CN113323657B - 一种井下数据传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种井下数据传输系统及方法，包括：至少一组分别安装在直线巷道两端的单光子发射接收设备；至少一个单光子发射接收设备与传感器连接；单光子发射接收设备包括电子控制设备、脉冲激光器、发射光学元件、接收光学元件、单光子雪崩二极管；直线巷道一端的单光子发射接收设备中的电子控制设备根据获取的数据控制脉冲激光器发射出单光子信号，发射光学元件将单光子信号沿直线传播至另一端的单光子发射接收设备；另一端的单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传输过来的单光子信号，通过单光子雪崩二极管探测到传输给第二电子控制设备。传输速率大，信号干扰小，减少井下通信设备和线缆的铺设，提高井下通信的便利性、可靠性和安全性。

Description

一种井下数据传输系统及方法

技术领域

本发明属于矿井信息传输技术领域，涉及一种井下数据传输系统及方法。

背景技术

目前井下数据传输方式主要分为两种，一种是有线传输，一种是无线传输。其中有线传输主要包括rs485、以太网及光纤等通信方式，有线传输的确定是需要在井下铺设线缆设备。由于以太网受到其最大传输距离的限制，因此井下通常使用rs485和光纤，而rs485不能做总线的自动仲裁，即不能同时发送数据以避免总线竞争，整个系统通信效率很低，数据冗余量较大；光纤质地脆，机械强度差，维护繁琐，光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术，分路、耦合不灵活，对井下巷道的弯曲半径有要求，且存在供电困难。对于其他一些类似于zigbee等的无线通信，也因其通信距离及强度问题，受环境影响很大而无法普及。

发明内容

为了解决相关技术中井下通信设备和线缆铺设复杂，供电困难的问题，本申请提供了一种井下数据传输系统及方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种井下数据传输系统，所述井下数据传输系统包括：至少一组分别安装在直线巷道两端的单光子发射接收设备，所述直线巷道为光能够沿直线传播的巷道；系统中至少一个单光子发射接收设备与传感器连接，用于传输传感器采集的数据；

所述单光子发射接收设备包括电子控制设备、脉冲激光器、发射光学元件、接收光学元件、单光子雪崩二极管；所述电子控制设备的输出端依次与所述脉冲激光器和所述发射光学元件连接，所述电子控制设备的输入端依次与所述单光子雪崩二极管和所述接收光学元件连接；

直线巷道第一端的单光子发射接收设备中的第一电子控制设备用于接收传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备传输过来的数据，利用单光子的不同光强度，根据获取的数据控制脉冲激光器发射出单光子信号，所述单光子信号通过发射光学元件传播，传播的单光子信号沿直线传播至直线巷道第二端的单光子发射接收设备；

直线巷道第二端的单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传输过来的单光子信号，通过单光子雪崩二极管探测到，传输给第二电子控制设备用于将信号还原为原始数据或进行信号的中继转发。

可选的，所述电子控制设备包括二进制编码解码器、计数器、甄别器、放大器、光电倍增管；

所述二进制编码解码器与所述电子控制设备的输出端连接，所述光电倍增管的输入端与所述电子控制设备的输入端连接，所述光电倍增管的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述甄别器的输入端连接，所述甄别器的输出端与所述计数器的输入端连接，所述计数器的输出端与所述二进制编码解码器连接；

传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备传输过来的数据传输至所述二进制编码解码器，所述二进制编码解码器用于对传感器采集的数据进行二进制编码；所述光电倍增管用于将光信号转换为电信号；所述放大器用于对电信号进行信号放大；所述甄别器用于将设备恢复到接收光子的状态；所述计数器用于统计单位时间内按照二进制编码的单光子脉冲流；所述二进制编码解码器还用于根据计数器统计的数据还原出原始数据。

可选的，所述二进制编码解码器与外部的计算机连接，用于将接收还原的数据传输给外部的计算机进行数字输出。

可选的，所述单光子发射接收设备的布置位置还包括巷道交叉点位置和巷道拐角位置。

可选的，所述单光子发射接收设备根据所述发射光学元件的功率确定直线巷道上相邻设备的间隔距离；所述单光子发射接收设备的布置位置还包括根据间隔距离确定的位于直线巷道上的位置。

可选的，所述单光子发射接收设备根据传感器的位置就近安装。

可选的，每个单光子发射接收设备作为发射装置向相邻的单光子发射接收设备传输单光子信号，以及，作为接收装置接收相邻的单光子发射接收设备传输过来的单光子信号。

第二方面，本申请还提供一种井下数据传输方法，应用于如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的井下数据传输系统中，直线巷道第一端用作发射装置的单光子发射接收设备为第一单光子发射接收设备，直线巷道第二端用作接收装置的单光子发射接收设备为第二单光子发射接收设备，所述井下数据传输方法包括：

通过所述第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据，所述原始数据包括传感器采集的数据以及从其他单光子发射接收设备传输过来的数据；

通过所述第一单光子发射接收设备中的第一电子控制设备控制脉冲激光器在预定单位时间内按照二进制编码发射单光子脉冲流，由发射光学元件传播出去；

通过所述第二单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传播过来的单光子脉冲流，由单光子雪崩二极管探测到后传输给第二电子控制设备；

通过所述第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据。

可选地，所述通过所述第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据，包括：

通过第一电子控制设备中的第一二进制编码解码器将原始数据转换为二进制编码数据；

所述通过所述第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据，包括：

通过所述第二电子控制设备中的光电倍增管将探测到的单光子脉冲流转换为光电流信号；

通过所述第二电子控制设备中的放大器对转换的光电流信号进行放大；

通过所述第二电子控制设备中的甄别器进行电阻放电，恢复到接收光子的状态，完成一次计数过程；

通过所述第二电子控制设备中的计数器统计单位时间内通过的光子数；

通过所述第二电子控制设备中的第二二进制编码解码器将二进制数据还原为原始数据。

本申请至少可以实现如下有益效果：

通过直线巷道两端的单光子发射接收设备，由第一端的单光子发射接收设备将数据转换为二进制数据，通过单光子信号携带传输数据，传输至第二端的单光子发射接收设备，将接收到的二进制数据还原成原始数据，实现了井下巷道中的自由空间信道通信，不需要额外的通信传输介质，就可以直接传输信号内容，不仅具备光纤传输的优点，传输速率大，信号干扰小，抗电磁干扰，传输质量佳，而且避免了光纤的缺点，不需要安装额外的通信传输介质，减少井下通信设备和线缆的铺设，减少供电设备，降低因通信设备过多导致的火灾事故隐患，提高煤矿安全性，提高了煤矿井下通信的便利性和可靠性。

另外，通过在巷道交叉点位置和巷道拐角位置布置单光子发射接收设备，可以避免携带数据的单光子信号无法在交叉点和拐角继续传播，保证了数据传输的可靠性。

另外，通过按照发射光学元件的功率确定出的间隔距离布置单光子发射接收设备，可以避免因直线巷道距离过长导致的单光子信号无法传输至另一端的单光子发射接收设备，保证了数据传输的可靠性。

另外，通过根据传感器的位置就近安装单光子发射接收设备，可以减少单光子发射接收设备与传感器之间的接线距离，避免在巷道中布置太长的信号传输线缆，解决了线缆布置以及线缆暴露损坏导致信号无法及时传输的隐患。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的井下数据传输系统的示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的单光子发射接收设备的结构框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

量子通信中有三项核心技术，分别是单光子源技术、量子编码和传输技术，单光子检测技术。量子通信的信道有光纤信道和自由空间信道两种，本申请提供的井下数据传输系统采用自由空间信道。光通信中的每一个光子，即光的粒子，都代表了一部分计算机运算的二进制代码，单光子脉冲技术能够以足够快的速度携带和传输大量数据。

图1是本申请一个实施例中提供的井下数据传输系统的示意图，本申请提供的井下数据传输系统包括：至少一组分别安装在直线巷道两端的单光子发射接收设备10，直线巷道为光能够沿直线传播的巷道；系统中至少一个单光子发射接收设备10与传感器连接，用于传输传感器采集的数据。

煤矿井下设有瓦斯传感器、红外甲烷传感器、一氧化碳传感器等，用来收集煤矿巷道的信息，单光子发射接收设备10接收这些传感器数据后可以传输至井上的监控系统。

结合参考图2，单光子发射接收设备10包括电子控制设备11、脉冲激光器12、发射光学元件13、接收光学元件14、单光子雪崩二极管15；电子控制设备11的输出端依次与脉冲激光器12和发射光学元件13连接，电子控制设备11的输入端依次与单光子雪崩二极管15和接收光学元件14连接。

直线巷道第一端的单光子发射接收设备10中的第一电子控制设备用于接收传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备10传输过来的数据，利用单光子的不同光强度，根据获取的数据控制脉冲激光器发射出单光子信号，单光子信号通过发射光学元件传播，传播的单光子信号沿直线传播至直线巷道第二端的单光子发射接收设备10。

直线巷道第二端的单光子发射接收设备10中的接收光学元件捕获传输过来的单光子信号，通过单光子雪崩二极管探测到，传输给第二电子控制设备用于将信号还原为原始数据或进行信号的中继转发。

如图2所示，电子控制设备11包括二进制编码解码器111、计数器112、甄别器113、放大器114、光电倍增管115。

二进制编码解码器111与电子控制设备11的输出端连接，光电倍增管115的输入端与电子控制设备11的输入端连接，光电倍增管115的输出端与放大器114的输入端连接，放大器114的输出端与甄别器113的输入端连接，甄别器113的输出端与计数器112的输入端连接，计数器112的输出端与二进制编码解码器111连接。

传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备传输过来的数据传输至二进制编码解码器111，二进制编码解码器111用于对传感器采集的数据进行二进制编码；光电倍增管115用于将光信号转换为电信号；放大器114用于对电信号进行信号放大；甄别器113用于将设备恢复到接收光子的状态；计数器112用于统计单位时间内按照二进制编码的单光子脉冲流；二进制编码解码器111还用于根据计数器统计的数据还原出原始数据。

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。

对于作为接收方的单光子发射接收设备10，当有光子进入时，会产生uA甚至mA级别的光电流，由于任何光子或噪声都将产生雪崩效应，会影响对每个光子之间的检测，需要电路来抑制雪崩，甄别器或者采用比较器可以利用其中的结电容和分布电容通过电阻放电，然后停止恢复到接收光子的状态，这样即为一次计数。

可选的，二进制编码解码器111与外部的计算机连接，用于将接收还原的数据传输给外部的计算机进行数字输出。

每个单光子发射接收设备10根据传输数据的目的确定是否要进行数据还原，还是只进行中继转发，在实际应用中通常是最后的目的地设备对数据进行数据还原，中途的设备接收到信号需要进行计数，以便过滤放大信号并进行转发。

目的地设备可以是计算机，包括井上的监控设备和井下的分站设备，分站设备是设置在井下的小型计算机设备，用于收集数据进行报警或驱动其他第三方报警设备，以及对其他设备进行断电控制。分站设备可以安装在井下的任意位置，在实际应用中，为了减少单光子发射接收设备10与分站设备的连接距离，也可以在分站设备附近布置单光子发射接收设备10。

在井下巷道的实际布置中，考虑到光线无法直线传播的位置，单光子发射接收设备10的布置位置还包括巷道交叉点位置和巷道拐角位置。

由于光的发射装置的发光距离有限制，单光子发射接收设备10根据发射光学元件13的功率确定直线巷道上相邻设备的间隔距离；单光子发射接收设备10的布置位置还包括根据间隔距离确定的位于直线巷道上的位置。

为了减少传感器与单光子发射接收设备之间的连接距离，单光子发射接收设备10根据传感器的位置就近安装。

在整个系统中，每个单光子发射接收设备10作为发射装置向相邻的单光子发射接收设备10传输单光子信号，以及，作为接收装置接收相邻的单光子发射接收设备10传输过来的单光子信号。

井下的分站设备、井上的监控设备与布置在井下的各个单光子发射接收设备10构成完整的数据网络，通过各个单光子发射接收设备10对数据的发射和接收的传输接力，最终将数据传遍整个数据网络。可以实现自由空间信道通信，单光子发射接收设备10之间不需要额外的通信传输介质，在能直线传播的巷道两端安装单光子发射接收设备10，可以直接传输信号内容，不仅传输速率大，信号干扰小，抗电磁干扰，传输质量佳，而且不需要额外的通信传输介质，减少供电设备，提高煤矿安全性。

综上所述，本申请提供的井下数据传输系统，通过直线巷道两端的单光子发射接收设备，由第一端的单光子发射接收设备将数据转换为二进制数据，通过单光子信号携带传输数据，传输至第二端的单光子发射接收设备，将接收到的二进制数据还原成原始数据，实现了井下巷道中的自由空间信道通信，不需要额外的通信传输介质，就可以直接传输信号内容，不仅具备光纤传输的优点，传输速率大，信号干扰小，抗电磁干扰，传输质量佳，而且避免了光纤的缺点，不需要安装额外的通信传输介质，减少井下通信设备和线缆的铺设，减少供电设备，降低因通信设备过多导致的火灾事故隐患，提高煤矿安全性，提高了煤矿井下通信的便利性和可靠性。

另外，通过在巷道交叉点位置和巷道拐角位置布置单光子发射接收设备，可以避免携带数据的单光子信号无法在交叉点和拐角继续传播，保证了数据传输的可靠性。

另外，通过按照发射光学元件的功率确定出的间隔距离布置单光子发射接收设备，可以避免因直线巷道距离过长导致的单光子信号无法传输至另一端的单光子发射接收设备，保证了数据传输的可靠性。

另外，通过根据传感器的位置就近安装单光子发射接收设备，可以减少单光子发射接收设备与传感器之间的接线距离，避免在巷道中布置太长的信号传输线缆，解决了线缆布置以及线缆暴露损坏导致信号无法及时传输的隐患。

本申请还提供一种井下数据传输方法，应用于如图1所示的井下数据传输系统中，直线巷道第一端用作发射装置的单光子发射接收设备为第一单光子发射接收设备，直线巷道第二端用作接收装置的单光子发射接收设备为第二单光子发射接收设备，该井下数据传输方法包括以下步骤。

第一步，通过第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据。

原始数据包括传感器采集的数据以及从其他单光子发射接收设备传输过来的数据。

结合参考图2，通过第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据，具体实现为：通过第一电子控制设备中的第一二进制编码解码器将原始数据转换为二进制编码数据。

在发送方对需要传输的信息采用二进制码组来编码表示，然后使用单光子发射器在一定的单位时间内按照二进制编码来发射单光子脉冲流。

第二步，通过第一单光子发射接收设备中的第一电子控制设备控制脉冲激光器在预定单位时间内按照二进制编码发射单光子脉冲流，由发射光学元件传播出去。

第三步，通过第二单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传播过来的单光子脉冲流，由单光子雪崩二极管探测到后传输给第二电子控制设备。

第四步，通过第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据。

结合参考图2，通过第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据，具体实现为以下步骤：通过第二电子控制设备中的光电倍增管将探测到的单光子脉冲流转换为光电流信号；通过第二电子控制设备中的放大器对转换的光电流信号进行放大；通过第二电子控制设备中的甄别器进行电阻放电，恢复到接收光子的状态，完成一次计数过程；通过第二电子控制设备中的计数器统计单位时间内通过的光子数；通过第二电子控制设备中的第二二进制编码解码器将二进制数据还原为原始数据。

接收方利用单光子计数器来统计在单位时间内通过的光子数，即光子能量R来表示对应二进制中的0和1，从而在接收方还原出发送方所发送的原始信息内容。

综上所述，本申请提供的井下数据传输方法，通过直线巷道两端的单光子发射接收设备，由第一端的单光子发射接收设备将数据转换为二进制数据，通过单光子信号携带传输数据，传输至第二端的单光子发射接收设备，将接收到的二进制数据还原成原始数据，实现了井下巷道中的自由空间信道通信，不需要额外的通信传输介质，就可以直接传输信号内容，不仅具备光纤传输的优点，传输速率大，信号干扰小，抗电磁干扰，传输质量佳，而且避免了光纤的缺点，不需要安装额外的通信传输介质，减少井下通信设备和线缆的铺设，减少供电设备，降低因通信设备过多导致的火灾事故隐患，提高煤矿安全性，提高了煤矿井下通信的便利性和可靠性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种井下数据传输系统，其特征在于，所述井下数据传输系统包括：至少一组分别安装在直线巷道两端的单光子发射接收设备，所述直线巷道为光能够沿直线传播的巷道；系统中至少一个单光子发射接收设备与传感器连接，用于传输传感器采集的数据；

所述单光子发射接收设备包括电子控制设备、脉冲激光器、发射光学元件、接收光学元件、单光子雪崩二极管；所述电子控制设备的输出端依次与所述脉冲激光器和所述发射光学元件连接，所述电子控制设备的输入端依次与所述单光子雪崩二极管和所述接收光学元件连接；

直线巷道第一端的单光子发射接收设备中的第一电子控制设备用于接收传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备传输过来的数据，利用单光子的不同光强度，根据获取的数据控制脉冲激光器发射出单光子信号，所述单光子信号通过发射光学元件传播，传播的单光子信号沿直线传播至直线巷道第二端的单光子发射接收设备；

直线巷道第二端的单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传输过来的单光子信号，通过单光子雪崩二极管探测到，传输给第二电子控制设备用于将信号还原为原始数据或进行信号的中继转发。

2.根据权利要求1所述的井下数据传输系统，其特征在于，所述电子控制设备包括二进制编码解码器、计数器、甄别器、放大器、光电倍增管；

所述二进制编码解码器与所述电子控制设备的输出端连接，所述光电倍增管的输入端与所述电子控制设备的输入端连接，所述光电倍增管的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述甄别器的输入端连接，所述甄别器的输出端与所述计数器的输入端连接，所述计数器的输出端与所述二进制编码解码器连接；

传感器采集的数据或其他单光子发射接收设备传输过来的数据传输至所述二进制编码解码器，所述二进制编码解码器用于对传感器采集的数据进行二进制编码；所述光电倍增管用于将光信号转换为电信号；所述放大器用于对电信号进行信号放大；所述甄别器用于将设备恢复到接收光子的状态；所述计数器用于统计单位时间内按照二进制编码的单光子脉冲流；所述二进制编码解码器还用于根据计数器统计的数据还原出原始数据。

3.根据权利要求2所述的井下数据传输系统，其特征在于，所述二进制编码解码器与外部的计算机连接，用于将接收还原的数据传输给外部的计算机进行数字输出。

4.根据权利要求1所述的井下数据传输系统，其特征在于，所述单光子发射接收设备的布置位置还包括巷道交叉点位置和巷道拐角位置。

5.根据权利要求4所述的井下数据传输系统，其特征在于，所述单光子发射接收设备根据所述发射光学元件的功率确定直线巷道上相邻设备的间隔距离；所述单光子发射接收设备的布置位置还包括根据间隔距离确定的位于直线巷道上的位置。

6.根据权利要求5所述的井下数据传输系统，其特征在于，所述单光子发射接收设备根据传感器的位置就近安装。

7.根据权利要求1至6任一所述的井下数据传输系统，其特征在于，每个单光子发射接收设备作为发射装置向相邻的单光子发射接收设备传输单光子信号，以及，作为接收装置接收相邻的单光子发射接收设备传输过来的单光子信号。

8.一种井下数据传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一所述的井下数据传输系统中，直线巷道第一端用作发射装置的单光子发射接收设备为第一单光子发射接收设备，直线巷道第二端用作接收装置的单光子发射接收设备为第二单光子发射接收设备，所述井下数据传输方法包括：

通过所述第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据，所述原始数据包括传感器采集的数据以及从其他单光子发射接收设备传输过来的数据；

通过所述第一单光子发射接收设备中的第一电子控制设备控制脉冲激光器在预定单位时间内按照二进制编码发射单光子脉冲流，由发射光学元件传播出去；

通过所述第二单光子发射接收设备中的接收光学元件捕获传播过来的单光子脉冲流，由单光子雪崩二极管探测到后传输给第二电子控制设备；

通过所述第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据。

9.根据权利要求8所述的井下数据传输方法，其特征在于，应用于如权利要求2所述的井下数据传输系统中，所述通过所述第一单光子发射接收设备将原始数据转换为二进制编码数据，包括：

通过第一电子控制设备中的第一二进制编码解码器将原始数据转换为二进制编码数据；

所述通过所述第二单光子发射接收设备统计单位时间内通过的光子数，根据统计的数据还原出原始数据，包括：

通过所述第二电子控制设备中的光电倍增管将探测到的单光子脉冲流转换为光电流信号；

通过所述第二电子控制设备中的放大器对转换的光电流信号进行放大；

通过所述第二电子控制设备中的甄别器进行电阻放电，恢复到接收光子的状态，完成一次计数过程；

通过所述第二电子控制设备中的计数器统计单位时间内通过的光子数；

通过所述第二电子控制设备中的第二二进制编码解码器将二进制数据还原为原始数据。

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