多光源矿井灾后环境气体遥感装备的制作方法

本发明涉及一种多光源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。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种多光源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、显示屏和通信接口；装备采用开放气室，可对多种气体浓度进行遥感监测；激光发射器通过激光源产生激光，激光发射器包括多个激光源，每个激光源用于产生探测一种气体的激光；装备具有激光测距功能；装备具有自动扫描监测功能；通过相应的测量方法和算法，装备可测量一定距离内的气体浓度、各不同距离区域的气体浓度和三维空间区域的气体浓度。

1.所述装备进一步包括：装备为防爆型设备。

2.所述装备进一步包括：装备的激光发射器包括多种作为激光源的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。

3.所述装备进一步包括：装备的激光发射器的激光源包括发射甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸收峰值的波长范围的可调谐半导体激光器。

4.所述装备进一步包括：装备的激光发射器采用可自动调节发射方向的激光发射器，控制处理单元以扫描监测方式控制激光发射器发射方向，进行不同方向气体浓度和距离监测

5.所述装备进一步包括：装备采用下述方法进行扫描监测：装备发射不同方向的激光束分别进行气体浓度和距离监测，获得气体浓度、距离的数据序列，经处理后得到不同距离区域的气体浓度。

6.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L_A，气体平均浓度为M_A，测得反射点B的距离为L_B，气体平均浓度为M_B，则A点到B点距离区域的气体浓度可用近似表示。

7.所述装备进一步包括：装备采用下述方法进行三维空间区域的气体浓度监测：装备在同一点发射不同方向的激光束对不同距离的反射点进行测量，获得发射点距各反射点的距离；以发射点为参考点，对反射点距离和激光发射方向数据进行处理，得到各反射点的坐标数据，根据所有反射点坐标数据，获得三维空间模型，将通过运算得到的不同距离区域的气体浓度与三维空间模型相对应，获得三维空间区域的气体浓度。

8.所述装备进一步包括：装备可通过显示屏以透视模型图方式显示三维空间模型，用不同的颜色显示不同的气体浓度。

9.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多光源矿井灾后环境气体遥感装备实施方案1组成示意图。

图2多光源矿井灾后环境气体遥感装备实施方案1原理示意图。

图3多光源矿井灾后环境气体遥感装备实施方案2组成示意图。

图4多光源矿井灾后环境气体遥感装备实施方案2原理示意图。

图5多光源矿井灾后环境气体遥感装备实施方式2准直器排列结构示意图。

图6信号发生器原理示意图。

图7数字鉴相器原理示意图。

图8多光源矿井灾后环境气体遥感装备工作流程图。

图9多光源矿井灾后环境气体遥感装备三维空间区域浓度监测示意图。

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，装备组成单元包括：

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(123)显示；接收按键(124)的操作信号并进行相应的处理。具体组成包括：(1)核心处理器(102)，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；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4进行说明。

(5)多路数据选择器(106)，负责信号发生器(105)与多路可调谐半导体激光器之间的选通，可采用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口分别连接不同激光源(111)。

(6)锁相环放大器(107)，采用两个模块，分别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LIA-MV-150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5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)激光源(111)，使用可调谐半导体激光器，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，可采用SAF117XS系列蝶形可调谐半导体可调谐半导体激光器，该可调谐半导体激光器集成TEC电流温度控制半导体元件。

(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，所以输出端在任意时刻最多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。

(5)云台(115)，用于控制激光源(111)的发射方向和激光接收器的接收方向，可由核心处理器SPI通信端口外接MAX485芯片通过云台控制协议控制云台运动，云台采用摄像机用标准监控云台，可在水平和垂直方向进行转动。

3.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)。

4.通信接口(120)，用于监测数据传输，包括有线通信接口(121)和无线通信接口(122)。

(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。

5.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。

6.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。

图2所示为所述装备实施方式1的结构示意图。

图3为所述装备实施方案2的组成示意图，图4所示为所述装备实施方式2的原理示意图。实施方案2没有云台，而采用8个准直器，每个准直器指向不同的方向，8个准直器(116)连接光选路器(125)，光选路器(125)受核心处理器(102)的控制将合光器(112)发出的激光进行选路，将激光从选择的某路准直器(116)发出，从而实现多路时分复用；光选路器(125)可采用Vispace 1000OSS光选路设备，由核心处理器(102)通过串口控制选路连通。

图5为所述装备实施方式2准直器排列结构示意图，每个准直器指向不同的方向。

图6为信号发生器原理示意图，主要包括：

1.DDS发生器(601)，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，可采用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.D/A转换(602)，受核心处理器处理(102)控制产生锯齿波信号，可采用D/A转换芯片DAC0832。

3.滤波电路(603)，用于信号滤波，可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。

4.加法器(604)，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(605)，负责将载波正弦信号转换为同频同相的方波信号，可采用比较器芯片LM393。

6.倍频电路(606)，负责产生为载波正弦信号倍频的方波信号，可由锁相环芯片HEF4046和计数器芯片CD4520构成。

图7为数字鉴相器原理示意图，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(701)，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(702)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(703)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(701)，输出频率9.99MHz，可采用压控晶体振荡器CVCSO-914-0010。

2.混频器(702)，可采用模拟乘法器芯片MC1496。

3.测相器(703)，可采用高精度时间测量芯片TDC一GP1。

图8为所述装备工作流程图：

1.(801)，当按键(124)的监测启动键被按下，核心处理器(102)接收到信号，启动一次监测扫描过程。

2.(802)，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.(803)，正弦波信号通过多路数据选择器(106)的选路驱动一路激光源(111)发出用于探测距离的激光，经过合光器(112)后，实施方案1直接通过光纤(113)和准直器(114)发射激光；实施方案2还需经过光选路器(125)选择通路后，再经相应的准直器发射出去。

4.(804)，测距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透镜(117)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(119)，光电探测器(119)将接收到的激光信号转换为电信号。

5.(805)，数字鉴相器(109)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.(806)，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.(807)，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.(808)经调制的锯齿波信号通过多路数据选择器(106)的选路驱动发射某一种气体吸收峰值波长的激光源(111)发射激光，经过合光器(112)后，实施方案1激光直接通过光纤(113)和准直器(114)发射出去；实施方案2还需经过光选路器(125)选择通路后，再经光纤和相应的准直器发射出去。

9.(809)，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(117)收集反射回来的激光聚集至光电探测器(119)，光电探测器(119)将接收到的激光信号转换为电信号。

10.(810)，锁相环放大器(107)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.(811)，模数转换器(108)将一次、二次谐波信号数字化。

12.(812)，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浓度。

13.(813)，判断是否监测完所有种类的气体，如未监测完执行(814)，如已监测完执行(815)。

14.(814)核心处理器控制转换监测另一种气体浓度，重复(807)至(812)的气体浓度测量过程。

15.(815)，判断是否完成所有角度扫描，如未完成执行(316)，如已完成执行(317)。

16.(816)，实施方案1:核心处理器(102)控制云台(115)带动准直器和激光接收器转动一个角度；实施方案2：核心处理器(102)控制光选路器(125)选择另一个可准直器通路。再重复(802)至(812)测距及气体浓度监测的过程。

17.(817)，核心处理器处理(102)所有角度上获得的距离和各气体浓度，获得不同距离区域和三维空间区域的各气体浓度数据

18.(818)，核心处理器处理(102)通过通信接口(120)上传数据，并通过显示屏(123)显示数据，以透视模型图方式显示三维空间模型，用不同的颜色显示不同的气体浓度。

图9为多光源矿井灾后环境气体遥感装备三维空间区域浓度监测示意图。设装备发射8束激光，分别在A、B、C、D、E、F、G、H点得到反射，以装备所在位置为坐标原点建立三维坐标系，已知激光投射直线OA与XOY平面的夹角为α，与YOZ平面的夹角为β，则反射点A坐标(x_A,y_A,z_A)为同理可得其它各点的坐标，根据坐标点可建立如图9所示的三维空间模型。在扫描监测过程中通过各反射点测得的气体浓度分别为M_A、M_B、M_C、M_D、M_E、M_F、M_G、M_H，K点为所示空间模型内部的任意一点，通过K点垂直于Y轴的平面与AB、DC、EF、HG交点分别为K_AB、K_DC、K_EF、K_HG，其坐标分别为(x_AB,y_AB,z_AB)、(x_DC,y_DC,z_DC)、(x_EF,y_EF,z_EF)、(x_HG,y_HG,z_HG)，则K_AB点的气体浓度K_DC点的气体浓度K_EF点的气体浓度K_HG点的气体浓度通过K点平行于Z轴的直线与K_AB K_DC和K_EF K_HG的交点分别为K_ABCD和K_EFGH，其X轴坐标分别为x_KABCD和x_KEFGH，得到K_ABCD点的气体浓度及K_EFGH点的气体浓度进而得到K点的参考浓度通过以上示例算法可得到三维空间区域内的所有点的气体浓度。