CN106370623A - 矿井灾后环境气体遥感装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井灾后环境气体遥感装备。所述装备主要应用于井下灾后救援，可随身携带。所述装备主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、显示屏、通信接口、温度遥感监测单元和可见激光发射器；所述装备采用开放气室，可对环境中多种气体浓度和环境温度进行遥感监测。井下瓦斯爆炸和火灾等事故，会产生大量有毒有害气体，并消耗大量的氧气，所述装备的应用可使矿井灾后搜寻、救护人员提前获知未到达区域的各种气体浓度和环境温度，提前采取有效措施，使之免受瓦斯爆炸和火灾等事故产生大量有毒气体的危害，保护救援人员生命，提高救援效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井灾后环境气体遥感装备，该装备涉及激光技术、光谱分析技术、信号处理技术等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。事故发生后，及时掌握井下事故现场情况，是正确、有效救援，减少人员伤亡的关键。井下瓦斯爆炸和火灾等事故，会产生大量CO，CO2，CH4等有毒有害气体，消耗大量O2。当事故现场有毒有害气体浓度超高、O2含量较低时，会危害搜寻、救护人员的生命，因此在进行井下灾后救援时，应先对未到达的一定距离内的矿井环境空气危险性进行侦测。现有救援工作中环境空气侦测方法包括短距遥感监测、探杆侦测和抛掷侦测。应用于矿井的短距离遥感监测目前只能对甲烷浓度进行侦测，不能侦测其它气体浓度和环境温度，而且一般侦测距离不超过30米；探杆侦测是将甲烷传感器固定于探杆顶部，将探杆伸至未到达区域进行侦测，此方法受探杆长度限制，侦测效率低，影响救援工作效率；抛掷侦测是通过专用的投掷设备将甲烷传感器投掷至巷道的未到达区域，再对环境进行侦测，由于投掷设备操作受人为因素影响较大，传感器损坏率高，投掷成功率低，侦测距离虽高于探杆方式，但实际应用效果并不理想。所以目前需要可应用于井下灾后救援的、可随身携带的、可远距离侦测井下CO，CO2，CH4，O2等气体浓度的新型侦测设备。
发明内容
本发明目的在于提供一种矿井灾后环境气体遥感装备。所述装备主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、显示屏、通信接口、温度遥感监测单元和可见激光发射器；装备采用开放气室，可对环境中多种气体浓度和环境温度进行遥感监测；可见激光发射单元负责发射与激光发射器发射方向相同的可见激光；装备具有激光测距功能；通过相应的测量方法和算法，装备可测量不同距离区域的气体浓度。
1.所述装备进一步包括：装备采用下述方法进行不同距离区域的气体浓度监测：装备在同一点发射不同方向的两束激光，对不同距离的反射点A和B进行测量；设测得反射点A的距离为LA，气体平均浓度为MA，测得反射点B的距离为LB，气体平均浓度为MB，则A点到B点距离区域的气体浓度可用近似表示。
2.所述装备进一步包括：装备为防爆型设备。
3.所述装备进一步包括：装备的激光发射器采用一个可调谐半导体激光器；可调谐半导体激光器受控制处理单元控制，发出不同波长的激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号得到相应的气体浓度。
4.所述装备进一步包括：装备的激光发射器也可采用多个可调谐半导体激光器；每个可调谐半导体激光器发出的激光波长在某个相对固定的波长范围内；控制处理单元控制各可调谐半导体激光器发射激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号得到各气体浓度。
5.所述装备进一步包括：装备的激光发射器可发射包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸收峰值的波长范围的激光。
6.所述装备进一步包括：装备的通信接口包括无线通信接口。
附图说明
图1矿井灾后环境气体遥感装备实施方案1组成示意图。
图2矿井灾后环境气体遥感装备实施方案1原理示意图。
图3矿井灾后环境气体遥感装备实施方案2组成示意图。
图4矿井灾后环境气体遥感装备实施方案2原理示意图。
图5信号发生器原理示意图。
图6数字鉴相器原理示意图。
图7矿井灾后环境气体遥感装备工作流程图。
具体实施方式
所述遥感装备的具体实施方式1如图1所示，装备组成包括：
1.控制处理单元(101)：负责控制激光发射器(110)发射激光；处理激光接收器(116)返回的信号获得气体浓度和反射物距离；控制通信接口(120)进行通信；控制显示屏(121)显示；接收按键(122)的操作信号并进行相应的处理。控制处理单元具体包括：
1)核心处理器(102)，可采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微处理器，；S3C2440具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口；通过UART接口与数字鉴相器(204)连接通信；，使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信。
2)电源与时钟模块(103)，包括DC电压转换和时钟管理元件，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为所有芯片供电；选用12MHz晶振。
3)存储模块(104)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。
4)信号发生器(105)，负责产生用于控制激光发射器发射用于气体浓度监测的调制锯齿波控制信号，具体结构及工作原理在图5进行说明。
5)多路数据选择器(106)，负责信号发生器(105)与多路激光器之间的选通，采用CD4051BC双向模拟开关，由核心处理器(102)的3个I/O口控制选通，1个I/O口控制开关；COMMON IN/OUT口与信号发生器(105)连接，4个IN/OUT口分别连接不同可调谐半导体激光器(111)。
6)锁相环放大器(107)，负责提取气体吸收信号的一次、二次谐波，利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声，提高信噪比，可采用如LIA-MV-150的锁相放大器模块。
7)模数转换器(108)，负责将锁相放大器解调出的一次、二次模拟信号转换成数字信号，可采用ADS8364 16位多通道A/D转换器芯片，具有6个全差分输入通道。
8)数字鉴相器(109)，负责处理接收到的测距信号，将接收信号与发送控制信号进行比对，获得信号间的相位差，并将相位差以数据方式通过接口传送给核心处理器。数字鉴相器具体结构及工作原理在图6进行说明。
2.激光发射器(110)，负责测距及气体监测的激光信号的发射，具体组成包括：
1)可调谐半导体激光器(111)，可发出所监测气体某吸收峰值波长的激光，不同气体采用不同波长的可调谐半导体激光器，甲烷1650nm、一氧化碳2240nm、二氧化碳2000nm、氧气760nm，可采用蝶形可调谐半导体激光器，蝶形可调谐半导体激光器集成TEC电流温度控制半导体元件，例如SAF117XS系列。
2)合光器(112)，采用光纤合波器将不同波长的激光合成一束，本装备各可调谐半导体激光器采用分时发射，所以输出端在某一时刻也只有一个波长的激光输出。
3)光纤(113),由于要传输不同波长的激光，光纤采用多模光纤。
4)准直器(114)，控制激光定向发射而在空间形成的一条光束，采用FC接口光纤激光准直透镜。
3.可见激光发射器(115)，用于发射可见激光束，通过可见光斑为使用者指示反射面位置，采用光斑直径6mm的红色激光二极管。
4.激光接收器(116)，负责接收激光信号，将激光信号转换为电信号，具体组成包括：
1)接收透镜(117)，负责将反射回来的激光聚集至光电探测器。
2)暗室(118)，采用密闭筒型结构，内壁涂吸光材料。
3)光电探测器(119)，负责将接收到的激光信号转换为电信号，包括光接收元件和放大电路；光接收元件采用InGaAs PIN光电二极管，放大电路主要元件采用AD603,并联两个电压跟随器分别连接锁相环放大器(107)和数字鉴相器(109)。
5.通信接口(120)，用于监测数据传输，通信接口具体包括：
1.有线通信接口(121),主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的单芯片以太网MAC控制器，上层的网络协议由核心处理器的内置Linux驱动支持。DM9000支持10/100M自适应，支持3.3V与5V的电源电压。DM9000通过网络隔离变压器接口芯片YL18-1080S连接RJ45网络接口，实现对网络的物理连接进行通信。
2.无线通信接口(122),采用标准USB接口的Wifi无线网卡，在系统、USB口驱动及Wifi无线网卡驱动程序支持下实现网络通信服务。
6.显示屏(123)，负责监测数据显示，数据可通过文字或图表形式显示，三维空间气体浓度数据通过透视模型图方式显示，不同颜色代表不同气体浓度。显示屏采用3.5寸彩色LCD屏，分辨率480x800，由Linux自带显示驱动程序驱动。
7.按键(124)，用于人机交互，包括装备开关键、监测启动键、功能设定操作键。
8.温度遥感监测单元(125)，可采用红外测温仪DT8012B，可对监测区域进行远距离温度监测，监测方向与可见激光发射器(115)发射的可见激光束方向一致，模拟信号输出接口连接核心处理器(102)S3C2440的A/D转换接口。
图2所示为所述装备实施方式1的结构示意图。
图3为矿井灾后环境气体遥感装备实施方案2组成示意图，图4所示为实施方式2的原理示意图。实施方式2主要组成与实施方案1基本相同，不同在于激光发射器(110)，本方案采用一个可发出多种波长的可调谐半导体激光器(111)，用于测量不同气体浓度，可采用类似IBSG-TO5TEC系列的可调谐半导体激光器，该可调谐半导体激光器同样集成TEC电流温度控制半导体元件；由于不需复用发射端口，所以不需要合光器(112)；由于采用TO封装，激光头直接发射，所以不需光纤(113)和准直器(114)。
图5为信号发生器原理组成示意图，主要包括：
1. DDS发生器(501)，负责产生测距控制正弦波信号或气体浓度监测所需的正弦调制信号，采用AD9835直接数字式频率合成器，由核心处理器(102)通过SPI接口通信控制信号频率变化。
2.滤波电路(503)，用于信号滤波，采用高阻抗低噪声运放LF353，输出测距控制正弦波信号或气体浓度监测所需的正弦调制信号。
3. D/A转换(502)，受核心处理器处理(102)控制产生锯齿波信号，采用D/A转换芯片DAC0832。
4.加法器(504)，负责将锯齿波信号和调制正弦波信号合成为调制正弦波信号，用于控制可调谐半导体激光器，采用加法器芯片LM107。
5.比较器(505)，负责将载波正弦信号转换为同频同相的方波信号，采用比较器芯片LM393。
6.倍频电路(506)，负责产生为载波正弦信号倍频的方波信号，由锁相环芯片HEF4046和计数器芯片CD4520构成。
图6为数字鉴相器组成示意图，数字鉴相器有两路输入，一路是由信号发生器产生的与调制正弦波信号同频同相的主振信号，另一路是由激光接收单元转换而来接收电信号。数字鉴相器电路包括一个本振信号发生器(601)，本振信号发生器产生一个比主振信号频率略低的本振信号；本振信号发生器通过混频器(602)将本振信号与接收电信号进行混频,得到低频信号,此低频信号携带了调制激光在往返过程中产生的相位差；数字鉴相器通过另一个混频器(603)将主振信号与本振信号进行混频,得到另一个混频信号，将两路混频器输出的混频信号送入测相器(604)进行相位差测量，得到相位差数据。数字鉴相器组成主要包括：
1.本振信号发生器(601)，输出频率9.99MHz，采用压控晶体振荡器CVCSO-914-0010。
2.混频器(602)和混频器(603)，采用模拟乘法器芯片MC1496。
3.测相器(604)，采用高精度时间测量芯片，如TDC一GP1。
图7为所述装备工作流程图，主要步骤包括：
1.(701)，当按键(120)的监测键被按下，核心处理器(102)接收到信号，启动一次监测过程。
2.(702)，首先进行激光测距，核心处理器(102)控制信号发生器(105)产生10M正弦波信号。
3.(703)，实施方案1中，正弦波信号经过多路数据选择器(106)进行选路，以驱动相应的可调谐半导体激光器发出激光，激光经过合光器(112)、光纤(113)和准直器(114)发射出去；实施方案2中，正弦波信号直接驱动可调谐半导体激光器(111)发出用于探测距离的激光。
4.(704)，测距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(113)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(115)，光电探测器(115)将接收到的激光信号转换为电信号。
5.(705)，数字鉴相器(108)处理接收到的测距电信号，经放大、混频等处理后，获得与发送控制信号间的相位差，相位差以数据方式通过接口传送给核心处理器。
6.(706)，核心处理器(102)接收相位差数据，根据相位差获得装备与反射物之间的距离。
7.(707)，核心处理器(102)控制信号发生器发出50Hz的锯齿波信号并用50kHz的正弦信号进行调制。
8.(708)经调制的锯齿波信号驱动可调谐半导体激光器(111)发出扫过某一种气体吸收峰值波长范围的激光。两种实施发射过程与(703)相同。
9.(709)，激光穿过被测区域的空气遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(113)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(115)，光电探测器(115)将接收到的激光信号转换为电信号。
10.(710)，锁相环放大器(106)接收电信号，并分时接收信号发生器提供的调制信号及调制信号的倍频信号，经处理提取分时得到的一次、二次谐波信号。
11.(711)，模数转换器(107)将一次、二次谐波信号数字化。
12.(712)，核心处理器(102)接收一次、二次谐波信号的数据，处理得到所经光路上的所测气体的积分浓度。
13.(713)，判断是否监测完所有种类的气体，如未监测完执行(714)，如已监测完执行(715)。
14.(714)核心处理器控制转换监测另一种气体浓度，重复(707)至(712)的气体浓度测量过程。
15.(715)，启动定时器，如在5秒内监测键没有被按下则返回执行(702),否则执行(716)。
16.(716)，核心处理器处理(102)根据所有获得的距离和各气体浓度，获得不同距离区域的各气体浓度数据。
17.(717)，核心处理器处理(102)采集温度遥感监测单元(125)输出的温度信号。
18.(718)，核心处理器处理(102)通过通信接口(116)上传不同距离区域的各气体浓度数据和温度数据，并通过显示屏显示数据。
Claims (7)
1.一种矿井灾后环境气体遥感装备，其特征在于：装备主要包括激光发射器、激光接收器、控制处理单元、显示屏、通信接口、温度遥感监测单元和可见激光发射器；装备采用开放气室，可对环境中多种气体浓度和环境温度进行遥感监测；可见激光发射单元负责发射与激光发射器发射方向相同的可见激光；装备具有激光测距功能；通过相应的测量方法和算法，装备可测量不同距离区域的气体浓度。
2.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备采用下述方法进行不同距离区域的气体浓度监测：装备在同一点发射不同方向的两束激光，对不同距离的反射点A和B进行测量；设测得反射点A的距离为LA，气体平均浓度为MA，测得反射点B的距离为LB，气体平均浓度为MB，则A点到B点距离区域的气体浓度可用近似表示。
3.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备为防爆型设备。
4.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备的激光发射器包括一个可调谐半导体激光器；可调谐半导体激光器受控制处理单元控制，发出不同波长的激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号得到相应的气体浓度。
5.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备的激光发射器包括多个可调谐半导体激光器；每个可调谐半导体激光器发出的激光波长在某个相对固定的波长范围内；控制处理单元控制各可调谐半导体激光器发射激光；激光接收器接收反射回来的激光，将激光信号转换为电信号，控制处理单元处理电信号得到各气体浓度。
6.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备的激光发射器可发出甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸收峰值的不同波长的激光。
7.如权利要求1所述的遥感装备，其特征在于：装备的通信接口包括无线通信接口。
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| CN201610918457.XA CN106370623B (zh) | 2016-10-21 | 2016-10-21 | 矿井灾后环境气体遥感装备 |
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ID=57895702
Family Applications (1)
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| CN201610918457.XA Active CN106370623B (zh) | 2016-10-21 | 2016-10-21 | 矿井灾后环境气体遥感装备 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107489455A (zh) * | 2017-08-19 | 2017-12-19 | 中国矿业大学 | 一种激光瓦斯遥感信号的处理装置和方法 |
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2016
- 2016-10-21 CN CN201610918457.XA patent/CN106370623B/zh active Active
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