CN102635399A - 一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法及系统。本发明利用光纤传感技术，将布设在矿井下的光缆作为感应体，感应矿井下人员的敲击、声音信号等，并将携带上述信号的光波传输到矿井上，通过解调设备还原信号，获取传送的井下信息。本发明利用布设于矿井下光缆，构建无源的矿井下信息传送通道，实现矿井下，尤其是矿难发生后井下生存人员及时向矿井上发送信息。该方法在井下的设施全部为无源，无需供电，可靠性高，抗干扰性好，易于实现。使用本发明的方法，还可为井外人员主动获取井下生命迹象提供手段。

Description

一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法及系统。

背景技术

矿难发生后井下人员的信息传递及定位技术，国内外目前仍然是一个空白领域，由于煤矿安全生产所面临的严峻形势，如何建立一个适合矿难发生后，为生存人员提供一个有效的信息传递渠道，及时获得救援，具有重要的意义。

通常，为了掌握井下作业人员的分布情况，国内所使用的井下人员定位跟踪技术，即利用考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统，这些技术主要有：

1、 射频卡（RFID）考勤系统：目前井下人员的跟踪，基本上采用的是这种方法。这种方法是在在矿井进口处，或其它井下一些关键通道口，使用射频卡对下井人员进行登记记录来跟踪，但RFID技术无法实时地报告井下人员的具体位置，射频卡读写系统读些距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤纪录，或进出不同区域的人员登记纪录，它不可能实现对井下人员的定位跟踪射频卡读写系统使用的频率都较低，抗干扰能力差，成本也比较昂贵。

2、SuperRFID 等定位系统：除了收发通信距离稍远一些外，它面临着一般RFID所面临的同样问题，包括井下通信干扰问题，对通信电缆的依赖问题，有效通信距离有限的问题，读写器结构复杂，价格贵的问题等。

3、基于Zigbee技术的矿井人员定位跟踪管理系统：可实现位置监测、人员管理、实时显示井下人员分布图（可对某一指定人员进行定位跟踪，定位精度3米以内、禁区进入报警功能。对于指定的禁区，如果有非授权人员进入，系统会实时报警并相应显示进入禁区的人数及身份）、广播警报、自救功能、3D显示。

目前一些厂家开始使用3D显示技术，生动地显示井下的情况，包括井下管道的结构以及传感器分布等数据。并可根据下位机发送回的数据统计，确定工作人员的位置信息，并将其显示在3D画面上，在3D画面的控制方面，提供3D画面的视野控制中心移动、缩放、旋转、井深、图层控制等操作。射频IP技术的定位系统。这是目前国际国内已经采用的、相对成熟的矿井、隧道和坑道人员管理（定位)系统，不仅用于事故后人员定位，也用于日常人员管理。其基本原理是，在井、道中一定间隔距离（150～200米）设置感应电路作为自动询问接收站，人员均佩戴唯一标识的射频IP电子识别卡。但该设备存整个系统基于无线数据传输技术，易受电磁干扰；同时存在过多的用电环节，存在安全隐患。

以上方式，都可通过事故前的信息统计获得进下人员信息，但是，一旦井下发生事故，由于这些设备必须有电力供应，依靠无线传输等，极易处于瘫痪的状态，无力于事故发生后的紧急救援。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便、可靠的矿井紧急救援通信方法和系统。 

本发明提供的矿井紧急救援通信方法，无需电力供应，即利用无源的光缆进行信息传递。本发明可以利用干涉结构来实现。具体来说，在矿井下布设光缆（光纤）和反射装置，在矿井上设置光纤干涉组件，构成光纤干涉系统；光纤干涉组件再依次与一光电转换及放大装置和一数据处理分析终端连接。布设在矿井下的光缆（光纤）（也可利用既有的矿井下光缆）作为获取信息的感应体以及传送信息的通道；矿井下人员通过敲击（直接敲击或通过媒介的传递作用间接敲击）光缆（或是串接在光缆上的光纤无源感应器），或是对串接在光缆上的光纤无源感应器发声、说话等振动动作，将信息施加于光缆（纤），改变在光缆中传输的光的相位，即实现信息的调制；被调制的光经光缆进行传输；通过光纤干涉组件，将调制信息转变成光强信号，再经过后续的光纤转换及放大、数据处理分析终端，还原出井下人员发出的信息；确定发出信息的人员的相关信息，如位置等。

图1是一种使用光纤干涉结构实现信息传递的方法的图示。布设在井下的光缆6，是信息获取感应体，井下光缆6与光纤干涉组件2、反馈装置5共同构成完整的干涉光路结构；其中，光纤干涉组件2是由光纤器件构成的单元，光源1从光纤干涉组件2输入，光纤干涉组件2将光源1注入的光进行处理后注入到矿井下的光缆6中，从矿井下光缆6中返回重新进入干涉组件2中的光在其中发生干涉，干涉信号最终经干涉组件2输出；输出的干涉信号从矿井下光缆6出射进入反馈装置5，经处理后重新进入矿井下光缆6中；反馈装置5可以是单个光纤器件，也可以是由多个光纤器件构成的组件。7为矿井下光缆上的任一位置点，当对位置7进行敲击时，由于光弹效应，光纤会产生微变，经位置7点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制。干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经干涉组件2输出。光电转换及放大装置3将光信号变成电信号，数据处理分析终端4对电信号进行处理、分析，获得矿井下人员传送的信息。

在图1所示的方法中，也可以在光缆6中串接入由光纤（缆）构成的，以增强感应能力的的无源感应器，可以对无源感应器进行敲击，或对感应器发声、说话，以声压的形式作用于光纤。无源感应器感应的声音信号通过解调，可以将声音信号再现出来，这样，通过这种方式可进行语音传递，实现信息传送。

使用本发明，矿井下人员可以根据预先约定的编码方式敲击光缆传递信息，也可以根据光缆被敲击后产生的信号提取出井下人员的位置信息。在有无源感应器的位置处，可以通过无源感应器直接用语言传递信息。

用于构建本发明干涉光路的矿井下光缆可以是布设的专用光缆，也可以是矿井下已布设的光缆，利用其冗余的光纤，也可以通过波分复用技术复用其通信用光纤。

图2是图1所示干涉结构的一种具体实现方式。光纤干涉组件2由N×M（N、M为整数）耦合器8、P×Q（P、Q为整数）耦合器9、光纤延迟器10（延迟为τ）构成。8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为耦合器8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是耦合器8的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。9a1、9a2、9b1为耦合器9的端口，9a1、9a2是耦合器9的一组同向端口（共P个）中的两个端口，9b1是耦合器9的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。作为感应光纤（拾取矿井下人员发出的信息）的矿井下光缆6接在耦合器9的端口9a1。在该结构中，存在两路光：

两路Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器10→端口9a1→端口9b1→矿井下光缆6（点7）→反馈装置5→矿井下光缆6（点7）→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

两路Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→矿井下光缆6（点7）→反馈装置5→矿井下光缆6（点7）→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器10→端口8b1。

箭头所指方向表示光经过的路径。 

这两路光在耦合器8处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

这样，矿井下光缆6以相位调制的方式获得的信息，通过干涉结构，以光强变化的方式被提取出来。对干涉信号采用相位还原等使用的算法，即可将矿井下光缆6拾取的信息解调出来，从而获得矿井下人员发送的信息。

在这种结构中，无需通过预先的编码约定，井上人员仅从信号频谱特征也可确定发送信息人员的位置。

设矿井下人员发出的信号对矿井下光缆6上的点7产生的相位调制为                                                ，则因反馈装置5的作用先后两次经过点7，相位受到的调制为：

其中，

，L为点7距反馈装置5的距离，c为真空中的光速，

为光纤的等效折射率。

则两相互干涉的光之间的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”， “陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：

 

其中，为k阶陷波点的频率。因此，根据陷波点的位置即可确定点7的位置，也即，可确定矿井下人员的位置。

本发明利用矿井下光缆作为矿井下人员，发送信息的手段，其突出特点是：

（1）可以实现以井下设施完全无源的工作方式传送信息。可以无需事先约定，通过信号特征解算出发出信号的人员位置；也可以通过预先约定的编码(敲击等)方式传递信息（如位置、状态等）；也可实现无源的语音传送。

（2）易于实现，可靠性高。该技术井下部分可以完全无需供电，不存在电力供应带来的困难，易于实现；同时，也使得在发生矿井发生紧急事件，如矿难时，不会因为电力的中断而使系统瘫痪。

（3）通信抗干扰。通过声-光转换，不存在电磁转换环节，无需考虑电磁兼容问题，不受环境的电磁辐射影响，抗电子干扰能力强。

（4）不受人员在矿井下深度的限制。

（5）具有实时，快速性。

（6）经济性强。既可铺设专用的光缆，也可利用既有的矿井下通讯光缆系统实现功能。

使用本发明不仅可以为矿难发生时，井下生存人员主动发送信号提供一种手段，同时，本发明也可为井外人员主动获取井下生命迹象提供手段——井下人员发出的一些声响，可被光缆（光纤）感应，传送到井上，被探测到。

附图说明

图1本发明的实现方法的系统图示。

图2是本发明的一种干涉结构实现方式。

图3是从干涉信号解调出的相位信号的频谱，“○”为频率“陷波点”。

图4是本发明的实施例。

图中标号：1为光源， 2为光纤干涉组件，3为光电转换及放大装置，4为数据处理分析终端，5为反馈装置，6为矿井下光缆，7为矿井下光缆上的任一点，8为N×M耦合器，9为P×Q耦合器，10为光纤延迟器；8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器8的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器9的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器9的一组同向端口（共P个）中的两个端口，9b1是P×Q耦合器9的另一组同向端口（共Q个）中的一个端口。11、12、13为光纤无源感应器。

具体实施方式

本实施例利用图2所示的干涉结构实现，具体布设如图4所示。耦合器8采用的是3×3均分耦合器，耦合器9采用的是均分的2×2耦合器，均为武汉邮电研究院生产；光纤延迟线圈10用单模光纤绕制而成；反馈装置5选用末端镀反射膜制成的光纤反射镜；光源采用的是中心波长为1300nm的SLD光源，为电子集团总公司44研究所生产。沿着矿井的通道，布设光缆6，选取其一芯，其一端与耦合器9的端口9b1相连，另一端接光纤反射镜5；在光缆6沿途的人员密集地点处分别串联接入用一定长度光纤构成的光纤无源感应器11、12、13，用于语音的采集，实现语音的传送。光纤干涉组件2置于隔音设备中以屏蔽外界干扰。光源从光纤耦合器8的端口8a1输入，干涉信号从端口8a2、8a3输出。输出的光信号用44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器将其转为电信号经过放大等信号调理后，通过National Instruments公司数据采集卡PCI-6122将电信号采集进计算机进行信号处理，还原出矿井下光缆接收到的信号。

本实施例中，光纤干涉组件2、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于矿井外的监控室中，光缆6，光纤无源感应器11、12、13，反射镜5皆位于井下，且所有位于井下的设施皆为无源，无需供电。

本实施例中，敲击位于井下光缆6上的点，系统可分析出敲击点的位置，即判断出敲击人员的位置。对着无源感应器说话，在监控室内可听见话语。

Claims (6)

1. 一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法，其特征在于：在矿井下布设光缆和反射装置，在矿井上设置光纤干涉组件，构成光纤干涉结构；光纤干涉组件再依次与一光电转换及放大装置和一数据处理分析终端连接；布设在矿井下的光缆作为获取信息的感应体以及传送信息的通道；矿井下人员通过敲击光缆或串接在光缆上的光纤无源感应器，或是对串接在光缆上的光纤无源感应器发声、说话这些振动动作，将信息施加于光缆；

其中，光纤干涉组件是由光纤器件构成的单元，光源从光纤干涉组件输入，光纤干涉组件将光源注入的光进行处理后注入到矿井下的光缆中，从矿井下光缆中返回重新进入光纤干涉组件中的光在其中发生干涉，干涉信号经光纤干涉组件输出；输出的干涉信号从矿井下光缆出射进入反馈装置，经处理后重新进入矿井下光缆中；当对矿井下光缆上的任一位置点进行敲击或发声时，由于光弹效应，光纤会产生微变，经敲击或发声位置点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制；光纤干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件输出；光电转换及放大装置将光信号变成电信号，数据处理分析终端对电信号进行处理、分析，获得矿井下人员传送的信息。

2. 根据权利要求1所述的基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法，其特征在于：所述光纤干涉组件由N×M耦合器、P×Q耦合器和光纤延迟器构成，N、M为整数，P、Q为整数，光纤延迟器的延迟为τ；8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器的另一组同向端口共M个中的两个端口；9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器的一组同向端口共P个中的两个端口，9b1是P×Q耦合器的另一组同向端口共Q个中的一个端口；作为感应光纤的矿井下光缆接在P×Q耦合器的端口9a1；在该结构中，存在两路光：  

Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器→端口9a1→端口9b1→矿井下光缆→反馈装置→矿井下光缆→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→矿井下光缆→反馈装置→矿井下光缆→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器→端口8b1；

箭头所指方向表示光经过的路径； 

这两路光在N×M耦合器处会合，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

3. 根据权利要求2所述的基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法，其特征在于：所N×M耦合器采用3×3均分耦合器，所述P×Q耦合器采用均分的2×2耦合器。

4.一种基于光纤传感的矿井紧急救援通信系统，其特征在于：包括在矿井下布设的光缆和反射装置，在矿井上设置的光纤干涉组件，光缆和反射装置以及光纤干涉组件构成光纤干涉结构；光纤干涉组件依次与一光电转换及放大装置和一数据处理分析终端连接； 布设在矿井下的光缆作为获取信息的感应体以及传送信息的通道；矿井下人员通过敲击光缆或串接在光缆上的光纤无源感应器，或是对串接在光缆上的光纤无源感应器发声、说话等振动动作，将信息施加于光缆；

其中，光纤干涉组件是由光纤器件构成的单元，光源从光纤干涉组件输入，光纤干涉组件将光源注入的光进行处理后注入到矿井下的光缆中，从矿井下光缆中返回重新进入光纤干涉组件中的光在其中发生干涉，干涉信号经光纤干涉组件输出；输出的干涉信号从矿井下光缆出射进入反馈装置，经处理后重新进入矿井下光缆中；当对矿井下光缆上的任一位置点进行敲击或发声时，由于光弹效应，光纤会产生微变，经敲击或发声位置点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制；光纤干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件输出；光电转换及放大装置将光信号变成电信号，数据处理分析终端对电信号进行处理、分析，获得矿井下人员传送的信息。

5. 根据权利要求4所述的基于光纤传感的矿井紧急救援通信系统，其特征在于：所述光纤干涉组件由N×M耦合器、P×Q耦合器和光纤延迟器构成，N、M为整数，P、Q为整数，光纤延迟器的延迟为τ；8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器的另一组同向端口共M个中的两个端口；9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器的一组同向端口共P个中的两个端口，9b1是P×Q耦合器的另一组同向端口共Q个中的一个端口；作为感应光纤的矿井下光缆接在P×Q耦合器的端口9a1；在该结构中，存在两路光：  

Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器→端口9a1→端口9b1→矿井下光缆→反馈装置→矿井下光缆→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→矿井下光缆→反馈装置→矿井下光缆→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器→端口8b1；

箭头所指方向表示光经过的路径； 

这两路光在N×M耦合器处会合，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

6. 根据权利要求5所述的基于光纤传感的矿井紧急救援通信方法，其特征在于：所N×M耦合器采用3×3均分耦合器，所述P×Q耦合器采用均分的2×2耦合器。

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