专利名称：一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿井下的监测系统，尤其涉及ー种其井下部分不包含任何电子元器件、无需电能供应因而本质安全的分布式全光纤井下监测系统，可应用于所有矿井，尤其是易燃易爆环境下矿井的安全生产和事故抢救领域。
背景技术：
长期以来，以煤矿为典型代表的地下矿井，地质条件复杂多变，经常受到瓦斯、水、 火、煤尘、塌方等灾害的威胁，再加上技术装备水平相对落后、职エ队伍素质普遍不高、安全管理不足，导致各种事故频发，对井下工作人员的生命安全构成严重威胁。如何有效监测井下各种系统的正常运作和环境中的危险信息，以及矿难发生后进行及时有效的救援，已成为矿井安全生产最重要的任务。现有的井下监测系统，无论是传感器、数据采集系统，还是数据传输系统，均由电子元器件組成，其运行需要电カ供应，这些电子元器件在井下恶劣环境中长期运行，不可避免的产生短路、电火花、局部发热等现象，这样的井下监测系统本身就带有先天的安全隐患，尤其是在瓦斯气体浓度较高的区域，更具危险性。
发明内容
针对现有井下监测系统的上述缺陷，本发明的目的是提供ー种其井下部分不包含任何电子元器件、无需电能供应因而本质安全的分布式全光纤井下监测设备。本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输光缆和分布式光纤传感终端组成，监测终端位于井上，分布式光纤传感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其特征在干，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反射端組成，所述光预处理模块由两个光纤耦合器通过两段光纤跳线并列连接而成， 其中一段光纤跳线上制作有光纤延迟线，光预处理模块的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有反射端。其特征在干，所述监测终端由光源模块和光分路模块组成输出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件，传输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采集模块、数据处理模块和显示模块。其特征在干，所述的传感光缆由光纤、加强层、保护层组成。将监测终端放置在井上的监测机房中；将传输光缆一端连接监测终端，另一端进入井下，连接到分布式光纤传感终端中的光预处理模块；由光预处理模块另一端延伸出来的传输光缆，沿着矿井巷道铺设，在传输光缆的终端连接反射端。本发明的工作机理是监测终端通过传输光缆向分布式光纤传感终端发射光信号；井下环境中产生的各种动态信息，通过各种媒介，对传感光缆形成扰动，从而引起传感光缆内部光程的微小变
3化；经过反射端的反射后，这种光程变化的光信号原路回传到监测终端，在监测终端内部完成光电转换、信号采集、分析处理、显示与报警等功能；在监测终端中，经过对返回信号的时域分析，可再现扰动源的变化信息；经过对返回信号的频域分析，可对扰动源进行定位，从而实现对井下各种动态信息的实时监測。本发明中，所述的井下环境中产生的各种动态信息，是指各种能够使传感光缆产生随时间变化的微小几何形变的信息，包括但不局限于井下人员说话、走路、敲击墙壁、地震波、水流等产生的声波、振动、冲击波等。本发明中，所述的各种媒介，是指井下的空气、土层、水等，通过这些媒介，能够将环境中的各种动态信息传递到传感光缆。本发明中，所述的扰动，是指传感光缆产生的随时间变化的微小几何形变。与已有技术相比，本发明具有以下优点1.本质安全。本发明中在井下的部分全部由无源光纤器件組成，不具有引起危险的物理基础，在工作时无电流通过，不辐射电磁波，也不受电磁干扰，不会产生电火花、漏电、短路、发热等现象，可长期工作在高密度的瓦斯气体中而不具有危险性。在要求极其严格的条件下，本系统在井下的部分还可做到不含任何金属成分。2.绿色节能，低碳环保，尤其适用于大型矿井。本发明中仅在井上的监测终端需要低功率的电能供应，井下部分全部通过光纤器件传输光能，能量损耗极小，可在井下长达数十公里的范围内无需外界能源供应而长期运行。3.适用环境广。本发明在井下的部分全部由无源光纤器件組成，可在潮湿、水下、 高温、腐蚀等各种恶劣环境下长期稳定工作。4.分布式传感。本发明中核心的传感元器件仅为ー根传感光缆，只需将传感光缆沿井下巷道铺设，整根光缆的任何部位都可作为传感器，同时完成周围环境中扰动信息的传感与定位功能。5.同时具有安全生产监测和事故后辅助救援的功能。本发明在平时可对井下人员的工作状态进行监测，在透水、塌方等事故后，即使分布式光纤传感终端被掩埋，井下人员仍然可以通过敲打土石等方式向井上的监测终端单向传递信息。6.和光通信系统相结合。本发明可通过共用通信光缆中单芯光纤的方法，和井下的各种基于光缆通信的其他系统复合使用。
图1是本发明的原理结构简图；图2是本发明中监测终端的结构示意图，其中实体箭头为光路方向，中空箭头为电路方向；图3是本发明实施例的分布式光纤传感终端的结构示意图；图4是本发明具体实施例中用于对扰动源定位的频谱曲线图。图中，10.监测终端，20.传输光缆，30.分布式光纤传感终端，11.光源模块，12.光分路模块，13.检测和放大模块，14.数据采集模块，15.数据处理模块，16.显示模块，31.光预处理模块，32.传感光缆，33.反射端，34.扰动源，311. 2X2光纤耦合器，312. 2X2光纤耦合器，313.光纤延迟线，314.光纤跳线，315.光纤跳线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输光缆和分布式光纤传感终端组成，监测终端位于井上，分布式光纤传感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其特征在干，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反射端組成，所述光预处理模块由两个光纤耦合器通过两段光纤跳线并列连接而成， 其中一段光纤跳线上制作有光纤延迟线，光预处理模块的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有反射端。其特征在干，所述监测终端由光源模块和光分路模块组成输出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件，传输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采集模块、数据处理模块和显示模块。其特征在干，所述的传感光缆由光纤、加强层、保护层组成。实施例如图1所示，所述ー种本质安全的分布式全光纤井下监测系统由监测终端10、传输光缆20和分布式光纤传感终端30三部分組成，其中，监测终端10位于井上，分布式光纤传感终端30位于井下，传输光缆20连接监测终端10和分布式光纤传感终端30，位于井下的分布式光纤传感终端30无需电カ供应，位于井上的监测终端10有电カ供应。结合图2和图3，本实施例包括监测终端10、传输光缆20、分布式光纤传感终端 30，传输光缆20两端分别连接监测终端10和分布式光纤传感终端30。监测终端10如图2 所示，其中包括光源模块11、光分路模块12、检测和放大模块13、数据采集模块14、数据处理模块15、显示模块16 ；分布式光纤传感终端30如图3，其中包括光预处理模块31、传感光缆32、反射端33 ；光预处理模块31中包括2X2光纤耦合器311、2X2光纤耦合器312、光纤延迟线313、光纤跳线314、光纤跳线315，其中光纤跳线314、315连接2X2光纤耦合器311 和2X2光纤耦合器312，光纤延迟线313制作在光纤跳线314上。应用本发明时，将监测终端10放置于井上的安全监控中心，传输光缆20—端连接井上的监测终端10，另一端深入井下，引出两芯光纤(分别发射和接收光信号)，接入分布式光纤传感终端30。假设根据井下监测的具体要求，定义N条分支的巷道需要分布式光纤传感终端30，则传输光缆20中至少应包含2N个光纤芯数。本实施例的光路特征是宽光谱的光源模块11发出的连续光波，进入光分路模块 12后，被平均分配为N个光分量，通过传输光缆20被分別分配到N个分布式光纤传感终端 30中。在分布式光纤传感终端30中，光能量被2X2光纤耦合器311分为2个光分量，其中进入跳线315的光分量直接进入2X2光纤耦合器312中；进入跳线314的光分量经过光纤延迟线313，产生了延时τ后，再进入2X2光纤耦合器312;跳线314、315中的两个光分量在2 X 2光纤耦合器312中合并后进入传感光缆32，因此，在传感光缆32内部传播的是两个具有时间差τ的光分量，这两个光分量经过一定距离的向前传播后，遇到传感光缆32末端的反射端33，被反射后沿传感光缆32原路向后传播，至2X2光纤耦合器312后，原来具有时间差τ的两个光分量被再次分光后分别通过具有光纤延迟线313的跳线314和没有延时的跳线315，并进入2Χ2光纤耦合器311中合井，合并后进入传输光缆20，并通过传输光缆20回到监测终端10中。光预处理模块31在本实施例中起到分离传感系统和传输系统的作用。光预处理模块31—端连接的传感光缆32，能够感知周围环境中的动态信息，起到传感的作用；当光分量往返两次通过光预处理模块31吋，经过分束、合束、延迟等光学预处理作用，之后再回到光预处理模块31另一端的传输光缆20，此时传输光缆20仅仅起到传输光信号的作用，其内部的光信号不再受周围环境中各种扰动信息的影响。在分布式光纤传感终端30中一共产生如下的4个光分量(a)向前传播时具有延时τ，向后返回时没有延时；(b)向前传播时没有延时，向后返回时具有延时τ ； (c)向前传播和向后返回都没有延时；(d)向前传播和向后返回都具有延时τ。因为光源模块11采用宽光谱光源，使得光波的相干长度小于光纤延迟线313的长度，因次，上述4个光分量中， 只有光分量(a)和(b)满足相干条件，产生干渉后的光波进入检测与放大模块13，转变为电信号后依次进入数据采集模块14、数据处理模块15、和显示模块16中。本实施例的工作机理如下分布式光纤传感终端30周围环境中的各种动态信息，可看作是扰动源34对传感光缆32的扰动，从而对传感光缆32中传播光的相位进行调制。例如，声波在空气中的传播将引起空气环境声压改变，声压改变将引起传感光缆32内部作为弾性体的裸光纤的几何形状的微小变化；又如，在墙壁中传播的机械波，也会引起附着在其上的传感光缆32内部光纤几何形状的变化。根据光纤的弹光效应，这些扰动将导致光纤长度和折射率的微小变化，从而使得光纤内部传输的光，在经过传感光缆32的时候走过的光程随时间而变化。在周围环境没有对传感光缆32产生扰动的情况下，光分量(a)和(b)在经过传感光缆32后，走过的光程完全相同。在扰动源34在传感光缆32某点处产生扰动的情况下，当光波向前传播时受到扰动源34的第一次调制，当光纤中的光波遇到反射端33后被反射向后传播至扰动源34吋， 被第二次调制。设两次调制之间的时间间隔为T，扰动源34所处的位置和反射端33之间的距离为L，显然T和L之间有下式成立
T 2neffLc
(1)其中neff为光纤的有效折射率，c是真空中的光速。普遍情况下，扰动源34产生的扰动信号包含多个频谱成分，因此，对光波的相位扰动，可以看作是多个正弦频率的扰动分量的叠加。现只考虑其中频率为ω的扰动分量， 则有
φ{ω, ) = φοΒ η^ω )/乃)其中树 ,り是某时刻由于受到频率为ω的扰动而产生的光波的相位移动，外是与扰动源和光纤特性相关的常量。由于前述的具有时间差τ的两束相干光都经过了两次调制，分别在レセ+1\セ+1バ+1+!~时刻，τ是两束光先后经过扰动点的时间差，则有
Αφ(ω, ) = φ0{ η[ω{ + て)]+ η[ω( + r + 7')]}-φ0\ sin cot + sin[ (i + 7')]}
权利要求
1.一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输光缆和分布式光纤传感终端組成，监测终端位于井上，分布式光纤传感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其特征在干，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反射端組成，所述光预处理模块由两个光纤耦合器通过两段光纤跳线并列连接而成，其中一段光纤跳线上制作有光纤延迟线，光预处理模块的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有反射端。
2.根据权利要求1所述的ー种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，其特征在干， 所述监测终端由光源模块和光分路模块組成输出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件， 传输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采集模块、数据处理模块和显示模块。
3.根据权利要求1所述的ー种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，其特征在于 所述的传感光缆由光纤、加强层、保护层组成。
全文摘要
本发明涉及一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由放置在井上的监测终端、井下的分布式光纤传感终端和连接两者的传输光缆三部分组成，其中在井下的部分全部由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无需电能供应，不辐射电磁波，本质安全。本发明利用井下的传感光缆对周围环境中的各种动态信息进行传感，利用传输光缆将这些信息传送回井上，最终由监测终端分析处理后真实还原，实现对井下各种动态信息的实时监测和对异常信息的识别、定位、预警功能，适用于各种矿井，尤其是易燃易爆环境下矿井的安全生产和事故抢救领域。
文档编号E21F17/18GK102562158SQ201010604720
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者唐璜, 贾波, 赵栋 申请人:上海杰蜀光电科技有限公司