CN108225538A - 一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，属于分布式光纤传感技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种能清晰还原声音信号且定位精确的分布式矿用无源应急救援信号检测装置；解决该技术问题采用的技术方案为：包括可调线宽激光发射模块、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、3×3耦合器、延迟光纤模块、2×1耦合器、双向光通道、光电探测模块、数据采集模块、算法处理模块、信息处理模块、上位机、声音探测光纤、位置探测光纤、声音接收探头和光纤末端处理模块，声音接收探头熔接在声音探测光纤上；本发明可广泛应用于煤矿及长距离的油气管道安全检测领域。

Description

一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置

技术领域

本发明一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，属于分布式光纤传感技术领域。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，受到我国错综复杂的地势限制，开采煤炭的过程中时常发生矿难，一旦发生安全事故，地面指挥人员要及时获取井下的灾变信息与人员位置，故而急需一种矿用应急救援信号检测装置。现有的矿用应急救援信号检测装置大多基于电力***，事故发生导致供电***瘫痪时，会造成通信不畅，失联等状况，给抢险救援工作带来极大的困难。无源救援信号检测装置主要基于光纤传感技术，适用于强腐蚀、高压、强电磁干扰等多种环境，但也存在一些问题。无源救援信号检测装置目前主要有干涉型和反射型两大类。干涉型信号检测***虽然灵敏度高，但是其定位精度差，对规律性周期信号定位困难。反射型信号检测***定位精度高，但对声音等极微弱振动信号反应不灵敏。

因此急需一种能清晰还原声音信号且定位精确的分布式矿用无源应急救援信号检测装置。

发明内容

本发明一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，克服了现有技术存在的不足，结合干涉型和反射型信号检测***的优势，通过合理互补，提高信号检测的适用性，能清晰还原声音信号，即使在复杂的环境下，依然能够对振动信号进行高灵敏、高精度的定位。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，包括可调线宽激光发射模块、偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器、滤波器、3×3耦合器、延迟光纤模块、2×1耦合器、双向光通道、光电探测模块、数据采集模块、算法处理模块、信息处理模块、上位机、声音探测光纤、位置探测光纤、声音接收探头和光纤末端处理模块，声音接收探头熔接在声音探测光纤上；

可调线宽激光发射模块的第一输出端输出窄线宽的激光探测信号，依次经过偏振控制器、声光调制器、掺铒光纤放大器和滤波器之后进入双向光通道的第一端口，可调线宽激光发射模块的第二输出端输出宽线宽的激光探测信号经过3×3耦合器后分为三束探测光，只使用其中的两束探测光，宽线宽的激光探测信号的第一束探测光经过延迟光纤模块后进入2×1耦合器的第一端口，宽线宽的激光探测信号的第二光分量进入2×1耦合器的第二端口，这两束探测光在2×1耦合器内合并后，由2×1耦合器第三端口进入双向光通道的第二端口，进入双向光通道第二端口和第一端口的两路光信号经过双向光通道后，分别进入声音探测光纤和位置探测光纤，声音探测光纤和位置探测光纤都与光纤末端处理模块相连；

光纤末端处理模块用于低损耗地反射回声音探测光并抑制位置探测光的菲涅尔反射，反射回的声音探测光沿声音探测光纤返回双向光通道，由双向光通道的第二端口进入2×1耦合器分为两束探测光，一束探测光通过延迟光纤模块后进入3×3耦合器，另一束探测光直接进入3×3耦合器，这两束探测光在3×3耦合器内发生干涉，分为三束探测光，一束探测光被可调线宽激光发射模块隔离，另外两束探测光分别与光电探测模块的第一输入端和第二输入端相连，位置探测光沿位置探测光纤返回双向光通道，经过双向光通道后进入光电探测模块的第三输入端；

光电探测模块将光信号转化为电信号，并通过光电探测模块的输出端输出到数据采集模块，将电信号转化数字信号，数据采集模块的输出端连接到算法处理模块，将信号解调并通过算法处理采集的数字信号，算法处理模块的输出端连接到信息处理模块，进行模式匹配和信息提取，信息处理模块的输出端连接到上位机，由上位机的扬声器发出井下工作人员的声音，上位机的显示屏显示振动信息及振动的准确位置。

进一步，所述声音探测光纤、所述位置探测光纤和所述光纤末端处理模块均设置在矿井巷道内。

进一步，所述声音接收探头为多个，在所述声音探测光纤上每隔30米处熔接一个所述声音接收探头。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明结合了干涉型和反射型振动检测***的优点，定位准确，可靠性高，实时性好，能实现长距离分布式振动检测和声音信号还原，可在无源条件下，实现矿井下应急救援信号的检测，避免通信不畅，失联等意外情况的发生。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-可调线宽激光发射模块，2-偏振控制器，3-声光调制器，4-掺铒光纤放大器，5-滤波器，6-3×3耦合器，7-延迟光纤模块，8-2×1耦合器，9-双向光通道，10-光电探测模块，11-数据采集模块，12-算法处理模块，13-信息处理模块，14-上位机，15-声音探测光纤，16-位置探测光纤，17-声音接收探头，18-光纤末端处理模块，19-井下工作人员，20-矿井巷道。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，包括可调线宽激光发射模块1、偏振控制器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、滤波器5、3×3耦合器6、延迟光纤模块7、2×1耦合器8、双向光通道9、光电探测模块10、数据采集模块11、算法处理模块12、信息处理模块13、上位机14、声音探测光纤15、位置探测光纤16、声音接收探头17和光纤末端处理模块18。下面结合图1说明本发明的具体工作过程：

在地面监控中心搭建本发明一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，将可调线宽激光发射模块1、偏振控制器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、滤波器5、3×3耦合器6、延迟光纤模块7、2×1耦合器8、双向光通道9、光电探测模块10、数据采集模块11、算法处理模块12、信息处理模块13和上位机14按照图1进行连接，将长距离的声音探测光纤15的一端接入双向光通道9的端口N，另一端通入矿井巷道20，将长距离的位置探测光纤16的一端接入双向光通道9的端口O，另一端通入矿井巷道20，在井下将声音探测光纤15和位置探测光纤16布满整个矿井巷道20，将声音接收探头17熔接在矿井巷道20中铺设的声音探测光纤15上，在较长的矿井巷道中，为了更清晰地接收声音信号，可以在声音探测光纤15上每隔30米处熔接一个声音接收探头17。

当矿难发生，井下供电***瘫痪，通信不畅时，地面监控室立即启动本发明所述的一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置。由可调线宽激光发射模块1同时输出宽线宽激光和窄线宽激光，可调线宽激光发射模块1发射的窄线宽激光探测信号从其第一输出端A输出注入到偏振控制器2，以此控制光信号的偏振态，偏振控制器2输出光信号到声光调制器3，将连续的光信号调制成脉冲信号，声光调制器3输出光信号到掺铒光纤放大器4，将光信号进行放大，掺铒光纤放大器4输出光信号到滤波器5，以滤除光信号中的部分噪声，滤波器5再将激光探测信号注入双向光通道9的第一端口L；另外，可调线宽激光发射模块1发射的宽线宽激光探测信号从其第二输出端B输出注入到3×3耦合器6的端口C，在3×3耦合器6中分为三束，其中一束光通过3×3耦合器6的端口G，并且保持空置，另外两束光一束通过3×3耦合器6的端口F连接到延迟光纤模块7，将光信号进行延迟后接入2×1耦合器8的第一端口I，一束通过3×3耦合器6的端口H直接输送到2×1耦合器8的第二端口J，通过3×3耦合器6端口F和H的这两束光经由2×1耦合器8的第三端口K将信号传递至双向光通道9的第二端口M。双向光通道9通过其端口N将信号输送至声音探测光纤15，双向光通道9通过其端口O将信号输入位置探测光纤16，经过光纤末端处理模块18低损耗地反射回声音探测光并抑制位置探测光的菲涅尔反射，当井下工作人员19在声音接收探头17附近发出声音时，声音探测光纤15返回声音信号，当井下工作人员19触碰位置探测光纤16时，位置探测光纤16即可返回触碰处的振动信息，***可通过这两种光纤将矿井巷道20内的声音和振动信号返回到双向光通道9；双向光通道9通过其第二端口M将声音探测光纤返回的光信号输出到2×1耦合器8的第三端口K，由2×1耦合器8分为两路光，一路经由延迟光纤模块7输出到3×3耦合器6的端口F，另一路直接输出到3×3耦合器6的端口H，两束光程相等的光信号在3×3耦合器6内发生干涉，并分为三束，其中一束光输出到3×3耦合器6的端口C，被可调线宽激光发射模块1隔离，另外两束光经3×3耦合器6的端口D和E将信号输出到光电探测模块10的第一输入端R和第二输入端S；双向光通道9通过其端口P将位置探测光纤16返回的光信号直接输出到光电探测模块10的第三输入端Q，光电探测模块10将光信号转化为电信号，通过光电探测模块10的输出端T输出到数据采集模块11，将电信号转化为数字信号，数据采集模块11输出数字信号到算法处理模块12，将信号解调并通过算法处理采集的数字信号，算法处理模块12将解调处理后的信号输出到信息处理模块13，进行模式匹配和信息提取，最后，信息处理模块13将处理后的信息输送到上位机14，由上位机14的扬声器发出井下工作人员的求救声音，同时上位机14的显示屏会显示振动信息及振动的准确位置。

本发明装置可在紧急情况下使地面救援人员及时获取井下被困人员的状态与具***置，在井下发生事故时，被困人员可发出求救声音，通过声音探测光纤15向地面救援人员反馈自己的身体状态并说明自己所处的位置，即使被困人员无法说清自己的位置，也可以通过拍打位置探测光纤16来传递自己的准确位置信息，有利于救援人员快速制定正确的施救方案，在第一时间对被困人员实施精准救援。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (3)

1.一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置，其特征在于：包括可调线宽激光发射模块（1）、偏振控制器（2）、声光调制器（3）、掺铒光纤放大器（4）、滤波器（5）、3×3耦合器（6）、延迟光纤模块（7）、2×1耦合器（8）、双向光通道（9）、光电探测模块（10）、数据采集模块（11）、算法处理模块（12）、信息处理模块（13）、上位机（14）、声音探测光纤（15）、位置探测光纤（16）、声音接收探头（17）和光纤末端处理模块（18），声音接收探头（17）熔接在声音探测光纤（15）上；

可调线宽激光发射模块（1）的第一输出端输出窄线宽的激光探测信号，依次经过偏振控制器（2）、声光调制器（3）、掺铒光纤放大器（4）和滤波器（5）之后进入双向光通道（9）的第一端口，可调线宽激光发射模块（1）的第二输出端输出宽线宽的激光探测信号经过3×3耦合器（6）后分为三束探测光，只使用其中的两束探测光，宽线宽的激光探测信号的第一束探测光经过延迟光纤模块（7）后进入2×1耦合器（8）的第一端口，宽线宽的激光探测信号的第二束探测光进入2×1耦合器（8）的第二端口，这两束探测光在2×1耦合器（8）内合并后，由2×1耦合器（8）第三端口进入双向光通道（9）的第二端口，从双向光通道（9）的第二端口和第一端口进入的两路光信号经过双向光通道（9）后，分别进入声音探测光纤（15）和位置探测光纤（16），声音探测光纤（15）和位置探测光纤（16）都与光纤末端处理模块（18）相连；

光纤末端处理模块（18）用于低损耗地反射回声音探测光并抑制位置探测光的菲涅尔反射，反射回的声音探测光沿声音探测光纤（15）返回双向光通道（9），由双向光通道（9）的第二端口进入2×1耦合器（8）分为两束探测光，一束探测光通过延迟光纤模块（7）后进入3×3耦合器（6），另一束探测光直接进入3×3耦合器（6），这两束探测光在3×3耦合器（6）内发生干涉，分为三束探测光，一束探测光被可调线宽激光发射模块（1）隔离，另外两束探测光分别与光电探测模块（10）的第一输入端和第二输入端相连，位置探测光沿位置探测光纤（16）返回双向光通道（9），经过双向光通道（9）后进入光电探测模块（10）的第三输入端；

光电探测模块（10）将光信号转化为电信号，并通过光电探测模块（10）的输出端输出到数据采集模块（11），将电信号转化数字信号，数据采集模块（11）的输出端连接到算法处理模块（12），将信号解调并通过算法处理采集的数字信号，算法处理模块（12）的输出端连接到信息处理模块（13），进行模式匹配和信息提取，信息处理模块（13）的输出端连接到上位机（14），由上位机（14）的扬声器发出井下工作人员的声音，上位机（14）的显示屏显示振动信息及振动的准确位置。

2.根据权利要求1所述的一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置,其特征在于:所述声音探测光纤（15）、所述位置探测光纤（16）和所述光纤末端处理模块（18）均设置在矿井巷道（20）内。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布式矿用无源应急救援信号检测装置,其特征在于:所述声音接收探头（17）为多个，在所述声音探测光纤（15）上每隔30米处熔接一个所述声音接收探头（17）。