CN113612859B - 矿井环境监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供矿井环境监测系统及其监测方法，系统部分包括第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；方法部分包括以下步骤：S1、计算测量激光束的光程距离；S2、测量待测区域的气体浓度；S3、测量待测区域的温度；本发明结合激光测距和TDLAS‑WMS气体测量方法，实现了开放式的气体遥测的距离自校准，相比于传统的模糊测量方法，大大提高了检测的精度；本发明还使用双激光器时分复用实现了气体浓度的冗余测量，具有更高的测量可靠性和测量精度；本发明在两路气体检测过程中，通过双谱线强度的比值，得到仅与温度相关的双线强比值，从而得到了测量方向的温度信息，省去了额外的测温硬件。

Description

矿井环境监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及激光光谱领域，特别涉及矿井环境监测系统及其监测方法。

背景技术

地下矿井作业是一种危险的工作，需要时刻注意是否有瓦斯泄露以及矿井温度是否过高，防止可能出现的爆炸事故。瓦斯中包含了CO，CH₄等易燃气体，为了准确地监测地下矿井是否具有爆炸的风险，可以通过测量CH₄气体浓度和温度，实现矿井环境的监测。

目前的监测方式主要使用半导体气体传感器来实现气体检测，需要待测气体弥漫于传感器周围才能被检测到。对于温度的检测，则是通过增加额外的温度传感器实现。目前的方案在使用时，对于气体检测的响应速度受到气体扩散速度的影响，因此该方案存在一定的滞后效应。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供矿井环境监测系统及其监测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种矿井环境监测系统，包括：第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；

第一激光器和第二激光器分别用于输出时分复用的第一激光束和第二激光束；第一激光器和第二激光器的出光口分别通过光纤与合束器的入光口连接，合束器用于将第一激光束和第二激光束耦合为测量激光束；光电探测器与处理器单元电连接，聚光器置于测量激光束的光路中，位于光电探测器和待测区域之间；

测量激光束穿过待测区域照射至物体表面产生漫反射，聚光器用于会聚漫反射光束，会聚后的光束被光电探测器接收；光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至处理器单元，处理器单元用于根据电信号解算待测区域的气体浓度及气体温度。

优选地，还包括电信号处理模块；电信号处理模块分别与光电探测器和处理器单元电连接，用于对光电探测器输出的电信号进行放大及数模转换。

优选地，电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器和用于进行模数转换的模数转换器；光电探测器、放大器、模数转换器和处理器单元依次顺序电连接。

优选地，还包括用于调制第一激光器的波形的第一调制波形产生器和用于调制第二激光器的波形的第二调制波形产生器；第一调制波形产生器分别与第一激光器和处理器单元电连接，第二调制波形产生器分别与第二激光器和处理器单元电连接。

优选地，还包括用于驱动第一激光器的第一恒流驱动单元和用于驱动第二激光器的第二恒流驱动单元；第一恒流驱动单元分别与第一激光器和第一调制波形产生器电连接，第二恒流驱动单元分别与第二激光器和第二调制波形产生器电连接。

优选地，还包括用于控制第一激光器的温度的第一温度控制单元和用于控制第二激光器的温度的第二温度控制单元；第一温度控制单元分别与第一激光器和处理器单元电连接，第二温度控制单元分别与第二激光器和处理器单元电连接。

一种矿井环境监测方法，应用于矿井环境监测系统，包括以下步骤：

S1、计算测量激光束的光程距离：通过处理器单元测量光电探测器接收到的光信号与测量激光束之间的相位差，根据相位差计算得到光程距离；

S2、测量待测区域的气体浓度：通过处理器单元测量光电探测器接收到的光信号的二次谐波幅值，根据二次谐波幅值和光程距离计算得到气体浓度；

根据朗伯-比尔定律，穿过待测区域的光的光强如式(1)：

其中，I为穿过待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时光电探测器接受到的光信号的强度，a(v)为待测区域的待测气体的吸收系数，v为测量激光束的频率，L为光程距离，P为待测气体的压强，ρ为待测气体的气体浓度，S*(T)为待测气体在T温度下的谱线强度，

为待测气体的展宽线型函数；

无气体吸收时光电探测器接受到的光信号的强度与测量激光束之间的关系如式(2)：

其中，Q为聚光器的口径面积，I₀为测量激光束的出射光强；

测量激光束的频率随时间变化，变化函数如式(3)：

v(t)＝v_c(t)+K sin(ωt)      (3)

其中，v_c(t)为锯齿波调制项，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；

根据式(3)，洛伦兹线型的展宽线性函数如式(4)：

其中，Δv为展宽频率；

将式(2)-(4)代入式(1)得式(5)：

对式(5)进行等价替换得式(6)：

其中，m＝K/Δv；

对式(6)进行傅里叶展开，得到二次谐波幅值的函数如式(7)：

其中，A₂为二次谐波幅值；

将二次谐波幅值和光程距离代入式(7)，计算得到气体浓度；

S3、测量待测区域的温度：通过光电探测器接收两个不同波长的测量激光束反射的光信号，通过处理器单元测量两个不同波长的光信号的一次谐波幅值，根据一次谐波幅值计算得到待测区域的温度。

优选地，步骤S1包括以下步骤：

相位差与光程距离满足式(8)：

其中，

为相位差，c为光速，k为自然数；

光程距离小于c/v，计算光程距离时将式(8)中的2kπ项省略，光程距离的计算公式如式(9)：

通过比较光信号中的两个正交的一次谐波在非吸收峰处的幅值，得到相位差，进而得到光程距离。

优选地，步骤S3包括以下步骤：

根据朗伯-比尔定律，待测气体的谱线强度满足式(10)：

其中，S*(T₀)为待测气体在参考温度下的谱线强度，T₀为参考温度，Q(T)为待测气体的气体配分函数，Q(T₀)为待测气体在参考温度下的气体配分函数，h为普朗克常数，E为低能态能量，k为玻尔兹曼常数，θ为谱线跃迁频率；

待测气体的谱线强度与一次谐波幅值成正比，两个不同波长的光信号的一次谐波幅值的比值与两个不同波长的谱线强度满足式(11)：

其中，R为第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值，第一波长与第二波长不相等，

和

分别为第一波长和第二波长的光信号的谱线强度，

和

分别为第一波长和第二波长的光信号在参考温度下的谱线强度，E₁和E₂分别为第一波长和第二波长的光信号的低能态能量；

通过计算第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值并代入式(11)，计算得到待测区域的温度。

本发明能够取得以下技术效果：

(1)结合激光测距和TDLAS-WMS气体测量方法，实现了开放式的气体遥测的距离自校准，相比于传统的模糊测量方法，大大提高了检测的精度；

(2)使用双激光器时分复用实现了气体浓度的冗余测量，具有更高的测量可靠性和测量精度；

(3)在两路气体检测过程中，通过双谱线强度的比值，得到仅与温度相关的双线强比值，从而得到了测量方向的温度信息，省去了额外的测温硬件。

附图说明

图1是根据本发明实施例的矿井环境监测系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的第一激光器及第二激光器的调制波形和光电探测器接收波形；

图3是根据本发明实施例的测量激光束的光路示意图；

图4是根据本发明实施例的处理器单元的波形产生单元的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的处理器单元的功能框图。

其中的附图标记包括：第一激光器1、第二激光器2、合束器3、光电探测器4、聚光器5、处理器单元6、放大器7-1、模数转换器7-2、第一调制波形产生器8、第二调制波形产生器9、第一恒流驱动单元10、第二恒流驱动单元11、第一温度控制单元12、第二温度控制单元13、待测区域14、物体表面15、测量激光束16、漫反射光束17。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供的矿井环境监测系统，包括：用于发射第一激光束的第一激光器1、用于发射第二激光束的第二激光器2、用于耦合第一激光束和第二激光束的合束器3、光电探测器4、聚光器5和处理器单元6；

第一激光器1和第二激光器2的中心波长不同，它们的中心波长分别对应待测气体的两个不同吸收峰，第一激光器1和第二激光器2分别用于输出时分复用的第一激光束和第二激光束；第一激光器1和第二激光器2的出光口分别通过光纤与合束器3的入光口连接，合束器3用于将第一激光束和第二激光束耦合为测量激光束16；光电探测器4与处理器单元6电连接，聚光器5置于测量激光束16的光路中，位于光电探测器4和待测区域14之间；待测区域14为矿井中的工作区域。

如图3所示，测量激光束16穿过待测区域14照射至如墙面等的物体表面15产生漫反射，聚光器5用于会聚漫反射光束17，会聚后的光束被光电探测器4接收，光电探测器4用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至处理器单元6，处理器单元6用于根据电信号解算待测区域14的气体浓度及气体温度；测量激光束16照射至物体表面15产生漫反射的反射光强极度分散，通过聚光器5增大接收面积来实现更好的灵敏度。

在本发明的一个实施例中，还包括电信号处理模块；电信号处理模块分别与光电探测器4和处理器单元6电连接，用于对光电探测器4输出的电信号进行放大及数模转换。

在本发明的一个实施例中，电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器7-1和用于进行模数转换的模数转换器7-2；光电探测器4、放大器7-1、模数转换器7-2和处理器单元6依次顺序电连接；模数转换器7-2包括信号调理电路，信号调理电路滤除频率远高于调制信号的高频杂散干扰。

在本发明的一个实施例中，还包括用于调制第一激光器1的波形的第一调制波形产生器8和用于调制第二激光器2的波形的第二调制波形产生器9；第一调制波形产生器8分别与第一激光器1和处理器单元6电连接，第二调制波形产生器9分别与第二激光器2和处理器单元6电连接；第一调制波形产生器8和第二调制波形产生器9均为数模转换器，在处理器单元6的控制下生成所需波形；

如图2所示，第一调制波形产生器8和第二调制波形产生器9分别对第一激光器1和第二激光器2的光信号进行调制，两个调制波形产生器产生相同的信号，但分别在不同的周期内输出，实现第一激光器1和第二激光器2的时分复用，即第一激光束和第二激光束在不同时间沿相同路径照射至待测区域14；

在本实施例中，奇数次周期为第一激光器1出光，偶数次周期为第二激光器2出光，光电探测器4检测到的波形在奇数和偶数次周期分别第一激光束和第二激光束；每个周期均划分为t₁和t₂两个部分，t₁用于检测距离，t₂用于检测气体浓度和温度信息。

在本发明的一个实施例中，还包括用于驱动第一激光器1的第一恒流驱动单元10和用于驱动第二激光器2的第二恒流驱动单元11；第一恒流驱动单元10分别与第一激光器1和第一调制波形产生器8电连接，第二恒流驱动单元11分别与第二激光器2和第二调制波形产生器9电连接，恒流驱动单元将调制波形产生器产生的信号转换为驱动激光器的电流信号。

在本发明的一个实施例中，还包括用于控制第一激光器1的温度的第一温度控制单元12和用于控制第二激光器2的温度的第二温度控制单元13；第一温度控制单元12分别与第一激光器1和处理器单元6电连接，第二温度控制单元13分别与第二激光器2和处理器单元6电连接；第一温度控制单元12和第二温度控制单元13均包括温度电阻、半导体制冷器和对应温度电阻与半导体制冷器的驱动电路，工作时，温度电阻的阻值随温度发生改变，处理器单元6通过惠斯通电桥测量温度电阻的阻值来计算激光器的温度，并通过输出控制信号来驱动半导体制冷器，使半导体制冷器对激光器进行散热或加热，从而闭环控制激光器的工作温度，稳定激光器的出光频率。

图4为处理器单元6的波形产生单元的结构示意图，通过波形产生单元产生调制信号和正交的参考信号并传递至第一调制波形产生器8和第二调制波形产生器9。

图5为处理器单元6的功能框图，温度控制单元的温度信号经温度采样ADC(模数转换)控制进行采样，然后由PID计算单元根据PID算法计算，再由PWM(脉冲宽度调制)产生单元输出控制激光器温度的脉冲宽度调制信号至温度控制单元，控制半导体制冷器实现激光器的温度闭环控制。两个波形产生单元产生两路用于激光器调制的数字波形信号，然后在斩波单元的控制下，实现两路波形的输出。两个波形分别经过DAC(数模转换)控制器，输出控制信号到调制波形产生器，用以控制激光器。光电探测器4的信号经光电探测器4波形采样ADC控制进行模数转换为数字流信号，经波形选择分别接入到两个锁相放大单元，从而输出两个激光器波形的一次、二次谐波信号。两个激光器对应的一次、二次谐波信号经数据计算单元计算，得到距离，温度，浓度信息。

上述内容详细说明了本发明提供的矿井环境监测系统的结构，与该监测系统相对应，本发明还提供一种利用监测系统对矿井环境进行监测的方法。

本发明实施例提供的矿井环境监测方法，应用于矿井环境监测系统，包括以下步骤：

S1、计算测量激光束16的光程距离：通过处理器单元6测量光电探测器4接收到的光信号与测量激光束16之间的相位差，根据相位差计算得到光程距离；

光传播存在与光程距离成正比的时延，使光电探测器4接收到的光信号与组成测量激光束16的一次参考信号之间存在特定相位差，根据该特定相位差即可计算得到光程距离。

S2、测量待测区域14的气体浓度：通过处理器单元6测量光电探测器4接收到的光信号的二次谐波幅值，根据二次谐波幅值和光程距离计算得到气体浓度；

根据朗伯-比尔定律，特定气体分子会对特定波长的光具有吸收作用，在宏观上表现为透射光光强的衰减，穿过待测区域14的光的光强如式(1)：

其中，I为穿过待测区域14的光的光强，I(L)为无气体吸收时光电探测器4接受到的光信号的强度，a(v)为待测区域14的待测气体的吸收系数，v为测量激光束16的频率，L为光程距离，P为待测气体的压强，ρ为待测气体的气体浓度，S*(T)为待测气体在T温度下的谱线强度，与温度T相关，

为待测气体的展宽线型函数；

在矿井环境下，待测气体的压强为定值，即光强与光程距离、气体浓度和温度相关。

无气体吸收时光电探测器4接受到的光信号的强度与测量激光束16之间的关系如式(2)：

其中，Q为聚光器5的口径面积，I₀为测量激光束16的出射光强；

波长调制光谱技术使用正弦波叠加锯齿波实现激光波长的调制，经波长调制光谱技术调制的测量激光束16的频率随时间变化，变化函数如式(3)：

v(t)＝v_c(t)+K sin(ωt)      (3)

其中，v_c(t)为锯齿波调制项，在一个周期内表现为一次函数，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；

根据式(3)，洛伦兹线型的展宽线性函数如式(4)：

其中，Δv为展宽频率；

将式(2)-(4)代入式(1)得式(5)：

由于气体浓度检测情况下，吸收系数通常较小，可对式(5)进行等价替换得式(6)：

其中，m＝K/Δv；

对式(6)进行傅里叶展开，得到二次谐波幅值的函数如式(7)：

其中，A₂为二次谐波幅值；

将二次谐波幅值和光程距离代入式(7)，计算得到气体浓度；

分别计算两路激光测得的气体浓度信息，对计算得到的气体浓度信息进行均值计算得到更加准确的气体浓度信息。

S3、测量待测区域14的温度：由朗伯-比尔定律可知，在不同温度下，气体的谱线强度随温度变化，因此可以通过测定气体的双吸收峰的谱线强度得到温度，谱线强度与一次谐波在吸收峰处的幅值正相关，通过光电探测器4接收两个不同波长的测量激光束16反射的光信号，通过处理器单元6测量两个不同波长的光信号的一次谐波幅值，根据一次谐波幅值计算得到待测区域14的温度。

在本发明的一个实施例中，步骤S1包括以下步骤：

相位差与光程距离满足式(8)：

其中，

为相位差，c为光速，k为自然数；

光程距离小于c/v，计算光程距离时将式(8)中的2kπ项省略，光程距离的计算公式如式(9)：

通过锁相放大器比较光信号中的两个正交的一次谐波在非吸收峰处的幅值，得到相位差，进而得到光程距离。

在本发明的一个实施例中，步骤S3包括以下步骤：

根据朗伯-比尔定律，待测气体的谱线强度满足式(10)：

其中，S*(T₀)为待测气体在参考温度下的谱线强度，T₀为参考温度，Q(T)为待测气体的气体配分函数，Q(T₀)为待测气体在参考温度下的气体配分函数，h为普朗克常数，E为低能态能量，k为玻尔兹曼常数，θ为谱线跃迁频率；

待测气体的谱线强度与一次谐波幅值成正比，两个不同波长的光信号的一次谐波幅值的比值与两个不同波长的谱线强度满足式(11)：

其中，R为第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值，第一波长与第二波长不相等，

和

分别为第一波长和第二波长的光信号的谱线强度，

和

分别为第一波长和第二波长的光信号在参考温度下的谱线强度，E₁和E₂分别为第一波长和第二波长的光信号的低能态能量；

通过计算第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值并代入式(11)，计算得到待测区域14的温度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种矿井环境监测系统，其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；

所述矿井环境监测系统还包括第一调制波形产生器和第二调制波形产生器；

所述第一调制波形产生器和所述第二调制波形产生器分别对所述第一激光器和所述第二激光器的波形进行调制后输出时分复用的第一激光束和第二激光束；

所述第一激光器和所述第二激光器的出光口分别通过光纤与所述合束器的入光口连接，所述合束器用于将所述第一激光束和所述第二激光束耦合为测量激光束；所述光电探测器与所述处理器单元电连接，所述聚光器置于所述测量激光束的光路中，位于所述光电探测器和待测区域之间；

所述测量激光束穿过所述待测区域照射至物体表面产生漫反射，所述聚光器用于会聚漫反射光束，会聚后的光束被所述光电探测器接收；所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至所述处理器单元，所述处理器单元用于根据所述电信号解算所述待测区域的气体浓度及气体温度；

所述待测区域的气体浓度的计算过程为：

根据朗伯-比尔定律，穿过所述待测区域的光的光强如式(1)：

其中，I为穿过所述待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度，a(v)为所述待测区域的待测气体的吸收系数，v为所述测量激光束的频率，L为光程距离，P为所述待测气体的压强，ρ为所述待测气体的气体浓度，S^*(T)为所述待测气体在T温度下的谱线强度，为所述待测气体的展宽线型函数；

无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度与所述测量激光束之间的关系如式(2)：

其中，Q为所述聚光器的口径面积，I₀为所述测量激光束的出射光强；

所述测量激光束的频率随时间变化，变化函数如式(3)：

v(t)＝v_c(t)+Ksin(ωt)      (3)

其中，v_c(t)为锯齿波调制项，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；

根据式(3)，洛伦兹线型的展宽线性函数如式(4)：

其中，Δv为展宽频率；

将式(2)-(4)代入式(1)得式(5)：

对式(5)进行等价替换得式(6)：

其中，m＝K/Δv；

对式(6)进行傅里叶展开，得到二次谐波幅值的函数如式(7)：

其中，A₂为所述二次谐波幅值；

将所述二次谐波幅值和所述光程距离代入式(7)，计算得到所述气体浓度。

2.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括电信号处理模块；所述电信号处理模块分别与所述光电探测器和所述处理器单元电连接，用于对所述光电探测器输出的电信号进行放大及数模转换。

3.如权利要求2所述的矿井环境监测系统，其特征在于，所述电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器和用于进行模数转换的模数转换器；所述光电探测器、所述放大器、所述模数转换器和所述处理器单元依次顺序电连接。

4.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于调制所述第一激光器的波形的第一调制波形产生器和用于调制所述第二激光器的波形的第二调制波形产生器；所述第一调制波形产生器分别与所述第一激光器和所述处理器单元电连接，所述第二调制波形产生器分别与所述第二激光器和所述处理器单元电连接。

5.如权利要求4所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于驱动所述第一激光器的第一恒流驱动单元和用于驱动所述第二激光器的第二恒流驱动单元；所述第一恒流驱动单元分别与所述第一激光器和所述第一调制波形产生器电连接，所述第二恒流驱动单元分别与所述第二激光器和所述第二调制波形产生器电连接。

6.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于控制所述第一激光器的温度的第一温度控制单元和用于控制所述第二激光器的温度的第二温度控制单元；所述第一温度控制单元分别与所述第一激光器和所述处理器单元电连接，所述第二温度控制单元分别与所述第二激光器和所述处理器单元电连接。

7.一种矿井环境监测方法，应用于如权利要求1-6中任一项所述的矿井环境监测系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算所述测量激光束的光程距离：通过所述处理器单元测量所述光电探测器接收到的光信号与所述测量激光束之间的相位差，根据所述相位差计算得到所述光程距离；

S2、测量所述待测区域的气体浓度：通过所述处理器单元测量所述光电探测器接收到的光信号的二次谐波幅值，根据所述二次谐波幅值和所述光程距离计算得到所述气体浓度；

根据朗伯-比尔定律，穿过所述待测区域的光的光强如式(1)：

其中，I为穿过所述待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度，a(v)为所述待测区域的待测气体的吸收系数，v为所述测量激光束的频率，L为所述光程距离，P为所述待测气体的压强，ρ为所述待测气体的气体浓度，S^*(T)为所述待测气体在T温度下的谱线强度，为所述待测气体的展宽线型函数；

无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度与所述测量激光束之间的关系如式(2)：

其中，Q为所述聚光器的口径面积，I₀为所述测量激光束的出射光强；

所述测量激光束的频率随时间变化，变化函数如式(3)：

v(t)＝v_c(t)+Ksin(ωt)      (3)

其中，v_c(t)为锯齿波调制项，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；

根据式(3)，洛伦兹线型的所述展宽线性函数如式(4)：

其中，Δv为展宽频率；

将式(2)-(4)代入式(1)得式(5)：

对式(5)进行等价替换得式(6)：

其中，m＝K/Δv；

对式(6)进行傅里叶展开，得到所述二次谐波幅值的函数如式(7)：

其中，A₂为所述二次谐波幅值；

将所述二次谐波幅值和所述光程距离代入式(7)，计算得到所述气体浓度；

S3、测量所述待测区域的温度：通过所述光电探测器接收两个不同波长的所述测量激光束反射的光信号，通过所述处理器单元测量所述两个不同波长的光信号的一次谐波幅值，根据所述一次谐波幅值计算得到所述待测区域的温度。

8.如权利要求7所述的矿井环境监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

所述相位差与所述光程距离满足式(8)：

其中，为所述相位差，c为光速，k为自然数；

所述光程距离小于c/v，计算所述光程距离时将式(8)中的2kπ项省略，所述光程距离的计算公式如式(9)：

通过比较所述光信号中的两个正交的一次谐波在非吸收峰处的幅值，得到所述相位差，进而得到所述光程距离。

9.如权利要求7所述的矿井环境监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

根据朗伯-比尔定律，所述待测气体的谱线强度满足式(10)：

其中，S^*(T₀)为所述待测气体在参考温度下的谱线强度，T₀为参考温度，Q(T)为所述待测气体的气体配分函数，Q(T₀)为所述待测气体在参考温度下的气体配分函数，h为普朗克常数，E为低能态能量，k为玻尔兹曼常数，θ为谱线跃迁频率；

所述待测气体的谱线强度与所述一次谐波幅值成正比，两个不同波长的光信号的一次谐波幅值的比值与两个不同波长的谱线强度满足式(11)：

其中，R为第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值，所述第一波长与所述第二波长不相等，和分别为所述第一波长和所述第二波长的光信号的谱线强度，和分别为所述第一波长和所述第二波长的光信号在参考温度下的谱线强度，E₁和E₂分别为所述第一波长和所述第二波长的光信号的低能态能量；

通过计算所述第一波长的光信号与所述第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值并代入式(11)，计算得到所述待测区域的温度。

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