一种基于光纤的振动侦听辅助救援系统的制作方法

本发明涉及光纤振动监测、光纤传感、音频还原、安全生产及事故救援技术领域。

背景技术：

煤炭是我国的主要能源之一，而煤炭的开采主要是以地下开采为主，地下矿井生产作业环境复杂，生产过程中的安全隐患较多，经常受到顶板、瓦斯、机电、爆炸、水灾、火灾、塌方等灾害造成人员伤亡。如何在事故发生后确定被困人员的位置以及现状成为了救援的首要任务。随着科学技术的不断发展，现有对于被困人员的定位技术通信方式有蓝牙技术、红外技术、超宽频技术、wifi技术、zigbee技术等。而此类的定位技术存在有盲区、故障率高、设备易腐蚀、尤其是设备对电力的依赖，无电的情况下无法使用等问题。

随着光纤技术的发展，使得光纤在很多领域中得到应用。其中，光纤传感是以光作为被测敏感信息的传输途径，以光纤作为传递被测敏感信息的介质，当光纤所处环境中有振动或者声音引起光纤振动时，光纤中传输光的部分特性就会改变，模块对信号进行采集，判断光纤振动信号产生的瑞利散射回光，进而可以分析出发生振动位置对应的振动信息以及还原出音频信息。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中存在的问题，提出了一种基于光纤振动的音频还原辅助救援系统，包括：上位机数据分析系统获取到经过下位机数据采集分析系统初步分析计算的数字信号进行分析，并由客户端显示系统将分析结果展示，即可显示定位和音频信息。

其中，上述的下位机数据采集分析系统初步分析计算的数字信号是经过数字信号处理（dsp）模块将数字信号进行浮点运算得到的，其中数字信号由模数转换（adc）模块将模拟信号转换而来。

其中，上述的模拟信号，由光电转换（apd）模块将光信号转换而来。其中apd与监测光纤相连，光纤振动产生的瑞利散射会使apd内形成具有一定规律的电信号，由此达到光电信号的转变。

其中，光波进入apd前还需要利用滤波高斯线性滤波器对所述光纤电信号进行滤波，小波消噪去除噪声波等产生的无用波。

其中，上述的光纤是作为本系统的信号传输介质，可安装在井下管道的墙壁上，当有声音或者振动时会导致光纤振动，本系统利用其中的瑞利散射作为信号的传输进行分析。

其中，上述的光纤入口安装一个激光器向光纤中发射光波，每当有外界声音或振动导致光纤振动，从而引起光纤中折射率发生变化，背向瑞利散射的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息进入apd处理。

上述方案，利用光纤作为系统的信号传输介质，采用瑞利散射对振动或声音引起的光纤振动进行检测，对光纤电信号进行还原能够得到该光纤的井下振动或声音产生的振动信号和音频信号。而且光纤为无源设备，不受环境影响或损坏，可以提高声音和振动监测的可靠性和稳定性。利用反射的瑞利散射信号在光纤中传输的特性，又可实现长距离监听。同时，本辅助救援系统便于维护，成本低，可实时侦测定位。

附图说明

图1是光纤振动的音频还原辅助救援系统结构图；

图2是通信基站网络结构示意图；

图3是音频技术处理流程图。

具体实施方式

以下描述中，结合具体实施例对本发明做进一步说明，以便透彻理解本申请，但本发明不受实施例的限制。在其它情况中，省略装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

本发明所述的井下振动信息，是指能够导致光纤发生振动而产生瑞利散射的信息。包括敲击、井下人员说话与走动、爆炸等产生的振动。当井下发生事故时，待救人员只需要轻微敲击光纤或者对着光纤简单的语音描述，利用光纤的振动侦测定位方法即可精确的计算出光纤扰动点以及还原出音频信息，即可获取待救人员的信息。

图1为本发明的光纤振动的音频还原辅助救援系统结构图，本系统包括光纤1、分束器2、脉冲光源模块3、光电转换模块4、模数转换模块5、信号甄别处理模块6、上位机数据分析系统7、客户端显示系统8。其中，光纤1可设置与矿井的通道墙壁上，可铺设多条。而分束器2、脉冲光源模块3、光电转换模块4、模数转换模块5、信号甄别处理模块6、上位机数据分析系统7、客户端显示系统8等是在地面上的监测室中。光纤1与分束器2相连；分束器2分别与脉冲光源模块3和光电转换模块4相连；光电转换模块4与模数转换模块5相连；模数转换模块5与信号甄别处理模块6相连；信号甄别处理模块6与上位机数据分析系统7相连；上位机数据分析系统7与客户端显示系统8相连。

现有通信基站网络结构如图2，由一个中央基站分别与各单基站通过光纤通信。鉴于地下矿井分布结构，侦测设备部署如下：在中央基站位置建侦测室及放置设备，将通信各个方向基站的光纤连接到设备，即可侦测矿井下光纤的振动情况。

光纤1设置于矿井的通道墙壁上，以侦测矿井环境中的振动信息。光纤1可采用普通通信光缆中的一根光纤作传感单元，进行分布式多点振动侦测。其原理是当矿井下人员产生的振动（如走动）作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。这些携带外界振动信息的信号光，经光电转换模块（apd）4的光电转换和模数转换模块（adc）5的模数转换，进入信号甄别处理模块（dsp）6进行数据分析。信号甄别处理模块（dsp）6根据采集到的数据，根据检测光与瑞利散射回光的时间差，精确判断出光纤振动发生地点位置，并且进行音频还原技术处理得到音频文件。

其中，图3为音频还原技术处理流程图。如上述音频还原技术，首先是对振动信号进行插值，振动信号的每个点之间被插入，振动信号每个点被插入63个0值信号点，将原值进行插值得到的信号，再与滤波器进行卷积运算，然后再抽取符合音频播放标准的采样率的信号，通过低通滤波器得到了原始信号的64倍的放大信号。将空域为光纤振动信号的强度与对应的光纤长度进行匹配，并根据空域和设定光纤对应长度结合，得到光纤侦测点，对时域处理和空域处理主要为：用m维向量表示第n次采集到杂波回波，m表示邻近分辨单元格式，m表示分辨单元形成的一个杂波单元。对中的元素进行排序得到向量。

对某一个单点的采样点进行音频采样还原处理。对侦测点的光纤振动强度信号存放在中。

对所述光纤振动信号进行信号稳定性背景的，对信号进行滤波，滤波窗函数，滤波过程为对反序和进行累加。四个值不为0，对其四次乘法和三次加法。按照缩放比例对进行缩放得到最终信号y。

对每32个点抽取一个点，形成最终信号，经过重采样确定光纤语音信号的两个采样点的距离，程序可以根据音频还原要求直接计算采样滤波步长。

如上所述，对放大的声音引起的光纤振动信号进行低通滤波，滤波器对多相滤波后输出与正弦窗函数乘积，利用正弦窗函数为，对噪声信号进行处理，得到的音频信号进行还原。

由上可知，最终能够将监测到的振动信息准确定位和音频还原，为救援团队提供简单、易懂、高效的信息。为有效的救援工作节省大量时间。

虽然本发明以实施例说明如上，但不是限定本发明范围，凡是利用本发明书及附图内容所做的等效结构或流程变换，直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均在本发明的专利保护范围内。