CN102854541A - 具有定位能力的无源灾后井下信息获取方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无源的灾后井下信息获取方法及其系统。具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，该方法包括以下步骤：1)当灾害发生时，井下存活人员按照事先确定好的规则敲击光缆；2)光缆感受到敲击的应力后，就会被井上的探测设备探测到并准确地反应敲击过程和具体位置；3)通过与事先制定好的规则对比，确定是否是人敲击还是其他干扰，从而确定该敲击位置处有人员存活，从而实现施救。本发明具有全分布式无缝探测、精确定位、完全无源、高抗毁能力等优点，可以提供有效的救援信息。

Description

具有定位能力的无源灾后井下信息获取方法及其系统

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体涉及一种对灾后井下被困人员求救信息的收集和被困人员定位的方法及其系统。

技术背景

煤矿矿难是危及人生命的灾难，如何有效地在矿难发生后实施救援，具有重要意义。然而，目前煤矿的监测、通信等系统往往在矿难发生后由于通信、电力中断，无法有效工作，使得救援人员不清楚井下具体情况，从而无法制定最优的救援方案，救援工作往往是盲目的。因此，如何掌握灾后井下情况，如灾害发生程度和范围，被困人员在何位置，是否存活等情况，对实施救援非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无源的灾后井下信息获取方法。

本发明还要提供一种实现上述方法的系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，该方法包括以下步骤：1)当灾害发生时，井下存活人员按照事先确定好的规则敲击光缆；2)光缆感受到敲击的应力后，就会被井上的探测设备探测到并准确地反应敲击过程和具体位置；3)通过与事先制定好的规则对比，确定是否是人敲击还是其他干扰，从而确定该敲击位置处有人员存活，从而实现施救。

本发明的有益效益是：通过在矿井巷道内铺设分布式感测光缆，通过事先制定好的敲击光缆规则，让灾害后存活人员通过该规则敲击光缆后向地面发送求救信息，井上救援人员将获取其具体被困位置。同时，该系统还可以记录灾害发生的范围、地点等情况。该系统具有全分布式无缝探测、精确定位、完全无源、高抗毁能力等优点，可以提供有效的救援信息，与现有矿井下安全设施具有很好的互补性。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是被困人员均匀敲击光缆所产生的信号图。

图3是被困人员按一定时间间隔均匀敲击光缆所产生的信号图。

图4是记录塌方事故发生的位置在距离井口14km处的信号图。

图5是本发明系统的另一种结构的示意图。

图6是本发明系统的第三种结构的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统，根据矿井井下的具体结构，将光缆2沿着井下巷道1铺设，井下的光缆2与井上的探测设备3连接构成具有精确定位能力的基于相干光光时域散射原理的分布式光纤传感系统。

当灾害发生时，井下存活人员按照事先确定好的规则敲击光缆2，光缆2感受到敲击的应力后，就会被井上的探测设备3探测到并准确地反应敲击过程和具体位置，通过与事先制定好的规则对比，确定是否是人敲击还是其他干扰，从而确定该敲击位置处有人员存活，从而实现施救。

本发明的系统还有另外一个作用，当井下发生塌方、透水、瓦斯爆炸等事故灾害时，沿着矿井铺设的光缆2可感受到灾害区域的力、震动、声音等信号，井上的探测设备3探测到就可以确定灾害发生的范围，从而记录灾害的强度和范围，为井上营救提供信息支撑。

进一步，将本发明的光缆2铺设到矿井机车运行轨道上，可以通过感受机车运行时的振动信号来监测机车的位置、速度，判断其是否超速，多辆机车同时运行时，可以同时监测它们的运行状况，判断是否有追尾、相撞等事故发生或发生可能。该机车运行监测方法还可以应用于民用铁路、地铁、轻轨等轨道交通车辆的运行监测。

上述探测设备3包括依次连接的光源6、环形器或耦合器7、接收光纤干涉仪8、探测器9和采集卡10，该分布式光纤传感系统可以是基于分布式振动或应变的传感系统。上述光源6将脉冲光输入到环形器或耦合器7，然后经环形器或耦合器7打入到光缆2中，脉冲光在光缆2中被反射回来，再经过环形器或耦合器7返回到接收光纤干涉仪8中干涉。当光缆2的某位置受到力作用时，其反射光信号的相位发生变化，探测器9探测到经过接收光纤干涉仪8光信号的波动，采集卡10将探测器9探测到的模拟信号转换为数字信号，然后输入到计算机中运算，从而测出光缆2的受力状况，并根据反射信号的时间先后实现定位功能，井下光缆完全无源，无需供电，在灾害发生时仍然正常工作。

当上述光源6的线宽小于1MHz时，可以不需要接收光纤干涉仪8，也就是说，光源6的线宽小于1MHz时，光源6将脉冲光输入到环形器或耦合器7，然后经环形器或耦合器7打入到光缆2中，脉冲光在光缆2中被反射回来，再经过环形器或耦合器7。当光缆2的某位置受到力作用时，其反射光信号的相位发生变化，探测器9探测到经过环形器或耦合器7后光信号的波动，采集卡10将探测器9探测到的模拟信号转换为数字信号，然后输入到计算机中运算，从而测出光缆2的受力状况，并根据反射信号的时间先后实现定位功能。

上述敲击规则可以是均匀敲击，也可以采用非均匀敲击等特殊的敲击编码方式。比如我们事先规定，在灾害发生时，人员敲击光缆的规则是：连续均匀敲击光缆10下，每次敲击间隔时间0.5-1秒，表示是存活人员在发出求救信息，其在探测设备3上所得到的信号图如图2所示，也可以按一定时间间隔均匀敲击光缆发出求救信号，其在探测设备3上所得到的信号图如图3所示。

具体实施时，比如当塌方灾害在图1中位置4处发生时，人员在位置5处被困，该被困人员就敲击光缆2发出报警信息，通过探测设备3上所得到的信号就可得知这是一个存活的被困人员发出的求救信息。同时基于该系统，记录下了塌方灾害发生在距离井口14km处，范围大约20m，如图4所示。

本发明的系统还可以是基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，如图5所示，上述探测设备3包含依次连接的窄线宽脉冲光源11、光环行器12、激光器13和探测装置14，其中，光环行器12和激光器13分别连接在光缆2的两端，该系统是基于光纤中的布里渊散射对应力敏感的原理。当窄线宽脉冲光源11发出的脉冲光的频率与激光器13发出的连续激光的频率有一定的频率差时，窄线宽脉冲光源11的功率经过光环形器12被探测装置14探测到，该频率差与布里渊的频移匹配时，会产生受激布里渊散射，探测装置14会探测到包含光缆2上每个空间位置一条凹陷的布里渊损耗曲线，连续地改变窄线宽脉冲光源11和激光器13的频率，就可以通过探测装置14探测激光不同频差下的布里渊曲线，把这些曲线组合起来就会得到光缆2上的每个位置的布里渊谱，并通过探测窄线宽脉冲光源11发出的光脉冲在光缆2上传输的时间来定位。当应力作用在光缆2上时，通过测试布里渊谱的中心频率即可以得到外界作用力的大小，即得到作用于铺设到矿井中的光缆2上的应力大小，从而实现灾害记录和人员求救信息的采集。

本发明提出一种无源的、全分布式、可定位的灾害信息记录和求救信息的无源光缆采集系统，可以有效地帮助灾后救援。本发明是基于一种分布式光纤传感系统铺设到井下，通过特定的规则以确定是井下被困人员发出的求救信息。本发明的全分布式指的是光缆上任意一点都是传感器，无源指的是井下无需供电。本发明通过在矿井通道内铺设分布式感测光缆，实现灾害过程和范围的记录，以及实现对被困人员所发的求救信息的采集，为灾后科学救援提供信息支撑。

本发明还可采用光纤布拉格光栅准分布式光纤传感系统，与前面系统的区别是，该系统只在光缆2的某些位置设置有传感器，这些都属于本发明的保护范围。如图6所示，该系统的探测设备3包含依次连接的宽带直流光源15、环形器16、布拉格光纤光栅传感器阵列17、布拉格光纤光栅波长探测装置18。其中，布拉格光纤光栅传感器阵列17按照一定距离安装在光缆2的不同位置，通过布拉格光纤光栅波长探测装置18来探测布拉格光纤光栅传感器阵列17的变化，就可以完成前面所述的救援信息探测和灾害信息记录。

Claims (10)

1.具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)当灾害发生时，井下存活人员按照事先确定好的规则敲击光缆(2)；2)光缆(2)感受到敲击的应力后，就会被井上的探测设备(3)探测到并准确地反应敲击过程和具体位置；3)通过与事先制定好的规则对比，确定是否是人敲击还是其他干扰，从而确定该敲击位置处有人员存活，从而实现施救。

2.如权利要求1所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，所述步骤2)是：探测设备(3)中的光源(6)将脉冲光输入到环形器或耦合器(7)，然后经环形器或耦合器(7)打入到光缆(2)中，脉冲光在光缆(2)中被反射回来，再经过环形器或耦合器(7)返回到接收光纤干涉仪(8)中干涉，当光缆(2)的某位置受到力作用时，其反射光信号的相位发生变化，探测器(9)探测到经过接收光纤干涉仪(8)光信号的波动，采集卡(10)将探测器(9)探测到的模拟信号转换为数字信号，然后输入到计算机中运算，从而测出光缆(2)的受力状况，并根据反射信号的时间先后实现定位功能。

3.如权利要求1所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，所述步骤2)是：当探测设备(3)中的光源(6)的线宽小于1MHz时，光源(6)将脉冲光输入到环形器或耦合器(7)，然后经环形器或耦合器(7)打入到光缆(2)中，脉冲光在光缆(2)中被反射回来，再经过环形器或耦合器(7)，当光缆(2)的某位置受到力作用时，其反射光信号的相位发生变化，探测器(9)探测到经过环形器或耦合器(7)后光信号的波动，采集卡(10)将探测器(9)探测到的模拟信号转换为数字信号，然后输入到计算机中运算，从而测出光缆(2)的受力状况，并根据反射信号的时间先后实现定位功能。

4.如权利要求1所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，所述步骤2)是：探测设备(3)中的窄线宽脉冲光源(11)发出的脉冲光的频率与激光器(13)发出的连续激光的频率有一定的频率差时，窄线宽脉冲光源(11)的功率经过光环形器(12)被探测装置(14)探测到，该频率差与布里渊的频移匹配时，会产生受激布里渊散射，探测装置(14)会探测到包含光缆(2)上每个空间位置一条凹陷的布里渊损耗曲线，连续地改变窄线宽脉冲光源(11)和激光器(13)的频率，就可以通过探测装置(14)探测激光不同频差下的布里渊曲线，把这些曲线组合起来就会得到光缆(2)上的每个位置的布里渊谱，并通过探测窄线宽脉冲光源(11)发出的光脉冲在光缆(2)上传输的时间来定位，当应力作用在光缆(2)上时，通过测试布里渊谱的中心频率即可以得到外界作用力的大小，即得到作用于铺设到矿井中的光缆(2)上的应力大小。

5.具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)当井下发生塌方、透水、瓦斯爆炸等事故灾害时，沿着矿井铺设的光缆(2)感受到灾害区域的力、震动、声音、温度等信号；2)井上的探测设备(3)探测到并准确地反应灾害发生的地点和范围，从而记录灾害的强度和范围，为井上营救提供信息支撑。

6.具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统的信息获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)沿着矿井机车轨道铺设的光缆(2)感受到机车运行的振动信号；2)井上的探测设备(3)探测到机车的实时位置，并通过位置的实时变化计算出机车的运行速度，从而监测机车运行是否发生超速事故；多个机车同时运行时，通过探测它们的实时位置，可以判断它们之间是否相距位置过近而产生追尾或撞车事故。

7.具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统，其特征在于，包括连接在一起的光缆(2)和探测设备(3)，所述光缆(2)沿着井下巷道(1)铺设。

8.如权利要求7所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统，其特征在于，所述探测设备(3)包括依次连接的光源(6)、环形器或耦合器(7)、接收光纤干涉仪(8)、探测器(9)和采集卡(10)。

9.如权利要求7所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统，其特征在于，所述探测设备(3)包括依次连接的窄线宽脉冲光源(11)、光环行器(12)、激光器(13)和探测装置(14)，所述光环行器(12)和激光器(13)分别连接在光缆(2)的两端。

10.如权利要求7所述的具有定位能力的无源灾后井下信息获取系统，其特征在于，所述探测设备(3)包括依次连接的宽带直流光源(15)、环形器(16)、布拉格光纤光栅传感器阵列(17)、布拉格光纤光栅波长探测装置(18)，所述布拉格光纤光栅传感器阵列(17)按照一定距离安装在光缆(2)的不同位置。

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