一种井下矿难生命迹象检测与定位系统的制作方法

本发明涉及光纤传感和信号处理技术领域，涉及光纤传感、声学传感和信号处理技术。

背景技术：

我国是一个产煤用煤的大国，煤炭在我国整个能源消耗中占据相当大的比重，在未来相当长一段时间，我国依然将会以煤炭作为主要的消耗能源。随着国民经济的迅速发展，煤炭的需求量也与日俱增，煤炭产量占世界煤炭总产量的比重依然很大。然而一个不可忽略的事实便是长期以来我国的矿难事故率较之世界发达国家水平高居不下。这对从事井下开采工作的人员的生命安全造成很大风险。由于国家在煤矿开采安全方面的重视，使得我国煤矿安全生产的形势有所好转，但是依然不可避免的发生事故。据不完全统计，国内每年都会有一百多起大大小小的煤矿开采事故。山西省作为我国的煤矿开采大省，其事故的发生概率居全国首位，每年因为煤矿开采事故而死亡的人数也是成百上千。面对煤矿开采作业发生事故带来的高死亡率，不仅有开采设备机械化程度低、煤矿位置地理情况复杂和地震等自然因素，事故后救援水平不高也是造成煤矿事故高死亡率的很大原因。矿井一旦发生矿难事故，救援人员对井下工作人员的位置情况和生命特征情况的确认会非常困难。由于井下环境的特殊，无线信号在矿井下几乎不能传输，无线定位传呼设备则不能使用。一旦发生矿难，被困于井下的工作人员的通信将和救援人员中断，这使得矿难中的救援工作增加了很大难度。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提出了一种井下矿难生命迹象检测与定位系统。通过将本发明的多个光纤声波传感探头按照一定的距离间隔分布在矿井中，可以实现对矿井下的声音信号的高灵敏度捕捉采集与监听。当矿难一旦发生时，可以通过采集和监听被困于井下的人员的呼救声音以及行走等活动产生的声音信号获得被困人员的生命迹象。同时，光纤声波传感探头按照一定的等距离分布，可以通过不同光纤声波传感探头采集到的声音强度等信息，实现对被困井下人员的位置进行定位。为救援人员提供被困人员的位置信息。本发明采用光纤作为信号的传输线，由于质量轻，耐腐蚀等优点，在矿难发生时不易损坏，可以保证在信号传输过程中的有效性。

本发明的井下矿难生命迹象检测与定位系统包括传输光纤，位于地面的激光发射器l、分光器p、环形器c、相位检测器d、数据采集卡q、信号处理主机n，位于矿井通道的光纤声波检测探头a。其中激光发射器l所发射激光的中心波长优选1550nm，激光发射器l输出连续光，注入传输光纤b0中。为实现多路信号的同时检测，进入传输光纤b0中的连续光经由分光器p分成n(n对应矿井通道中所设置的光纤声波检测探头a的数目)路连续光，分成的每一路连续光都经由对应的一路传输光纤b1继续向前传输。

每一路传输光纤b1连接对应的环形器c的一个端口(通常环形器c包括3个端口)，本发明中的环形器c用于发射光、反射光的耦合传输，为了便于区分环形器c的3个端口，将与传输光纤b1连接的端口定义为1端口，将与传输光纤b2连接的端口定义为2端口，将与传输光纤b3连接的端口定义为3端口。传输光纤b1中的连续激光通过环形器c的1端口耦合经由2端口传输至传输光纤b2中。传输光纤b2连接光纤声波检测探头a。

其中光纤声波检测探头a为具有高灵敏度的振动声波检测探头，其包括一段传输光纤b4、玻璃套管e和石墨烯薄膜g，传输光纤b4的一端固定于玻璃套管e中，一端用于熔接传输光纤b2，石墨烯薄膜g固定在玻璃套管e的一个端面上，并与位于玻璃套管e中的传输光纤b4的的端面构成一个fp腔(法珀腔)。从而使得传输光纤b2中的连续光会被光纤声波检测探头a上的石墨烯薄膜g反射，得到反射光。

从光纤声波检测探头a反射回来的光信号(反射光)经环形器c的2端口传输至3端口，再耦合进传输光纤b3。每一路传输光纤b3均连接着一个相位检测器d，在相位检测器d中完成对反射光的相位变化的检测。

相位检测器d的信号输出端与数据采集卡q的信号输入端连接，数据采集卡q的信号输出端连接信号处理主机n。其中数据采集卡q的采集频率可以自由设置，为了便于系统集成，在采集通道满足的前提下(即数据采集卡q的采集通道数目m≥n)，可以将所有相位检测器d的输出信号输入同一数据采集卡q的不同采集通道，完成对位检测器d的输出信号的数据据采集。若一个数据采集卡q的采集通道数目m小于n，则需要多个数据采集卡q共同完成对n路信号的采集。同时，本系统中，数据采集卡q既可以是单独的器件，也可以将其集成在信号处理主机n中，即数据采集卡q的信号输入端与相位检测器d的信号输出端连接，数据采集卡q的信号输出端连接信号处理主机n处理单元，由所述处理单元基于采集数据进行生命迹象检测与定位的处理。

数据处理主机n中预先存储有每个光纤声波检测探头a在矿井通道的设置位置，当相位检测器d检测到来自任意光纤声波检测探头a的反射光的相位变化频率时，则表明该光纤声波检测探头a的检测范围内存在声波信号s，由该探头的设置位置则可得到发出声波信号s的位置信息，进而完成对矿井通道中生命迹象检测与定位。

进一步的，信号处理主机n还可以基于相位检测器d检测到的相位变化频率对声波信号s进行语音信号合成，并实时播放，进而确定矿井通道中的被困人员的生命特征情况。即所述信号处理主机n还包括语音合成处理单元及语音播放单元，所述语音合成处理单元基于数据采集卡q输入的采集数据，合成语音信号并通过语音播放单元进行播放。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在本发明中，整个系统共用一个激光源，节约系统成本。通过分光器将一路激光分为多个光路，且每个光路上都有一个高灵敏度的振动声波信号检测探头，可以覆盖整个矿井的井下通道，并实现全方位无死角的井下作业人员的位置和生命特征的检测。同时，用石墨烯薄膜制作的特殊结构的光纤声波检测探头，可以对于非常微小的振动信号进行捕捉，极大的提高了整个系统的灵敏度。通过数据采集装置对相位检测器d输出的电信号进行采集，将采集到的数据经同一个信号处理主机进行处理，在一定程度上节约了成本。在发生矿难复杂的矿井环境中，是一种极为可靠的生命特征检测与定位的方法。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为传感光纤束结构示意图；

图3光纤声波检测探头的结构示意图；

图4为本系统的安装示意图；

图5为本系统的工作原理示意图；

图6为高灵敏度光纤声波检测探头在声音信号作用下腔长发生改变示意图；

图7为数据检测通道开启时，井下无工作人员作业，未检测到声音信号；

图8为数据检测通道开启时，井下有工作人员产生声音信号，声音信号被检测到。

附图标记：a-高灵敏度光纤声波检测探头；e-探头玻璃套管；g-探头上的石墨烯薄膜；i-fp腔(法珀腔)的腔体长度；b-传输光纤束；b0、b1、b2、b3、b4-传输光纤；c-环形器；1、2、3-环形器的1、2、3端口；d-相位检测器；l-激光发射器；p-分光器；q-多通道数据采集卡；n-信号处理主机；a1，a2，a3-传输光纤中的前向传输光；r1-反射光；r2-传输光纤b3中的传输光；j——熔接点；s-被困人员声音信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，本发明的井下矿难生命迹象检测与定位系统包括1个激光发射器l、分光器p、数据采集卡q、信号处理主机n，n个环形器c、光纤声波检测探头a、相位检测器d，以及传输光纤，其连接关系为：激光发射器l的信号输出端通过传输光纤b0与分光器p的信号输入端连接；分光器p包括n路信号输出端，其每路信号输出端分别通过一路传输光纤b1与一个环形器c的端口1连接，所述环形器c的端口2通过一路传输光纤b2连接一个光纤声波检测探头a，同时所述环形器c的端口3通过一路传输光纤b3与一个相位检测器d的信号输入端连接，相位检测器d的信号输出端与数据采集卡q的信号输入端连接，数据采集卡q的信号输出端连接信号处理主机n。

在本具体实施方式中，激光发生器l优选发射中心波长为1550nm的高相干窄线宽激光器。分光器p采用1:64型，将产生的激光分成64路激光，环形器c、光纤声波检测探头a、相位检测器d的数量均为64。多路传输光纤b2采用传输光束b的形式，参见图2，即将64路传输光纤b2绞合在一起构成传输光纤束b。

首先制作64个高灵敏度的光纤声波检测探头a，其结构如图3所示，包括一段传输光纤b4、玻璃套管e和石墨烯薄膜g，传输光纤b4的一端固定于玻璃套管e中，另一端用于与传输光纤b2熔接(图1中所示的点j则为对应的熔接点)，石墨烯薄膜g固定在玻璃套管e的一个端面上，并与位于玻璃套管e中的传输光纤b3的的端面构成一个fp腔(法珀腔)。其中光纤声波检测探头a的具体制备过程如下：

(1)用氧化石墨烯粉末与去离子水配置浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯溶液，将配制好的溶液置于超声波清洗器约10分钟，去除溶液中的氧离子；

(2)取约0.25ml的氧化石墨烯溶液置于大小为1cm²的铜箔片上，得到滴有氧化石墨烯溶液的铜箔片1。将铜箔片1放置在加热台上进行烘干处理。加热台烘干温度为40～50℃，烘干时间约为3-4个小时。直到氧化石墨烯溶液被烘干，得到带有烘干氧化石墨烯的铜箔片2；

(4)将铜箔片2剪成5mm*5mm的小正方形薄片置于浓度为0.2g/ml的fecl3溶液中对铜片进行腐蚀，2小时后铜箔将被腐蚀消失，氧化石墨烯薄膜将漂浮在溶液表面；

(5)将小块氧化石墨烯薄膜用玻璃片轻轻捞起置于去离子水中清洗2遍，得到可以用来制作光纤声波检测探头a的干净氧化石墨烯薄膜，即石墨烯薄膜g。

(6)将玻璃套管e(可以采用毛细玻璃管)放入超声波清洗器中进行清洗。清洗完成后，对清洗后的玻璃套管e加热烘干置于温度调至100℃的加热台上烘干3-5min，得到干燥的玻璃套管e；

(7)将得到的石墨烯薄膜g膜覆盖在玻璃套管e的一端；

(8)再将一段剥去涂覆层的传输光纤b4(裸纤)伸入加热烘干后的玻璃套管e中(可以通过观察连接光谱仪的干涉条纹图来决定传输光纤b4伸入玻璃套管e的深度)，最后进行封装处理得到光纤声波检测探头a。

在制作好64个光纤声波检测探头a后，将其等间隔设置在矿井的作业通道中。对于本实施例中所制得的光纤声波检测探头a，经实际测试，其有效探测距离为15m，因此在矿井的作业通道中每间隔20m则设置一个光纤声波检测探头a，在理论上可以对井下1280m的距离进行生命迹象的检测和定位。在实际应用中还可以增加光纤声波检测探头a的数量、对应的光路数以及数据采集通道数，来对可以检测的井下探测范围进行扩展。有效检测距离w与光纤声波检测探头a的数量n，光路通道数m，环形器个数k，以及数据采集卡的通道数d的关系为：m＝n，k＝n，d＝n，w＝20×n。

若每隔20m设置一个光纤声波检测探头a，则传输光纤束b的长度应大于1280m，本具体实施方式中，传输光纤束b的长度取1500m。且在传输光纤束b的探测段，每隔20m抽出一根传输光纤b2，与光纤声波传感探头a上的传输光纤b4熔接，如图1所示的熔接点j，从而构成完整的传输光纤。这样在整个传输光纤束b上每隔20m便分布着一个高灵敏度光纤声波检测探头。然后将传感光纤束b沿矿井下的通道壁固定，确保所要探测的矿井通道区域都被传输光纤束b覆盖。布置好传输光纤束b后，放置在b上的光纤声波检测探头a则可以对矿井内人员活动产生的声波信号进行检测，除光纤声波检测探头a和传输光纤束b分布在矿井通道中，系统的其余设备(激光发射器l、分光器p、环形器c、相位检测器d、数据采集卡q、信号处理主机n)则放置在位于地面工作区的监控室内，得到如图4所示的安装示意图。

参见图5，本具体实施方式中，系统的工作流程为：

(1)激光发射器l发射的连续激光a1(前向传输光)，经由传输光纤b0进入分光器p，经分光器p将传输光纤中的连续激光a1分成64路连续激光a2(前向传输光)。每路连续激光a2分别经过一路传输光纤b1通过环形器c的1端口进入环形器c，并经环形器c的2端口耦合得到光信号a3(前向传输光)，a3经传输光纤b2进入光纤声波检测探头a。

(2)在光纤声波检测探头a中传输的光信号a3首先经过传输光纤b4的端面进入b4端面与石墨烯薄膜g构成的fp腔中，石墨烯薄膜g会对光信号a3进行反射，得到反射光r1，再经fp腔将反射光r1反射回到传输光纤b2中。

反射光r1通过环形器c的2端口耦合进入环形器c，并经环形器c的3端口耦合得到反射光r2(即传输光纤b3中的传输光)，r2经传输光纤b3进入相位检测器d。经由对应的相位检测器d对b3中的反射光r2进行相位检测。

当光纤声波检测探头a的探测范围内存在声波信号s时(在发生矿难时，s表现为被困人员的声音信号)，会引起光纤声波检测探头a上的石墨烯薄膜g产生振动，进而引起fp腔的腔长i的变化，如图6所示。腔长i的长度变化频率与声波信号s的频率相同。腔长i的变化会引起反射光相位产生改变，经相位检测器d可以探测到反射光相位的变化。即当相位检测器d存在检测结果，则表示光纤声波检测探头a的探测范围内存在声波信号s；若无检测结果，则表示不存在声波信号s。

基于上述原理，则当矿难发生后，可以基于相位检测器d的检测到存在相位变化，来确定矿井通道是否存在生命迹象，并基于对应光纤声波检测探头a的设置位置，而得到被困人员(发出声波信号的被困人员)的位置信息，实现对存在生命迹象的被困人员的检测及定位处理。

(3)多通道数据采集卡q的每一个通道对应一个相位检测器d，对多个相位检测器同时进行数据采集。采集到的声音数据输入到信号处理主机n中进行信号处理分析及显示。图7为未检测到声波信号s时，信号处理主机n对输入的声音数据的实时显示；图8则是在检测到声波信号s时，信号处理主机n对输入的声音数据的实时显示。

(4)在信号处理主机n中，会对每个光路所采集到的声音数据信息进行记录，对检测到的振动信号的频率和强度进行分析，同时也可以将采集到的声音进行实时播放，进而确定被困人员的生命特征情况。同时，由于不同光纤声波检测探头是按照等距离放置，根据不同探头所检测到的声音的强度信息，可以对被困人员进行定位。一旦发生矿难，则可以第一时间确定被困人员的生存情况与位置信息，为救援工作提供帮助。

综上所述，通过分析处理检测到的井下人员声音信号，本发明可以对井下工作人员生命特征快速检测并对人员进行精确定位。采用的高灵敏度光纤声波检测探头可以保证整个系统具有很高的灵敏度。同时，多点检测的分布式结构可以完全覆盖整个矿井通道，不会发生漏测情况。同时系统操作简单，光纤本身具有相当长的使用年限，可以保证整个系统的可靠性。通过本系统对井下被困人员进行检测与定位，可以为救援人员提供被困人员的位置信息，为救援工作节省时间。