CN104570145B - 一种光纤传感生命探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感生命探测设备。本发明基于声波和振动原理、采用光纤传感技术，具有体积小、重量轻、测量精度灵敏度高、本质上抗电磁干扰、寿命长、稳定性和可靠性高等优点，能够广泛应用于矿难生命救援、地震生命搜救、石油物探等领域。该仪器设备的研发，能够在矿难事故发生后快速可靠地搜救地下深部巷道被困人员，为救援工作赢得时间，避免救援工作的盲目性。

Description

一种光纤传感生命探测设备

技术领域

本发明涉及一种探测设备，具体涉及一种光纤传感生命探测设备。

背景技术

近几年矿难事故频频发生，每次遇难矿工少则儿人多则几十人，有的甚至超过百人以上。灾难过后，搜索幸存者的过程是一个与时间的赛跑，最佳的黄金救援时间仅仅72小时，如何尽早探测矿难事故中幸存者并将其定位已经成为最优先解决的问题。国内外历次矿难事故生命救援的事实表明，矿难后对地下巷道的幸存者及时发现时首要任务，先进的救援和搜救设备可以极大的挽救许多被困者的生命。基于声波与振动探测原理的生命探测系统的研制在我国灾害生命搜索救助领域中占有重要位置。传统的声波振动生命探测仪原理是基于在国内外石油物探行业广泛使用的“活动线圈速度型检波器”，可记录的最大动态范围小，接收信号的畸变大，响应频带窄，需几个至几十个组合以降低噪音干扰，能够判别地表和地下一定深度生命存在，但是容易受周围宽频噪声的影响，随着探测目的层深度的加大，地下发出的振动信号高频信号衰减快，主要表现为低频特征，而传统“活动线圈速度型检波器”对却低频信号(特别是＜6Hz的信号)接收能力差。同时，其高频响应随着频率的提高衰减加快，不利于高分辨率探测，因此检波器技术成为高精度和深部生命探测技术的一瓶颈环节。所以研制一种基于光纤传感的生命探测系统，能够可靠地搜索矿难地下的被困者，为救援工作赢得时间，避免救援工作的盲目性，具有重要的意义。

我国从2000年起开始进入了救援设备的自主研发阶段，此前也有部分国家生命探测装备问世。但目前内市场所推广的生命探测设备大部分是引进国外产品和技术开发的，而国内未能形成矿难救援生命探测仪开发与研究体系的标准。就目前国内市场上已经应用和逐步推广的生命探测仪有以下几种类型：红外生命探测仪、雷达生命探测仪、音频生命探测仪、光学生命探测仪等等。这些产品都有各自的优点，但也存在一些实际应用上的缺陷，如探测距离近、探测面积小、探测速度慢等。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种光纤传感生命探测设备，基于声波和振动原理、采用光纤传感技术，具有体积小、重量轻、测量精度灵敏度高、本质上抗电磁干扰、寿命长、稳定性和可靠性高等优点，能够广泛应用于矿难生命救援、地震生命搜救、石油物探等领域。该仪器设备的研发，能够在矿难事故发生后快速可靠地搜救地下深部巷道被困人员，为救援工作赢得时间，避免救援工作的盲目性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种光纤传感生命探测设备，包括地面设有的若干光纤检波器、地面光纤光栅解调设备，所述光纤检波器包括外壳、设置在外壳上端的光纤固定盖以及设置在外壳下端的下底盖，所述光纤固定盖上套接有上护筒，所述上护筒上设有上护盖，所述光纤固定盖下端设有一光纤护架，所述外壳内设有质量块，所述质量块内通过粘结剂固定有光纤，所述光纤上端依次穿过所述光纤护架、光纤固定盖、上护盖。还包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块，所述光源模块包括ASE激光器、隔离器和环形器，ASE激光器、隔离器和环形器顺次进行光路连接，ASE激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出给探测光栅，所述解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件(CCD)和信号处理模块，所述体相位光栅的输入端和环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递光信号，所述电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转换为电信号，输入信号处理模块进行计算，最终解调出波长、光功率数据，所述控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，并通过显示模块显示解调所得的数据并进行存储。

作为优选，所述光纤光栅一端通过粘结剂与所述质量块相连。

作为优选，所述光纤光栅的有效长度为25mm，质量块的质量为30克。

作为优选，所述光纤检波器至少8个。

作为优选，所述光纤光栅解调仪的指标为采样频率5kHz；精度达到1pm；波长分辨率1pm，满足生命探测仪的需要。

本发明具有以下有益效果：

本发明基于声波和振动原理、采用光纤传感技术，具有体积小、重量轻、测量精度灵敏度高、本质上抗电磁干扰、寿命长、稳定性和可靠性高等优点，能够广泛应用于矿难生命救援、地震生命搜救、石油物探等领域。该仪器设备的研发，能够在矿难事故发生后快速可靠地搜救地下深部巷道被困人员，为救援工作赢得时间，避免救援工作的盲目性。

附图说明

图1为本发明中光纤检波器的结构示意图。

图2为本发明中微震源空间定位原理图。

图3为本发明中光纤光栅解调仪的结构示意图。

图4为本发明中光纤检波器的力学模型示意图。

图5为本发明中软件设计流程图。

图6为本发明中P波法波形示意图。

图中：1、光纤；2、上护盖；3、上护筒；4、光纤固定盖；5、光纤光栅；6、光纤护架；7、外壳；8、质量块；9、下底盖；10、尾椎。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种光纤传感生命探测设备，包括地面设有的若干光纤检波器、地面光纤光栅解调设备，如图1所示，所述光纤检波器包括外壳7、设置在外壳7上端的光纤固定盖4以及设置在外壳7下端的下底盖9，所述光纤固定盖4上套接有上护筒3，所述上护筒3上设有上护盖2，所述光纤固定盖4下端设有一光纤护架6，所述外壳7内设有质量块8，所述质量块8内通过粘结剂固定有光纤1，所述光纤1上端依次穿过所述光纤护架6、光纤固定盖4、上护盖2，还包括光纤光栅解调仪，如图3所示，所述光纤光栅解调仪包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块，所述光源模块包括ASE激光器、隔离器和环形器，ASE激光器、隔离器和环形器顺次进行光路连接，ASE激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出给探测光栅，所述解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件(CCD)和信号处理模块，所述体相位光栅的输入端和环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递光信号，所述电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转换为电信号，输入信号处理模块进行计算，最终解调出波长、光功率数据，所述控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，并通过显示模块显示解调所得的数据并进行存储。

所述光纤光栅一端通过粘结剂与所述质量块相连。

其中，光纤光栅加速度检波器的力学模型可等效成一个单自由度的弹簧振子系统，如图4所示。其中K为系统的等效刚度，C是系统的阻尼系数，Mass为振子的质量。根据牛顿第二运动定律得到光纤光栅检波器的固有频率和阻尼比。

当振子运动时，质量块Mass将受到与运动方向相反的惯性力F＝ma的作用，此时光纤光栅的长度发生变化，光纤光栅的固定端与质量块之间的光纤长度变化量ΔL与相应的应力变化关系为：

光纤光栅的传感原理有：Δλ_B＝0.78ελ_B，式中λ_B是光纤光栅反射波长；Δλ_B是光纤光栅波长改变量。ε是光纤光栅的轴向应变，则有即

(1.4)

从式1.1、式1.4可以看出，光纤光栅检波器的两个重要指标：灵敏度和固有频率，它们与振子质量和光纤长度的乘积所对应的关系是矛盾的，当灵敏度系数大时，其固有频率将减少。而当光纤长度增加时，则固有频率和灵敏度都将减少。因此在检波器设计时，应尽量减少光纤的有效长度，这样可以获得更高的加速度灵敏度和更宽工作带宽。本项目设计的光纤有效长度为25mm，振子质量为30克。

所述光纤检波器至少8个。

所述光纤光栅解调仪的指标：采样频率5kHz；精度达到1pm；波长分辨率1pm，满足生命探测仪的需要。

本具体实施的原理为：在地面布置好光纤检波器，当地下发生井下巷道被困人员产生微震波时，光纤检波器就会拾取到此波信号，然后经过地面监测仪器对其进行数据采集处理，以微震波在不同检波器之间的旅行时差为基准，获得不同的传输路径，计算出地震波的传播速度，并最终计算出震源(敲击)位置的空间坐标。微震源空间定位原理图如图2所示。

微震波分为纵波(P波)和横波(S波)，在大多数固体介质中，S波传播速度慢，而且在地层松软的地方S波不稳定，在微震监测中的微震源定位通常采用P波方式，即采用P波法。

该原理图中将检波器观测站网络布阵成十字方式，其中N个检波器观测点为P₁，P₂，…，P_i(i＝1，2，…，N)，微震事件发生点即微震源点的空间位置为Q点，检波器观测点与Q点间的距离为S_i。

已知P波传播速度为V_P，T_i是第i个检波器的拾取P波的时间，有

ΔS＝V_p·ΔT..........................................(1.5)

P波到时差ΔT可由微震监测仪器测得，P波波速V_P为已知量，依据公式1.5可求出距离差ΔS，然后利用多个ΔS组合即可将震源Q点的空间位置定位出来。

经检测，本具体实施的光纤检波器的频率范围：0.1-200Hz；动态范围达到60dB。

本具体实施在微震监测中，不同的微震监测记录上的微震信号数据，记录相同的微震源时，可监测得到相同的信号，因此，可以利用这个相同信号到不同光纤检波器间的到时差，如图2所示，来定位微震源。

在同一储层中P波传播速度为V_P为一常数，P波的走时时差可表示成，

ΔT＝ΔS/V_p.......................................(1.6)

对于N个检波器监测站，求解其走时时差的非线性方程组如下式1.7所示，

即建立了微震监测中微震源定位的正演算法模型：

其中：N为检波器的个数；

V_P为微震事件发生时在矿井巷道岩石的P波波速；

T_o为微震源的发震时刻；

T_i为微震波P波到达第i个检波器的时刻；

X_o，Y_o，Z_o为微震源的三维空间坐标；

X_i，Y_i，Z_i为第i个检波器的三维空间坐标；

分析式子1.8，式中有未知参数共4个，即T_o、X_o、Y_o、Z_o，因此解这个非线性方程组至少需要四个检波器监测站的实验数据，通过对T_i，X_i，Y_i，Z_i进行反演计算，不仅可以对微震源点进行定时，即得到微震源的发震时刻T_o；重要的还可以对微震源点进行定位，即得到微震源点的三维空间坐标信息数据(X_o，Y_o，Z_o)。

本具体实施中分析软件实现主要包括：(1)系统初始化，包括采集参数的设置和硬件连接测试、(2)FBG传感器中心波长的计算，包括采集初期峰值和实时峰值的计算、(3)震源定位算法处理数据、(4)震源位置最终结果的显示、输出和保存。计算分析软件设计流程图如图5所示。

1)系统初始化：即系统每次运行时首先要执行的操作，主要是采集参数(检波器的空间坐标、采样率)的设置。

2)采集初始峰值和实时峰值

采集初始峰值不需要每次启动应用程序时都执行该操作，初始化峰值是作为测量物理量的参考值，仅当在使用者认为的初始化状态下执行此操作。

采集初始峰值的目的：在系统完成初始化后，要读取初始化状态下的初始峰值并保存为一个单独的文件，这些峰值将用于采集到实时峰值时进行物理量计算。

在启动系统程序并完成初始化并加载完成初始波长峰值后即可执行采集实时峰值的操作。

3)数据处理，主要根据各个检波器波长变化和定位算法计算公式，解方程组，求出微震源点的三维空间坐标信息数据(X_o，Y_o，Z_o)。这里我们采用的是高斯消去法解多元多次方程组。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出

若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光纤传感生命探测设备，其特征在于，包括地面设有的若干光纤检波器、地面光纤光栅解调设备，所述光纤检波器包括外壳、设置在外壳上端的光纤固定盖以及设置在外壳下端的下底盖，所述光纤固定盖上套接有上护筒，所述上护筒上设有上护盖，所述光纤固定盖下端设有一光纤护架，所述外壳内设有质量块，所述质量块内通过粘结剂固定有光纤，所述光纤上端依次穿过所述光纤护架、光纤固定盖、上护盖，还包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪包括电源模块、光源模块、解调模块、控制模块、接口模块及显示模块，所述光源模块包括ASE激光器、隔离器和环形器，ASE激光器、隔离器和环形器顺次进行光路连接，ASE激光器发出的光信号经过隔离器和环形器输出给探测光栅，所述解调模块包括体相位光栅、电荷耦合元件和信号处理模块，所述体相位光栅的输入端和环形器进行光路连接，接收探测光栅通过环形器传递光信号，所述电荷耦合元件的输入端与体相位光栅的输出端连接将光信号转换为电信号，输入信号处理模块进行计算，最终解调出波长、光功率数据，所述控制模块通过串口与解调模块的信号处理模块连接，通过接口模块与上位机连接，并通过显示模块显示解调所得的数据并进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种光纤传感生命探测设备，其特征在于，所述光纤光栅一端通过粘结剂与所述质量块相连。

3.根据权利要求1所述的一种光纤传感生命探测设备，其特征在于，所述光纤光栅的有效长度为25mm，质量块的质量为30克。

4.根据权利要求1所述的一种光纤传感生命探测设备，其特征在于，所述光纤检波器至少8个。

5.根据权利要求1所述的一种光纤传感生命探测设备，其特征在于，所述光纤光栅解调仪的指标为采样频率5kHz；精度达到1pm；波长分辨率1pm，满足生命探测仪的需要。