CN102662175A

CN102662175A - 一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置及其工作方法

Info

Publication number: CN102662175A
Application number: CN2012101366143A
Authority: CN
Inventors: 孙延光; 龚尚庆; 董作人; 叶青; 蔡海文; 侯绍森; 张佳杰
Original assignee: SHANDONG HUACHEN TAIER INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANDONG HUACHEN TAIER INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102662175B

Abstract

本发明涉及一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其包括DFB激光器（101）、信号发生电路（102）、激光器驱动与温控电路（103）、倍频电路（104）、光机收发单元（105）、低噪声前置放大及滤波电路（106）、正交锁相解调电路（107）、微控制器（108）、按键模块（109）、液晶显示模块（110）、声光报警模块（111）、数据存储模块（112）、数据通信模块（113）和低功耗电源管理模块（114）。本发明所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置在测量出瓦斯浓度的同时，还能测量出瓦斯泄漏点距测量点之间的距离，方便快捷的找出矿井内瓦斯突出的源头。

Description

一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置及其工作方法，属于井下瓦斯浓度的检测技术领域。

背景技术

瓦斯爆炸事故每年都会给人民的生命造成重大的伤亡，当煤矿中瓦斯气体的浓度处于5%-15%的爆炸极限以内而不加以处理时，就会给煤矿工人们的安全带来严重的威胁，因此研制一种用于矿井瓦斯气体浓度的测量装置具有非常重要的意义。同时，如果在测量出瓦斯气体浓度的同时，也能测量出瓦斯气体浓度的分布，就可以更清楚的知道一定区域内瓦斯气体浓度的高低分布，对于危险的排查更有意义。

激光器调谐吸收光谱法（TDLAS）用于瓦斯气体浓度探测，具有灵敏度高，抗干扰能力强，快速准确高效等优点，因此在气体探测领域得到广泛的应用。而煤矿中瓦斯浓度分布并不均匀，有的死角浓度很高，有的地方可能很低，因此即便通过气体探测仪器检测到单点的瓦斯浓度，也并不能准确的反应出矿井内各个区域的瓦斯浓度。

在已有的瓦斯气体浓度传感器中，采用TDLAS原理的有很多，如日本Tokyo Gas Co.，Ltd公司的便携式瓦斯遥测仪（参见在先技术[1]：“A portable remote methane sensor usinga tunable diode laser”，Meas.Sci.Technol.11，594~602，2000）以及美国PhysicalSciences Inc（PSI）公司开发的RMLD产品（参见在先技术[2]：“Handheld,battery-powerednear-IR TDL sensor for stand-off detection of gas and vapor plumes”，Appl.Phys.B75，249~254,2002）。但上述传感器并不具备测距的功能，也就不能准确的反应出矿井内各个区域中瓦斯的浓度，对判断井下瓦斯浓度是否安全带来诸多不便。

发明内容

针对以上的技术不足，本发明提供一种能同时测量瓦斯浓度和瓦斯泄露点距离的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置。

本发明还提供一种上述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其包括DFB激光器101、信号发生电路102、激光器驱动与温控电路103、倍频电路104、光机收发单元105、低噪声前置放大及滤波电路106、正交锁相解调电路107、微控制器108、按键模块109、液晶显示模块110、声光报警模块111、数据存储模块112、数据通信模块113和低功耗电源管理模块114；

所述的DFB激光器101的中心波长为1653.7nm；所述DFB激光器101发出波长为1653.7nm的测量用窄线宽红外激光，该中心波长对应甲烷气体有个较强的红外吸收峰，可对甲烷气体进行准确的探测；所述DFB激光器101还能发出波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm；

所述的信号发生电路102产生频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号，所述的信号发生电路102的一个信号输出端通过所述激光器驱动与温控电路103与所述DFB激光器101电连接，用于对DFB激光器的电流进行调制，使得所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的测量距离达14m；所述信号发生电路102的另一个信号输出端分为两路，一路直接与所述正交锁相解调电路107相连，另一路通过倍频电路104与所述正交锁相解调电路107相连，所述的倍频电路104对所述信号发生电路102所发出的频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号进行2倍频，产生2f_m＝10.7MHz的正弦信号；

所述的激光器驱动与温控电路103的控制端与所述微控制器108相连，对DFB激光器101提供稳定电流驱动和温度控制；

所述的光机收发单元105，包括光纤准直器、菲涅耳透镜、光电探测器和三维机械调节装置，所述DFB激光器101发出的激光经所述的光纤准直器进行准直，使激光的发散角满足探测距离；所述激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述菲涅耳透镜将所述激光雷达装置接收到的散射光聚焦成探测光信号，到所述的光电探测器上，所述的光电探测器将接收的探测光信号转换为电流信号；所述的三维机械调节装置用于将光电探测器调节到菲涅耳透镜的焦点上，从而将探测光信号聚焦到光电探测器上；

所述的低噪声前置放大及滤波电路106将光电探测器输出的电流信号转换为低噪声的电压信号传递给所述的正交锁相解调电路107，做为正交锁相解调电路107的待解调输入信号x(t)，所述的信号发生电路102所输出的f_m＝5.35MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路107的参考信号r(t)1，所述的倍频电路104所输出的2f_m＝10.7MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路107的参考信号r(t)2；所述正交锁相解调电路107的输出端与所述的微控制器108相连；所述的低噪声前置放大及滤波电路106与所述的微控制器108相连；所述的低噪声前置放大及滤波电路还具有滤波和自动增益控制功能；

所述的正交锁相解调电路107，包括解调电路D1和解调电路D2：所述解调电路D1，包括串联连接的混频器201、低通滤波电路202和放大电路203；所述解调电路D2，包括串联连接的混频器205、低通滤波电路206和放大电路207；所述低噪声前置放大及滤波电路106输出的低噪声的电压信号分别与解调电路D1和解调电路D2中的混频器输入端电连接，所述信号发生电路102和倍频电路104的信号输出端与解调电路D1的混频器输入端电连接，所述信号发生电路102和倍频电路104的信号输出端通过可调相位延迟器与解调电路D2中的混频器输入端电连接；

所述按键模块109、液晶显示模块110、声光报警模块111、数据存储模块112、数据通信模块113分别与所述微控制器108相连。

所述的微控制器108为TI公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812。所述微控制器108用于产生扫描测量信号、接收按键模块109的输入、解调后信号的采集、浓度的计算、距离的计算、数据的处理、存储和显示、与上位机通信以及系统的整体控制等；所述的按键模块109是用于报警参数的设定以及激光器测量的控制；所述的液晶显示模块110是用于浓度、距离及其他数据的显示；所述的声光报警模块111是用于瓦斯浓度超限的声光报警；所述的数据存储模块112是用于大量的数据存储及数据的导出；所述的数据通信模块113是用于和上位机进行数据实时传输。

所述的低功耗电源管理模块114是根据系统功耗选取合适的DC-DC开关电源及线性电源转换芯片（例如LM1117MPX-3.3，LM1117MPX-ADJ，MAX6325，ICL7660等芯片）设计的，为所述激光雷达装置中所述各模块、各电路提供直流电平。提高电源转换效率，降低功耗。

根据本发明优选的，所述的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置安装在电动云台上。将所述的激光雷达装置安装在电动云台上的目的在于：通过设定电动云台的扫描频率，可以使所述激光雷达装置能够采集到的各个方向的数据，继而测量出一定区域内瓦斯浓度的分布，对于矿井内瓦斯浓度分布规律的掌握有一定的指导意义。

一种如上述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法，包括步骤如下：

（1）微控制器108控制激光器驱动与温控电路103使DFB激光器101发出波长偏离1653.7nm的激光，所述波长偏离1653.7nm的激光为波长1653.6nm激光，所述1653.6nm激光进入光机收发单元105，经光纤准直器发射；

（2）步骤（1）所述经光纤准直器发射的1653.6nm激光不会被瓦斯气体吸收，最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路106处理后，送入正交锁相解调电路107进行解调：所述正交锁相解调电路107有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器102提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路104提供；由于所述1653.6nm激光没有被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路107只需要解调出一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L；

（3）微控制器108利用一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L计算出瓦斯泄漏源处的背景地形散射体与本激光雷达装置的距离；

（4）然后微控制器108控制激光器驱动和温控电路103使DFB激光器101发射波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm，扫描的激光进入光机收发单元105，经准直器发射；

（5）步骤（4）所述经光纤准直器发射的1653.7nm激光会被瓦斯气体吸收，其它波长的激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路106处理后，送入正交锁相解调电路107进行解调：所述正交锁相解调电路107有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器102提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路104提供；由于1653.7nm激光被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路107解调出一次谐波的同相分量I₁、正交分量Q₁和二次谐波的同相分量I₂、正交分量Q₂；

（6）微控制器108利用步骤（5）中所述的I₁，Q₁，I₂，Q₂，计算出待测瓦斯气体的浓度。

整个过程的所耗费的时间就是一次距离和浓度的测量的时间，电动云台的运动速度需要小于这个测量时间。

本发明的优势在于：

1.本发明所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置在测量出瓦斯浓度的同时，还能测量出瓦斯泄漏点距测量点之间的距离，方便快捷的找出矿井内瓦斯突出的源头。

2.本发明所述激光雷达装置结合电动云台扫描技术，能够测量出一定区域内瓦斯浓度的分布，对于矿井内瓦斯浓度分布规律的掌握有一定的指导意义。

3.本发明可以实时向控制室传输浓度测量数据，实现矿井内一定区域内瓦斯气体浓度的实时监控，大大提高了煤矿生产的安全系数。

4.本发明除了可以固定在电动云台上进行扫描测量外，还可以作为便携式瓦斯浓度测量仪器使用，可用于巡检员的移动巡检以及天然气管道瓦斯泄漏检测。

5.本发明相位测距具有测距精度高，适用于短距离测量等优势，因此用于煤矿里小区域内距离的测量是一个合适的选择。而且采用TDLAS技术也需要对激光器进行调制解调，两者可以结合在一起，使本发明所述的激光雷达装置的结构更加紧凑，大大降低了产品的成本。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明所述正交锁相解调电路的原理图；

图3为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实例和说明书附图对本发明作详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1、2所示，

所述的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置安装在电动云台上。将所述的激光雷达装置安装在电动云台上的目的在于：通过设定电动云台的扫描频率，可以使所述激光雷达装置能够采集到的各个方向的数据，继而测量出一定区域内瓦斯浓度的分布，对于矿井内瓦斯浓度分布规律的掌握有一定的指导意义。

实施例2、

一种如实施例1所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法，如图3所示，包括如下步骤：

本发明所述激光雷达装置对瓦斯进行浓度测量原理如下：

甲烷分子在1653.7nm处的2v3带R(3)支吸收线是一个较强的红外吸收线，利用甲烷在此波长处的特征吸收峰来探测甲烷浓度，具有特异性，不受干扰的优点。探测光经甲烷气体吸收遵循Beer-Lambert吸收定律：

I_out＝I₀exp(α×C×L)

其中，I_out为经过甲烷气体吸收后的光强，I₀为光机收发单元发射的平均光强，α为甲烷气体在1653.7nm处的吸收系数，C为甲烷的体积分数，L为气体的吸收长度。

经过频率调制的激光可以表示为：

v＝v₀+Δvcos(2πf_mt)

其中v₀为中心频率，Δv为频率调制幅度，f_m为调制频率。

经过瓦斯气体吸收后，对其吸收谱进行傅里叶分析，可知含有各次谐波，包括f_m和2f_m频率成分，分别可以表示为：

I_f＝K×I₀×m，

I_2f＝K×I₀×2α₀×C×L

其中，I_f为一次谐波的幅度，I_2f为二次谐波的幅度，K为与距离、发射和接收效率，目标反射率有关的综合系数。m为光强的调制幅度，α₀为甲烷吸收峰处的吸收系数。

因此利用I_2f与I_f的比值可以反演计算出气体的路径积分浓度C_R＝C×L。利用比值法的好处就是激光器光强的波动，距离的变化以及目标反射率不一样造成的信号波动可以被消除。我们的系统就是基于这个原理测量出瓦斯气体的浓度的。

本发明所述激光雷达装置对瓦斯进行距离的测量原理如下：

利用激光相位测距原理，经过调制的连续激光经过空间传输会产生相位延迟，这个相位延迟量与距离直接相关，解调出激光中心波长远离气体吸收峰时一次谐波的相位信息即可。根据矿井瓦斯浓度测量的需求，仪器的测量距离只需要满足十几米以内即可，同时为了简化系统，节约成本，本因此选择激光器调制频率为f_m＝5.35MHz，，当调制光波的相位变化在2π以内（小于一个波长）时，对应的测距范围约为L＝c/2f_m＝3×10⁸/(2×5.35×10⁶)≈28m，由于正交锁相放大器只能解调判断出π的相位变化，因此实际测距范围为14m。距离L与f_m频率成分的相位延迟量

（所述相位延迟量的大小与距离有关）的关系为：

其中c为空气中的光速。

所述正交锁相解调电路107的原理如图2所示：

实际电路包含两路图2所示的电路，分别解调出f_m和2f_m的频率分量。待解调信号为x(t)，参考信号为r(t)，参考信号分为两路，一路不延迟，一路经过可调相位延迟器204延迟相位90°与前者正交，待解调的信号和不经过延迟的参考信号进入混频器201混频，然后经低通滤波电路202滤波，之后经放大电路203放大，输出后的信号I被微控制器108采集；待解调的信号和经过90°相位延迟的参考信号进入混频器205混频，然后经低通滤波电路206滤波，之后经放大电路207放大，输出后的信号Q被微控制器108采集，利用采集的信号可以得到经过f_m的调制光经空气传输距离L返回的相位延迟量

以及I_2f与I_f大小，分别可以表示为：

I_{f} = \sqrt{{I_{1}}^{2} + {Q_{1}}^{2}},

I_{2 f} = \sqrt{{I_{2}}^{2} + {Q_{2}}^{2}}

具体工作过程为：

微控制器108通过温控和驱动电路103给DFB激光器101在正弦调制上面施加一个偏置，使其波长偏离甲烷吸收峰，然后可以利用回波测量出瓦斯泄露点的距离，然后微控制器108通过激光器驱动和温控电路103扫描激光器的波长，正交锁相解调电路107就可以解调出4路信号I₁，Q₁，I₂，Q₂，进而计算出I_f，I_2f，找出吸收峰处的值，即I_2f的最大值和I_f对应位置的值，然后反演出气体的路径积分浓度。

由于矿井瓦斯浓度测量对测距的精度要求不是很高，0.5m即可，对应的相位测量精度只需要达到1.8%即可，因此本电路并没有采用精度很高的差频测相方法，一来可以降低系统的复杂程度，二来节约了成本。

按键模块109可以设置浓度报警阈值，可以控制DFB激光器的是否工作于测量状态来节约电池电量，液晶显示模块110将微控制器108计算出的距离和浓度值显示出来，并且可以显示出测量历史最大值，历史浓度变化曲线等信息，人机界面很友好，方便了操作。声光报警模块111在瓦斯浓度超过阈值就发出声光报警信号，数据存储模块112的容量可以保证存储上万条记录信息，而且可以通过数据接口导出做进一步的分析，数据通信模块113可以和上位机实时通信，方便对矿井内情况进行实时监控。低功耗电源管理模块114给整个装置提供高效多电平电源管理，大大提高了装置的工作时间。

本发明结合电动云台对矿井内瓦斯浓度的分布进行扫描测量，可以测量一定区域内（方圆14m）瓦斯浓度分布，方便了矿井外主控室对矿井内瓦斯情况的掌握，具有非常重要的意义。除了可以固定的扫描外，也可以作为矿井巡检员的巡检仪器使用。

Claims

1.一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，其包括DFB激光器（101）、信号发生电路（102）、激光器驱动与温控电路（103）、倍频电路（104）、光机收发单元（105）、低噪声前置放大及滤波电路（106）、正交锁相解调电路（107）、微控制器（108）、按键模块（109）、液晶显示模块（110）、声光报警模块（111）、数据存储模块（112）、数据通信模块（113）和低功耗电源管理模块（114）；

所述的DFB激光器（101）的中心波长为1653.7nm；所述DFB激光器（101）发出波长为1653.7nm的测量用窄线宽红外激光，所述DFB激光器（101）还能发出波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm；

所述的信号发生电路（102）产生频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号，所述的信号发生电路（102）的一个信号输出端通过所述激光器驱动与温控电路（103）与所述DFB激光器（101）电连接，用于对DFB激光器的电流进行调制，使得所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的测量距离达14m；所述信号发生电路（102）的另一个信号输出端分为两路，一路直接与所述正交锁相解调电路（107）相连，另一路通过倍频电路（104）与所述正交锁相解调电路（107）相连，所述的倍频电路（104）对所述信号发生电路（102）所发出的频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号进行2倍频，产生2f_m＝10.7MHz的正弦信号；

所述的激光器驱动与温控电路（103）的控制端与所述微控制器（108）相连；

所述的光机收发单元（105），包括光纤准直器、菲涅耳透镜、光电探测器和三维机械调节装置，所述DFB激光器（101）发出的激光经所述的光纤准直器进行准直，使激光的发散角满足探测距离；所述激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述菲涅耳透镜将所述激光雷达装置接收到的散射光聚焦成探测光信号，到所述的光电探测器上，所述的光电探测器将接收的探测光信号转换为电流信号；所述的三维机械调节装置用于将光电探测器调节到菲涅耳透镜的焦点上，从而将探测光信号聚焦到光电探测器上；

所述的低噪声前置放大及滤波电路（106）将光电探测器输出的电流信号转换为低噪声的电压信号传递给所述的正交锁相解调电路（107），做为正交锁相解调电路（107）的待解调输入信号x(t)，所述的信号发生电路（102）所输出的f_m＝5.35MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路（107）的参考信号r(t)1，所述的倍频电路（104）所输出的2f_m＝10.7MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路（107）的参考信号r(t)2；所述正交锁相解调电路（107）的输出端与所述的微控制器（108）相连；所述的低噪声前置放大及滤波电路（106）与所述的微控制器（108）相连；

所述的正交锁相解调电路（107），包括解调电路（D1）和解调电路（D2）：所述解调电路（D1），包括串联连接的混频器（201）、低通滤波电路（202）和放大电路（203）；所述解调电路（D2），包括串联连接的混频器（205）、低通滤波电路（206）和放大电路（207）；所述低噪声前置放大及滤波电路（106）输出的低噪声的电压信号分别与解调电路（D1）和解调电路（D2）中的混频器输入端电连接，所述信号发生电路（102）和倍频电路（104）的信号输出端与解调电路（D1）的混频器输入端电连接，所述信号发生电路（102）和倍频电路（104）的信号输出端通过可调相位延迟器与解调电路（D2）中的混频器输入端电连接；

所述按键模块（109）、液晶显示模块（110）、声光报警模块（111）、数据存储模块（112）、数据通信模块（113）分别与所述微控制器（108）相连。

2.根据权利要求1所述的一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，所述的微控制器（108）为TI公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812。

3.根据权利要求1所述的一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，所述的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置安装在电动云台上。

4.一种如权利要求1所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法，其特征在于，其包括步骤如下：

（1）微控制器（108）控制激光器驱动与温控电路（103）使DFB激光器（101）发出波长偏离1653.7nm的激光，所述波长偏离1653.7nm的激光为波长1653.6nm激光，所述1653.6nm激光进入光机收发单元（105），经光纤准直器发射；

（2）步骤（1）所述经光纤准直器发射的1653.6nm激光不会被瓦斯气体吸收，最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路（106）处理后，送入正交锁相解调电路（107）进行解调：所述正交锁相解调电路（107）有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器（102）提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路（104）提供；由于所述1653.6nm激光没有被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路（107）只需要解调出一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L；

（3）微控制器（108）利用一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L计算出瓦斯泄漏源处的背景地形散射体与本激光雷达装置的距离；

（4）然后微控制器（108）控制激光器驱动和温控电路（103）使DFB激光器（101）发射波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm，扫描的激光进入光机收发单元（105），经准直器发射；

（5）步骤（4）所述经光纤准直器发射的1653.7nm激光会被瓦斯气体吸收，其它波长的激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路（106）处理后，送入正交锁相解调电路（107）进行解调：所述正交锁相解调电路（107）有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器（102）提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路（104）提供；由于1653.7nm激光被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路（107）解调出一次谐波的同相分量I₁、正交分量Q₁和二次谐波的同相分量I₂、正交分量Q₂；

（6）微控制器（108）利用步骤（5）中所述的I₁，Q₁，I₂，Q₂，计算出待测瓦斯气体的浓度。