敏装置38的光的变化将指示在与节点34相邻的周围大气中是否存在引起光散射的大气变化。本文所述的散射光旨在另外还包括反射的、传输的和吸收的光。尽管将检测***20描述为使用光散射来确定状况或事件，但其中除了光散射之外或作为对光散射的替代，使用光遮挡、光吸收和荧光的实施方案也在本公开的范围内。
在另一个实施方案中，检测***20可以包括多个节点34。例如，如图2A所示，多根光纤电缆28和相应节点34各自与独特的光敏装置38相关联。在其中单独的光敏装置38与每个节点34相关联的实施方案中(如图2A所示)，可以监测从每个节点34所输出的信号。在检测到预定事件或状况后，可以定位事件的位置，因为每个节点34 在***20内的位置都是已知的。替代地，如图2B所示，多根光纤电缆28可以耦合到单个光敏装置。
在其中单个光敏装置38被配置成从多个节点34接收散射光的实施方案中，控制***50能够定位散射光，即识别从多个节点34中的每一个所接收的散射光。在一个实施方案中，控制***50使用每个节点34的位置，具体地，与每个节点34相关联的光纤电缆28的长度以及相应飞行时间(即，光由光源36发射时与光被光敏装置38接收到时之间经过的时间)来使光信号的不同部分与相应节点34中的每一个相关联，所述相应节点连接到该光敏装置38。替代地或除此之外，飞行时间可以包括光从节点发射时与散射光返回在节点处被接收到时之间经过的时间。在这样的实施方案中，飞行时间提供关于对象相对于节点的距离的信息。
在一个实施方案中，示出了图3所示光纤电缆的横截面，两个基本上相同且平行的光传输光纤芯40、42包含在光纤电缆28中并且终止于节点34处。然而，应当理解，本文还考虑了其中光纤电缆28仅包含单个光纤芯或超过两个芯的实施方案。光源36可以耦合到第一光纤芯40并且光敏装置38可以例如在光纤电缆28的第一端附近耦合到第二光纤芯42。光源36可选择性地操作以发射光，所述光沿着光纤电缆28的第一光纤芯40向下行进到节点34。在节点34处，将所发射的光排出到邻近大气中。光被散射并传输回到节点34并且经由第二光纤芯42沿着光纤电缆28向下传输到光敏装置38。
现在参考图4A，在更复杂的实施方案中，检测***20包括光纤线束30，所述光纤线束具有捆束在一起的多根光纤电缆28。应当指出，光纤线束30也可以仅仅是单根光纤电缆28。在一个实施方案中，多个光纤芯40、42在某个位置处捆束在一起形成光纤线束主干31，其中光纤电缆28的端部与所述主干分离(不包括在捆束主干中)以限定光纤线束30的多个光纤分支32。如图所示，多个光纤芯40、42 分叉形成多个单独的光纤分支32，其中的每个光纤分支均终止于节点34处。在图4A和图4B的非限制性实施方案中，光纤线束30另外还包括与光纤分支32相关联的发射器接脚33和接收器接脚35。发射器接脚33可以包含来自多个光纤分支32中的每一个的第一光纤芯40，并且接收器接脚35可以包含来自光纤分支32中的每一个的全部第二光纤芯42。在发射器接脚33或接收器接脚35与节点34之间延伸的光纤芯40、42的长度可以变化，使得分支32和相应节点34沿着光纤线束主干31的长度布置在各个位置处。在一个实施方案中，可以在制造期间或在安装***20时设定节点34的位置。
替代地，光纤线束30可以包括光纤电缆(未示出)，所述光纤电缆具有与其整体形成并从其延伸的多个分支32。分支32可以仅包括单个光纤芯。光纤线束30内的节点34的配置(具体地，间距)可以是基本上等距的，或者可以沿线束30的长度发生变化。在一个实施方案中，每个节点34的定位可以与指定区域内的特定位置相关联。
现在参考图5，检测***20另外还可以包括多个光纤线束30。在所示非限制性实施方案中，独特的光敏装置38与多个光纤线束30 中的每一个相关联。然而，这里也考虑了其中单个光敏装置38耦合到多个光纤线束30的实施方案。此外，单个光源36可以可操作地耦合到***20的多个光纤线束30内的多个光传输光纤芯40。替代地，检测***20可以包括多个光源36，其中的每一个均耦合到多个光纤线束30中的一个或多个。
检测***20可以被配置成监测诸如建筑物的预定区域。检测***20尤其可以用于具有拥挤环境的预定区域，诸如服务器机房，例如如图6所示。每个光纤线束30可以与一个或多个装备排46对准，并且其中的每个节点34可以直接邻近于所述排46内的塔48中的一个进行定位。此外，可以布置节点以便监测特定的外壳、电子装置或机器。以这种方式定位节点34允许较早地检测状况和定位，这可以限制机房中的其他装备暴露于相同的状况。在另一个应用中，检测***20可以被集成到飞行器中，诸如用于监测飞行器的可能易受火灾或其他事件影响的货舱、航空电子设备机架、盥洗室或其他受限区域。
检测***20的控制***50用于管理检测***的操作，并且可以包括对部件、数据采集、数据处理和数据分析的控制。如图7所示，控制***50包括至少一个光敏装置38、至少一个光源36和控制单元52，所述诸如具有一个或多个处理器54和存储器56的计算机，所述计算机用于将算法58实施为可执行指令，该可执行指令由处理器54执行。所述指令可以在任何抽象层次上以任何方式进行存储或组织。处理器54可以是任何类型的处理器，包括中央处理单元 (“CPU”)、通用处理器、数字信号处理器、微控制器、专用集成电路 (“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等。此外，在一些实施方案中，存储器56可包括随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)或其他电子介质、光学介质、磁性介质或用于存储和支持存储器56中的处理的任何其他计算机可读介质。除了可操作地耦合到至少一个光源 36和至少一个光敏装置38之外，控制单元52还可以与一个或多个输入/输出装置60相关联。在一个实施方案中，输入/输出装置60可包括在检测到预定事件或状况时激活的警报或其他信号或者灭火***。本文中应当理解，如本文所使用的术语警报可以指示任何可能的检测结果。
处理器54可以经由连接器耦合到至少一个光源36和至少一个光敏装置38。光敏装置38被配置成将从节点34所接收的散射光转换成可由处理器54接收的相应信号。在一个实施方案中，由光感测装置38生成的信号为电信号。然后，向控制单元52提供从光感测装置38所输出的信号，以便使用算法进行处理，从而确定是否存在预定状况。
可以诸如通过比较器(未示出)对由光敏装置38所接收或从光敏装置所输出的信号进行放大和/或滤波，以在将信号传送到控制单元 52之前减少或消除信号内的不相关信息，所述控制单元远离节点34 定位。在这样的实施方案中，信号的放大和滤波可以在光感测装置 38内直接发生，或者替代地，可以经由设置在光感测装置38与控制单元52之间的一个或多个部件发生。例如，控制单元52可以例如通过调节放大器的增益、滤波器的带宽、采样率、定时和数据缓冲量而控制光敏装置38的数据采集。
现在参考图8，在***20的一个实施方案中，光敏装置38可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APD)传感器64。例如，APD传感器 64的阵列66可以与一个或多个光纤线束30相关联。在一个实施方案中，传感器阵列66内的APD传感器64的数量等于或大于与其可操作地耦合的光纤线束30的总数。然而，本文中也考虑了传感器阵列66内的APD传感器64的总数小于光纤线束30的总数的实施方案。
由开关68周期性地获得代表了来自APD阵列66中的每个APD 传感器64的输出的数据，或者替代地，同时收集所述数据。数据采集装置67从APD收集电子信号并使所收集的信号与元数据相关联。作为示例，元数据可以是时间、频率、位置或节点。在一个示例中，使来自APD的电子信号与激光调制同步，使得电信号的收集持续一段时间，在激光脉冲之后的几微秒时间内对激光进行脉冲调制时开始这段时间。将由处理器54收集并处理数据，以确定节点34中的任一个是否指示存在预定状况或事件。在一个实施方案中，仅收集由传感器阵列66所输出的数据的一部分，例如来自与第一光纤线束30相关联的第一APD传感器64的数据。因此，开关68被配置成从传感器阵列66的各种APD传感器64顺序地收集信息。当对从第一APD传感器64所收集的数据进行处理以确定是否已经发生某个事件或状况时，收集来自传感器阵列66的第二APD 66的数据并将所述数据提供给处理器54以便进行分析。当已根据从APD传感器64中的一个所收集的数据检测到预定状况或事件时，开关68可以被配置成将来自相同的APD传感器64的额外的信息提供给处理器54以跟踪该状况或事件。
图9中示出了检测***20的操作方法100。可操作地耦合到光源36的控制单元52被配置成如框102所示选择性地使光源36通电，并且如框104所示向与其耦合的光纤线束30发射光。基于检测*** 20的期望操作，控制单元52可以改变所发射的光的强度、持续时间、重复、频率或其他性质。当光沿着至少一个光纤分支32的第一光纤芯40行进时，在光纤线束30的一个或多个节点34处发射全部或一部分的所述光。在框106中，光在预定区域中散射并经由第二光纤芯42通过光纤分支32传输回来。散射光可以包括邻近于节点的大气中的散射光和从光纤分支32的内部反射的散射光中的一个或多个。在框108中，散射光被传输到至少一个光感测装置38。如框110所示，光感测装置38响应于由每个节点34所接收的散射光而生成信号，并向控制单元52提供该信号以便进一步处理。
例如，通过使用由处理器54所执行的算法58，对表示由相应节点34所接收的散射光的每个信号进行评估以确定节点34处的光是否指示预定状况，诸如烟雾。参考图10，示出了示出用于处理由每个节点34所生成的信号的流程的示例的示意图。如图所示，如在框70处所示的那样，将指示散射光69的信号基于它们各自的源节点34而解析成多个信号。在所示出的非限制性实施方案中，在针对单独信号中的每一个评估脉冲特征之前，从数据中减除背景信号，这以72示意性地示出。如在框74处所示的那样，可以通过积分、脉冲压缩和/或特征提取而确定信号的一个或多个特性或特征(脉冲特征)。此类特征的示例包括但不限于：峰值高度；由信号所定义的曲线下的面积；统计特性，诸如平均值、方差和/或高阶矩；时间、频率、空间和/或其组合中的相关性；以及通过深度学习、字典学习和/或自适应学习等而确定的经验特征。
在一个实施方案中，对飞行时间记录进行解析并提取特征。飞行时间记录可以覆盖一段时间。例如，飞行时间记录可以记录 0.001-1,000,000纳秒、0.1-100,000纳秒或0.1-10,000微秒内的光强度。例如，从信号所提取的特征可以包括但不限于高度、半极大处全宽度、信号拾取时间、信号下降时间、群速、积分、变化率、平均值和方差。
通过应用数据处理，在框76处示意性地示出，然后可以通过使用例如平滑化、傅里叶变换或互相关来对所述特征进行进一步处理。在一个实施方案中，然后在框78处将处理后的数据发送到检测算法，以确定信号是否指示相应节点34处的状况或事件的存在和/或幅度。该评估可以是简单的二进制比较，所述二进制比较并不识别特性与阈值之间的偏差的幅度。所述评估也可以是所述一个或多个特性的数值函数与阈值的比较。可以先验地确定阈值，或可以根据信号确定阈值。可以将根据信号确定阈值称为背景学习。可以通过自适应滤波、基于模型的参数估计、统计建模等来实现背景学习。在一些实施方案中，如果所识别的特征中的一个不超过阈值，则不应用检测算法的剩余部分，以便减少在检测算法期间完成的总处理量。在检测算法指示出在一个或多个节点34处存在状况的情况下，可以但无需激活警报或其他灭火***。应当理解，用于评估本文所示和所描述的数据的过程仅旨在作为示例，本文也考虑了包括附图所示的部分或全部步骤的其他过程。
评估也可以有利地采用分类器，所述分类器包括可以经由深度学习技术而根据信号进行学习的那些分类器，所述深度学习技术包括但不限于深度神经网络、卷积神经网络、递归神经网络、字典学习、视觉/深度词袋技术、支持向量机(SVM)、决策树、决策森林、模糊逻辑等。也可以使用马尔科夫模型技术、隐马尔可夫模型(HMM)、马尔可夫决策过程(MDP)、部分可观察MDP、马尔可夫决策逻辑、概率编程等来构建分类器。
除了单独地评估从每个节点34生成的信号之外，处理器54可另外被配置成共同地评估多个信号或其特性，诸如通过数据融合操作来产生融合信号或融合特性。数据融合操作可以提供与事件或预定状况的时间和空间演变有关的信息。因此，数据融合操作可以有助于检测低水平事件，所述低水平事件不足以在节点34中的任一节点处单独地发起警报。例如，在火燃烧缓慢的情况下，由节点34中的每一个附近的少量烟雾单独地生成的光信号可能不足以发起警报。然而，当综合审查来自多个节点34的信号时，从多个节点34返回到光敏装置 38的光的增加可以指示原本没有检测到的某个事件的发生或对象的存在。在一个实施方案中，通过贝叶斯估计执行融合。替代地，可以采用线性或非线性联合估计技术，诸如最大似然(ML)、最大先验 (MAP)、非线性最小二乘法(NNLS)、聚类技术、支持向量机、决策树和决策森林等。
如上所述和所描述的，处理器54被配置成对由至少一个光感测装置38相对于时间而生成的信号进行分析。在另一个实施方案中，检测算法可以被配置成向信号应用傅里叶变换、小波变换、时空变换、崔-威廉斯分布、维格纳分布等中的一个或多个，以将这些信号从时域转换成频域。当单独地分析节点34时，当在数据融合期间共同地分析节点34时，或者两者同时进行时，可以向信号应用该变换。
通过测量信号的因果关系和依赖性而推断光散射与状况的幅度或存在之间的关系。作为示例，因果关系的度量利用一个或多个信号特征作为输入，并且从假设检验方法、前景比、二阶导数、平均值或格兰杰因果关系检验的计算中确定一个或多个输出。类似地，可以使用一个或多个信号特征作为输入来评估信号的依赖性。从相关性、快速傅里叶变换系数、二阶导数或窗口的计算中选择一个或多个输出。然后，状况的幅度和存在基于因果关系和依赖性。可以利用一种或多种评估方法来计算状况的幅度和存在：阈值、速度、变化率或分类器。检测算法可以包括利用来自计算因果关系、依赖性或两者的输出。这用于指示一个或多个节点34处的状况的存在并且发起响应。
因为烟雾的频率在诸如约0.01Hz至约10Hz的小范围内变化，因此相对于频率而对信号的评估可以有效且准确地确定预定空间82 内的烟雾的存在。检测算法可以被配置成在固定时间窗口中评估信号，以便确定烟雾的运动的频率或强度的幅度。因此，如果频率分量的幅度超过预定阈值，那么检测算法可以发起指示存在火灾的警报。在一个实施方案中，预定阈值为约10Hz，使得当光学烟雾频率的幅度超过阈值时，存在烟雾。
在一个实施方案中，算法58被配置成基于由节点34附近的大气所散射并由节点34中的一个或多个所接收的光随时间的变化率来区分开不同的事件或状况。参考图 11A 和图 11B ，示出了从节点34相对于不同的事件而随时间所记录的信号的图。图 11A 指示当人走过正由节点34所监测的区域时，由节点34所接收的光信号的变化。如图所示，人的移动表现为具有不同幅度的步伐。图 11B (其表示来自阴燃火的烟雾的检测)以图形方式表现为更为连续变化的信号，所述信号在由节点34所接收的光信号随时间变化方面具有增加的加速。应当理解，所示的图仅仅是示例。此外，可由检测***20检测的每个预定事件可以具有与其相关联的一个或多个唯一参数。
为了减少与每个信号相关联的噪声，可以对发光装置36进行调制，使得装置36选择性地操作以便以特定图案生成调制光。在一个实施方案中，图案内的光可以在强度、宽度、频率、相位上发生变化，并且可以包括离散脉冲或者可以是连续的。光的特定图案可以被设计成具有期望性质，诸如与其自身的特定自相关或与第二特定图案的互相关。当以特定图案发射光时，散射回到相应光感测装置38的光应当以基本相同的图案到达。使用一个或多个特定且已知的图案可以通过允许***20降低整体噪声而提供增强的处理能力。当结合信号处理时，噪声的这种降低可以导致信噪比得到改善，并且检测到的假事件或状况的总数将会减少。替代地或除此之外，可以提高装置灵敏度，从而提高检测***20的极限。类似地，通过使一个或多个第二图案互相关，可以例如通过对所接收信号与一个或多个第二图案的相应互相关的贝叶斯估计而区分开所传输信号或所反射信号的特定原因。
此外，对由光源36所发射的光信号的调制可以通过确定关于某个事件或状况的更多信息而提供改进的检测，所述事件或状况导致由节点34所接收的光信号受到散射。例如，这种调制可以允许***20 更容易地区分开走过邻近于节点的指定区域的人(如图 11A 所示)与邻近于节点34的阴燃火。
现在参考图12，在一些实施方案中，***20包括一个或多个光学增强装置80，诸如带通滤波器、偏振器、抗反射涂层、波片和/或其他光学特征，以减少来自非事件信号或其他非期望信号诸如来自日光的环境光或空间中的照明的干扰，或者来自预定空间82中的固体对象的干扰。此外，光学增强装置80可用于减少从光源36所发射的非期望波长和/或强度。在一些实施方案中，将光学增强装置80在光源36的下游(在一些实施方案中为激光二极管)以及在光敏装置38的上游(在一些实施方案中为光二极管)放置在***20中。放置光学增强装置80，使得散射并反射回到光敏装置38的光穿过光学增强装置80，以便过滤或区分由于例如环境光、固体对象、臭虫、灰尘或水蒸汽而从其他信号所感测的事件或其他状况。
如图12所示，在一些实施方案中，光学增强装置80定位于光敏装置38处和/或是光敏装置38的一个部件、与光敏装置成一整体或嵌入光敏装置内。此外，光敏装置38可以被配置成使得光学增强装置80可容易地拆卸和/或可替换为另一光学增强装置80，以便过滤或散布(disseminate)散射信号/反射信号中的不同状况。
虽然在图12的实施方案中，光学增强装置80定位于光敏装置 38处或嵌入光敏装置38中，但在其他实施方案中，光学增强装置80 定位于其他位置处，诸如定位于如图13所示的节点34处。这实现了光学增强装置80的节点特定放置，使得不同的光学增强装置80可以放置在不同的节点34处。此外，在一些实施方案中，可以利用光学增强装置80的组合，诸如带通滤波器和偏振器的组合来过滤或散布散射光/反射光的某些状况。此外，在其中节点34包括两个或更多个芯40、42的***20中，光学增强装置80可以定位于单独的芯40、 42处或定位于两个或更多个芯40、42处。
现在参考图14，在一些实施方案中，***20包括聚焦或扩展光学元件，以便在检测烟雾/气体或其他状况或事件时增大检测***20 的范围、灵敏度或视场。可以将聚焦光学元件放置在节点处或控制***与光纤线束之间，以通过会聚光或准直光来增大范围和灵敏度。此外，可以将扩展光学元件放置在类似位置处，以通过使光发散来增大节点的视场。通过举例，光学元件可以包括反射镜、聚焦透镜、发散透镜和扩散器，以及集成在光学元件或其部件上的抗反射涂层。
如图14所示，光学元件可以是定位于节点34处的一个或多个透镜84。透镜84使得从光源36所发射的出射光束的发散度减小，同时还增加了由节点34所接收以便传输到光敏装置38的散射光的量。在一些实施方案中，透镜84在节点34处融合到芯40、42的端部，以减少透镜84面反射的光的散射，从而提高节点34的光收集效率。此外，在一些实施方案中，芯40、42可以具有锥形透镜光纤，所述锥形透镜光纤不需要融合并且用作透镜84。在其他实施方案中，透镜84可以被配置成减少透镜面反射的光的散射。此外，透镜84可以包括光束转向特征，例如固态材料，所述固态材料用于改变入射光的折射率以使光沿着芯40、42转向。光束转向特征还可以是光子集成电路，所述光子集成电路利用图案化硅来控制光的定向发射。
现在参考图15，在一些实施方案中，光学元件可以包括定位于节点34处的抛物面反射镜86。抛物面反射镜86相对于节点轴线88 成角度偏斜式定位。与透镜84一样，抛物面反射镜86使得从光源 36所发射的出射光束的发散度减小，同时还增加了由节点34所接收以便传输到光敏装置38的散射光的量。在一些实施方案中，抛物面反射镜86被配置成在***20的操作期间围绕旋转轴线旋转，以进一步增加节点34的覆盖区域。
在一些实施方案中，可以在节点34处利用透镜84和反射镜86 二者。此外，虽然在图14和图15所示的实施方案中，在每个节点 34处都利用光学器件，但在其他实施方案中，可以仅在所选择节点 34处利用光学器件来针对所选择节点34提供它们的益处，诸如由于例如限制将节点34放置在受保护空间中而增大所选择节点34处的检测范围。在其他实施方案中，可以将光学元件放置在光源36或光敏装置处以增强检测***50。
除了烟雾或灰尘之外，***20还可用于监测或检测污染物诸如挥发性有机化合物(VOC)、颗粒污染物诸如PM2.5或PM10.0颗粒、生物颗粒和/或化学物质或气体诸如H2、H2S、CO2、CO、NO2、NO3等。可以由光源36发射多个波长，以能够同时检测烟雾以及各个污染材料。例如，第一波长可用于检测烟雾，而第二波长可用于检测 VOC。另外的波长可用于检测另外的污染物，并且使用多个波长信息进行聚合可以提高灵敏度并辨别来自错误源或干扰源的气体种类。为了支持多个波长，可以使用一个或多个激光器来发射几个波长。替代地，控制***可以选择性地控制光的发射。利用***20进行污染物检测可以改善预定空间82中的空气质量并改进安全性。
在一些实施方案中，如图 16A 所示，光纤分支32可各自经由耦合器132操作地连接到光纤线束主干31，所述光纤线束主干可以仅包括单个光纤芯。在一些实施方案中，耦合器132是接头连接件、融合连接件或固态切换装置中的一个。使用耦合器132允许在安装光纤线束30后向光纤线束30添加节点34，或者一旦安装光纤束30，就移除或重定位节点34。因此，耦合器132增大了光纤线束30和*** 20的灵活性。
在另一个实施方案中，如图 16B 所示，第一光纤芯40可操作地耦合到第一节点34，而第二节点34可操作地耦合到第二光纤芯42。在这样的实施方案中，第一光纤芯40用于从光源36传输光，而第二光纤芯42接收散射光并将向光敏装置38输送散射光。在一些实施方案中，将第一光纤芯40耦合到第一节点34的第一耦合器132a与将第二光纤芯42耦合到第二节点34的第二耦合器132b相同，而在其他实施方案中，第一耦合器132a不同于第二耦合器132b。
此外，作为接头连接件、融合连接件、一个或多个固态切换装置的替代或补充，光学放大器96可以沿着光纤线束30放置，以放大通过光纤线束31行进的信号。光学放大器96可以例如如图17所示定位于节点34之间，或定位于光检测装置38与光纤线束30之间。此外，在一些实施方案中，耦合器132可以沿着光纤线束30定位在其他位置处，例如定位在光纤线束30与光源36之间，和/或定位在光纤线束30与光敏装置38之间。
现在参考图18，控制***50被配置成用于多个输入端和/或多个输出端，以便通过光纤电缆28和节点34传送信息。在一些实施方案中，多个输入端和输出端可以包括建筑物或封闭空间的互联网连接 140、建筑物网络或管理***142和/或消防***控制板(firepanel) 134。消防***控制板134被配置用于与例如消防部门进行通信，和/ 或被配置成在由***20检测到烟雾、火灾或其他物质的情况下通过建筑物或空间传输警报。在图18所示的实施方案中，光纤电缆28进一步用于通过建筑物传送警报、警告和其他信息，诸如***诊断信息。控制***50能够测量预定区域82中的状况并提供通信。例如，一旦控制***50基于从一个或多个节点34所接收的检测信号而确定存在某个状况，则控制***50将来自消防***控制板134的一个或多个警报信号沿着光纤电缆28发送到建筑物或空间中的一个或多个警报单元138，所述警报单元基于所接收的警报信号而发起警报或警告。控制***50能够通过将光的频率和幅度调制组合起来而在光纤线束 30中进行这个操作。在一些实施方案中，警告或警报是一个或多个可听见的声音，而在其他实施方案中，警告或警报是光或者光和声音的组合。此外，控制***50可以被配置成通过光纤电缆28和节点 34发送和/或接收通信，以便经由沿着电缆32所传输的调制光而与空间中的一个或多个建筑物基础设施或本地装置进行通信。在一些实施方案中，该通信经由Li-Fi协议进行。
现在参考图19，示出了外壳122例如服务器壳体，在所述服务器外壳中定位有一个或多个电子部件124。检测***20与抑制*** 126一起安装在外壳122中。抑制***126可以包括例如抑制剂供应装置128和一个或多个抑制剂出口130，所述一个或多个抑制剂出口定位于例如检测***20的节点34处。检测***20、抑制***126 和一个或多个电子部件124连接到检测***20的控制单元52。在检测***20的节点34处检测到火灾或烟雾的情况下，控制单元52触发抑制***126以便在节点34位置处激活抑制剂出口130，从而在外壳122中提供局部抑制。此外，控制单元52可以命令节点34区域中的电子部件124断电，以防止对具体电子部件124造成进一步损坏。如本文所述的经由检测***20和抑制***126而实现的局部检测和抑制保护电子部件124使其免于遭受火灾和烟雾，同时定位抑制以保护未经受火灾和烟雾的部件使其免于暴露于抑制剂，从而减少对那些部件的损坏，并且进一步降低事件后清理抑制剂的成本和费用。
虽然已经仅结合有限数目的实施方案详细描述了本公开，但是应当容易理解，本公开不限于此类所公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入目前为止未描述、但与本公开精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外地，虽然已经描述了本公开的各种实施方案，但是应当理解，本公开的各个方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为受到前述描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (25)

1.一种用于测量预定区域内的一个或多个状况的检测***的控制***，所述控制***包括：
控制单元，所述控制单元具有用于实施算法的至少一个处理器；
光纤线束，所述光纤线束具有用于传输光的至少一根光纤电缆，所述至少一根光纤电缆限定被布置成测量所述一个或多个状况的至少一个节点；
传感器，所述传感器可操作地耦合到所述至少一个节点，其中所述传感器接收与所述至少一个节点相关联的散射光并生成与所述散射光相对应的信号；以及
开关，所述开关可操作地耦合到所述传感器和所述控制单元，所述开关选择性地将来自所述传感器的所述信号提供给所述控制单元以进行处理以确定所述预定区域内的所述状况的存在和幅度中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的控制***，其中所述控制单元还包括现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列可作为所述开关操作。
3.根据权利要求1所述的控制***，其中所述控制单元还包括数字信号处理单元，所述数字信号处理单元可作为所述开关操作。
4.根据权利要求1所述的控制***，其中所述传感器是光敏装置。
5.根据权利要求4所述的控制***，其中所述光敏装置是雪崩光电二极管传感器。
6.根据权利要求1所述的控制***，其中所述传感器包括多个光敏装置。
7.根据权利要求6所述的控制***，其中所述至少一个节点包括多个节点并且所述多个光敏装置中的每一个与所述多个节点中的一个或多个相关联。
8.根据权利要求6所述的控制***，其中所述至少一个光纤线束包括多个光纤线束，并且每个光敏装置可操作地耦合到所述多个光纤线束中的一个。
9.根据权利要求6所述的控制***，其中所述开关将与所述多个光敏装置中的每一个相关联的信号提供给所述控制单元以顺序地进行处理。
10.根据权利要求6所述的控制***，其中所述开关将与所述多个光敏装置中的每一个相关联的信号提供给所述控制单元以同时地进行处理。
11.根据权利要求1所述的控制***，其中光源耦合到所述至少一个节点以向其发射光。
12.根据权利要求1所述的控制***，其中所述传感器将所述散射光转换成可由所述控制单元接收的电信号。
13.一种测量预定区域内的一个或多个状况的方法，所述方法包括：
在光敏装置处接收与光纤检测***的节点相关联的散射光，所述节点被布置成测量所述一个或多个状况；
选择性地将来自所述光敏装置的信号传送到控制单元；以及
处理来自所述光敏装置的所述信号以确定所述预定区域内的一个或多个状况的存在和幅度中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括：
在另一光敏装置处接收来自所述光纤检测***的另一节点的散射光，所述另一节点被布置成测量所述预定区域内的所述一个或多个状况，所述另一节点与所述节点分开定位；
选择性地将来自所述另一光敏装置的信号传送到所述控制单元；以及
处理来自所述另一光敏装置的所述信号以确定所述预定区域内的所述状况的存在。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述光敏装置和所述另一光敏装置是传感器阵列的一部分。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在来自所述光敏装置的所述信号的处理期间，将来自所述另一光敏装置的信号传送到所述控制单元。
17.根据权利要求14所述的方法，其中将来自所述光敏装置的所述信号和来自所述另一光敏装置的所述信号同时传送到所述控制单元。
18.根据权利要求13所述的方法，其还包括：如果存在所述状况，则生成通知信号。
19.根据权利要求13所述的方法，其还包括：如果存在所述状况，则向所述控制单元提供来自所述光敏装置的附加信号。
20.一种测量预定区域内的状况的方法，所述方法包括：
接收与光纤检测***的多个节点相关联的散射光，所述多个节点被布置成测量一个或多个状况；
选择性地将和与所述多个节点相关联的所述散射光相对应的多个信号传送到控制单元以进行处理以确定所述预定区域内的所述状况的存在和幅度中的至少一个；
确定和与所述多个节点相关联的所述散射光相对应的所述多个信号是否指示所述预定区域内的所述状况的存在；以及
定位所述多个信号中的至少一个信号以识别与所述至少一个信号相关联的所述多个节点中的一个。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述检测***包括多个光敏装置，每个光敏装置都被配置为接收与所述多个节点中的仅一个节点相关联的散射光。
22.根据权利要求21所述的方法，其中定位包括识别与所述至少一个信号相关联的至少一个光敏装置。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述检测***包括光敏装置，所述光敏装置被配置为接收与所述多个节点相关联的散射光。
24.根据权利要求23所述的方法，其中定位所述至少一个信号使用与所述多个节点中的每一个相关联的飞行时间和长度来识别与所述至少一个信号相关联的节点。
25.根据权利要求24所述的方法，其中与所述多个节点中的每一个相关联的所述长度包括与所述多个节点中的每一个相关联的一个或多个芯的长度。
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