CN107884363B - 一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法 - Google Patents

一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法，所述方法将机器视觉技术和激光技术相结合，通过激光器发射激光实现对目标区域内某目标点的气体浓度进行测量，同时，通过对目标区域气体空间状态的激光视场成像和实时光谱数据的采集，将得到的视场图像和光谱数据通过相应的算法，分析得到气体浓度的动态变化趋势，并根据气体浓度的高低分布，分析得到风向，从而计算气体目标点气体的流动速度和预判下一时刻气体浓度，进行气体实时运动分析。解决现有的测量方法在有害气体浓度有明显聚增趋势时，不能及时准确的判断出来，对井下安全生产和工作人员造成潜在危害的问题。

Description

一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法
技术领域
本发明涉及一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法。
背景技术
煤炭被誉为“乌金”，在我国能源供给中占据主要地位。煤炭开采面临的危险也多种多样，如瓦斯、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。井下灾害气体监测预警一直是煤矿安全监测领域研究的重要方向，对煤矿安全生产和指导灾后应急救援具有重要意义。
对井下灾害气体的遥感监测，一方面保证了煤矿井下安全生产的顺利进行；另一方面对灾后应急救援的顺利开展，具有一定的指导作用。现有的井下灾害气体监测方法主要有催化传感器、气相色谱法以及红外法等。催化传感器容易受到环境影响，不稳定；气相色谱法成本高，不利于操作；红外法受水蒸气、煤尘以及背景气体的影响较大，安装和维护困难，普及应用困难。
现有的煤矿井下灾害气体测量方法中，当气体浓度较低不需要报警，但是气体浓度有明显聚增趋势时，不能及时准确的判断出来，对井下安全生产和工作人员造成潜在的危害，且现有的测量方法都无法将气体运动情况可视化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法，本发明可遥感监测较远距离范围内的气体浓度值，既可以实时获取气体浓度、又能动态分析下一时刻气体浓度变化趋势以及将这种变化趋势可视化、定位有害气体位置，当有害气体浓度有明显聚增趋势时，能及时准确的判断出来，大大提高了井下安全生产和工作人员的人身安全，用以解决现有的测量方法在有害气体浓度有明显聚增趋势时，不能及时准确的判断出来，对井下安全生产和工作人员造成潜在危害的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法，所述方法将机器视觉技术和激光技术相结合，通过激光器发射激光实现对目标区域内某目标点的气体浓度进行测量，同时，通过对目标区域气体空间状态的激光视场成像和实时光谱数据的采集，将得到的视场图像和光谱数据通过相应的算法，分析得到气体浓度的动态变化趋势，并根据气体浓度的高低分布，分析得到风向，从而计算气体目标点气体的流动速度和预判下一时刻气体浓度，进行气体实时运动分析；
具体的遥测方法如下：
(1)设定矿井内气体浓度从突出到异常的预报警值和报警阈值；
(2)实时发送激光信号到待测目标区域，测量目标区域内目标点的气体流动速度以及目标点的气体浓度；
(3)采集目标气体被激光照射区域的图像和光谱信息，通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，得到气体浓度的动态变化趋势，从而确定风向；
(4)根据目标点的气体浓度、风向变化规律、时间差推断得到某一时刻气体的浓度；
(5)记录每个时刻的气体浓度，并对下一时刻气体浓度进行预判，若判定下一时刻气体的浓度超过设定的预报警值时，对相应目标区域的气体进行预报警；
(6)若判定当前时刻的气体浓度超过设定的浓度阈值时，对相应目标区域的气体进行报警。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，将气体的动态变化趋势在显示器上显示，且同一气体通过不同颜色来显示浓度的高低变化。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述的步骤(5)中，对下一时刻气体浓度进行预判的方法为：设在测量过程中风速不变，则气体浓度变化率保持不变，在tA时刻的浓度表示为vA，气体浓度从零时刻到tA时刻的变化率表示为：设下一时刻tA+1的气体浓度为νA+1，浓度变化率表示为：/>得出tA+1时刻的气体浓度为：
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述步骤(2)中，目标点气体浓度测量方法为：目标区域的气体选择性吸收接收到的激光信号，携带气体浓度的激光信号被转换为相应的电信号，并经过降噪和放大处理，提取出其中含有气体浓度信号的谐波信号，并最终反演出气体浓度值。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述步骤(2)中，目标点气体流动速度测量方法为：由于发出的激光信号的入射光频率与接收到的激光信号的散射光频率存在频率偏移，根据入射光与散射光的频差，通过计算得到气体流动速度。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述的遥测方法通过望远镜成像，将摄像头安装在望远镜目镜位置上，所述望远镜遥测获取不同距离目标区域的气体，得到的气体空间分布情况呈现在摄像头上，摄像头获取来自望远镜的图像信息。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述的遥测方法由光谱仪配合摄像头完成视场范围内的图像采集，摄像头获取得到的信息传递给光谱仪，光谱仪采集光谱数据，通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，最终反演出视场范围内气体的空间状态浓度，并以彩色分布图的方式在显示屏上动态显示。
进一步地，根据本发明所述的激光矿井气体遥测方法，所述的遥测方法设置有定位模块，实时反馈监测到的有害气体区域的位置信息，实现对有害气体区域的实时位置定位。
本发明达到的有益效果：本发明可遥感监测较远距离范围内的气体浓度值，可以实时获取气体浓度、动态分析和实时图形显示下一时刻气体变化、实时定位有害气体位置，当有害气体浓度有明显聚增趋势时，能及时准确的判断出来，大大提高了井下安全生产和工作人员的人身安全。
附图说明
图1是本发明机器视觉技术与激光技术相结合的原理示意图；
图2是本发明机器视觉技术与激光技术相结合的原理图；
图3是本发明的遥测流程图。
图2中，101为报警器，102为显示器，103为按键，104为控制处理器，105为光谱仪，106为摄像头，107为激光器，108为可调焦望远镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的方法将机器视觉技术和激光技术相结合，通过激光器发射激光实现对目标区域内某目标点的气体浓度进行测量，同时，通过摄像头完成对目标区域气体空间状态的激光视场成像，并通过光谱仪实时采集光谱数据，将得到的视场图像和光谱数据通过相应的算法，分析得到气体浓度的动态变化趋势，并根据气体浓度的高低分布，分析得到风向，从而计算气体目标点气体的流动速度和预判下一时刻气体浓度。
具体的遥测方法如下：
1，设定矿井内气体浓度从突出到异常的预报警值和报警阈值；
2，如图1所示，通过激光源实时发送激光信号到待测目标区域，测量目标区域内目标点的气体流动速度以及目标点的气体浓度；
目标区域的气体选择性吸收接收到的激光信号，携带气体浓度的激光信号被转换为相应的电信号，并经过降噪和放大处理，提取出其中含有气体浓度信号的谐波信号，并最终反演出气体浓度值。由于发出的激光信号的入射光频率与接收到的激光信号的散射光频率存在频率偏移，根据入射光与散射光的频差，通过计算得到气体流动速度。
3，采集目标气体被激光照射区域的图像和光谱信息，通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，得到气体浓度的动态变化趋势，从而确定风向；
如图1所示，将摄像头安装在望远镜目镜位置上，通过望远镜成像，所述望远镜采用可调焦望远镜，可遥测获取不同距离目标区域的气体，将得到的气体空间分布情况呈现在摄像头上，摄像头获取来自望远镜的图像信息。同时，摄像头获取得到的信息传递给光谱仪，光谱仪采集光谱数据，并发送给控制处理单元，控制处理单元通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，最终反演出视场范围内气体的空间状态浓度，并以彩色分布图的方式在显示屏上动态显示，且同一气体通过不同颜色来显示浓度的高低变化。
4，根据目标点的气体浓度、风向变化规律、时间差推断得到某一时刻气体的浓度，具体方法为：
设在测量过程中风速不变，则气体浓度变化率保持不变，在tA时刻的浓度表示为vA，气体浓度从零时刻到tA时刻的变化率表示为：设下一时刻tA+1的气体浓度为νA+1，浓度变化率表示为：/>得出tA+1时刻的气体浓度为：/>
5，记录每个时刻的气体浓度，并对下一时刻气体浓度进行预判，若判定下一时刻的气体浓度超过设定的预报警值时，对相应目标区域的气体进行预报警。
6，若判定当前时刻的气体浓度超过设定的浓度阈值时，对相应目标区域的气体进行报警。
本发明可遥感监测较远距离范围内的气体浓度值，可以实时获取气体浓度、动态分析和实时图形显示下一时刻气体变化、实时定位有害气体位置，当有害气体浓度有明显聚增趋势时，能及时准确的判断出来，大大提高了井下安全生产和工作人员的人身安全。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉技术的激光矿井气体遥测方法，其特征在于：所述方法将机器视觉技术和激光技术相结合，通过激光器发射激光实现对目标区域内某目标点的气体浓度进行测量，同时，通过对目标区域气体空间状态的激光视场成像和实时光谱数据的采集，将得到的视场图像和光谱数据通过相应的算法，分析得到气体浓度的动态变化趋势，并根据气体浓度的高低分布，分析得到风向，从而计算目标点气体的流动速度和预判下一时刻气体浓度，进行气体实时运动分析；
具体的遥测方法如下：
(1)设定矿井内气体浓度从突出到异常的预报警值和报警阈值；
(2)实时发送激光信号到待测目标区域，测量目标区域内目标点的气体流动速度以及目标点的气体浓度；
目标区域的气体选择性吸收接收到的激光信号，携带气体浓度的激光信号被转换为相应的电信号，并经过降噪和放大处理，提取出其中含有气体浓度信号的谐波信号，并最终反演出气体浓度值，由于发出的激光信号的入射光频率与接收到的激光信号的散射光频率存在频率偏移，根据入射光与散射光的频差，通过计算得到气体流动速度；
(3)采集目标气体被激光照射区域的图像和光谱信息，通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，得到气体浓度的动态变化趋势，从而确定风向；
(4)根据目标点的气体浓度、风向变化规律、时间差推断得到某一时刻气体的浓度；
(5)记录每个时刻的气体浓度，并对下一时刻气体浓度进行预判，若判定下一时刻气体的浓度超过设定的预报警值时，对相应目标区域的气体进行预报警；
对下一时刻气体浓度进行预判的方法为：设在测量过程中风速不变，则气体浓度变化率保持不变，在tA时刻的浓度表示为vA，气体浓度从零时刻到tA时刻的变化率表示为：设下一时刻tA+1的气体浓度为νA+1，浓度变化率表示为：/>得出tA+1时刻的气体浓度为：/>
(6)若判定当前时刻的气体浓度超过设定的浓度阈值时，对相应目标区域的气体进行报警。
2.根据权利要求1所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述的方法将气体的动态变化趋势在显示器上显示，且同一气体通过不同颜色来显示浓度的高低变化。
3.根据权利要求1所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，目标点气体浓度测量方法为：目标区域的气体选择性吸收接收到的激光信号，携带气体浓度的激光信号被转换为相应的电信号，并经过降噪和放大处理，提取出其中含有气体浓度信号的谐波信号，并最终反演出气体浓度值。
4.根据权利要求1所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，目标点气体流动速度测量方法为：由于发出的激光信号的入射光频率与接收到的激光信号的散射光频率存在频率偏移，根据入射光与散射光的频差，通过计算得到气体流动速度。
5.根据权利要求1所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述的遥测方法通过望远镜成像，将摄像头安装在望远镜目镜位置上，所述望远镜遥测获取不同距离目标区域的气体，得到的气体空间分布情况呈现在摄像头上，摄像头获取来自望远镜的图像信息。
6.根据权利要求5所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述的遥测方法由光谱仪配合摄像头完成视场范围内的图像采集，摄像头获取得到的信息传递给光谱仪，光谱仪采集光谱数据，通过傅里叶变换，应用计算机数值分析方法，最终反演出视场范围内气体的空间状态浓度，并以彩色分布图的方式在显示屏上动态显示。
7.根据权利要求1所述的激光矿井气体遥测方法，其特征在于，所述的遥测方法设置有定位模块，实时反馈监测到的有害气体区域的位置信息，实现对有害气体区域的实时位置定位。
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