本发明涉及油烟气体监测光学仪器设备领域，特别是涉及一种适合铁道、公路、江河海底等长隧道空间环境油烟气体光学监测仪光路系统设计。
背景技术：
随着交通运输事业朝着便利快捷方向发展，高铁、高速公路、江河海底隧道等长型、超长型隧道建设使用规模越来越大，特别如大西南公路铁路隧道、江底隧道与近海隧道的建设使用，给物质流通及人们的出行带来了极大的方便，人们在享受安全舒适、快捷便利的交通出行的同时，安全防范意识在大步提升，特别世界各国在经历了一次次大小事故之后，隧道安全预警、监控问题被提到前所未有新高度，隧道安全防范除对地震裂缝、滑坡、泥石流等自然灾害进行实时监测预警外，特别对一些常见重大人为事故如火灾、烟雾、有毒气体泄露等进行实时监控预警更显至关重要。
常规的室内火灾烟雾探测报警技术系统，是在隧道顶部分布一些烟雾探测传感器，用电线电缆将传感器探测信号链接到隧道监控中心监视室监控，一旦隧道产生烟雾发生火灾，扩散到达传感器的烟雾达一定浓度值时，传感器烟雾信号推动火灾报警系统进行报警。由于此类探测器灵敏度低、反应时间慢，且在隧道空间布置的数量有限，除对一些重大火灾进行报警，不能在烟雾浓度较低的火灾初始阶段即不能于火灾发生前进行预警，也不能对一些无色无烟但毒害性很大的化学气体进行监测预警，安全预警效果并不理想，不能满足对隧道安全进行实时监控预警需求。
因此亟需提供一种新型的隧道安全监控预警装置来解决上述问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪光学系统，能够对隧道空间环境中油烟气体含量、碳氢化合物浓度等空气质量进行实时监控、预警。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪光学系统，包括安装在隧道外部监控室的光纤光源、光电传感器、信号数据处理系统、安装在隧道内的光纤光源分束器、标定参考光源通道、若干环境监测光源通道、以及连接隧道内部与外部监控室的多芯传输光纤光缆；
标定参考光源通道与环境监测光源通道均由光学接收-发射头、角反射器组成，光学接收-发射头包括光纤光源发射头、光束会聚透镜、光纤接收头；
光纤光源的发射光通过多芯传输光纤光缆传输至光纤光源分束器，被光纤光源分束器分束后分别引入标定参考光源通道及若干环境监测光源通道；标定参考光源、环境监测光源分别通过光纤光源发射头输出，被角反射器反射后沿入射光路返回至光束会聚透镜，经光束会聚透镜汇聚耦合到光纤接收头，再经多芯传输光纤光缆输出至光电传感器转换为光电信号，所述光电信号传输至信号数据处理系统。
在本发明一个较佳实施例中，标定参考光源通道还包括标定用封闭空间管网，其包括若干相互串接的中空管，标定参考光发射头与角反射器分别置于中空管的两端。标定用封闭空间管网为标定光纤光源光谱功率值，及被监测环境的背景参考光用封闭清洁空间。
进一步的，标定用封闭空间管网安装固定在隧道平直光滑路段侧墙上方，与环境监测光源通道的传输光纤光缆平行。
在本发明一个较佳实施例中，光纤光源分束器与标定参考光源通道及若干环境监测光源通道的光纤光源发射头分别通过传输光纤相连。
在本发明一个较佳实施例中，光纤光源发射头为带尾纤与光学准直器的光纤光源发射头，尾纤通过一连接器与传输光纤连接。
在本发明一个较佳实施例中，多芯传输光纤光缆的每根传输光纤光缆的一端分别与标定参考光源通道、若干环境监测光源通道的光纤接收头相连，另一端分别与对应标定参考光源通道、若干环境监测光源通道的光电传感器相连。标定参考光源通道及每个环境监测光源通道均有各自的传输光纤。
进一步的，根据隧道内环境需求，光纤光源分束器为两路或多路分束，每路光束分光比值相同或不同。
进一步的，光电传感器包括光电探测器、光谱仪。
在本发明一个较佳实施例中，对于超过20km长的隧道通过分段设点布置的方式，串接或并接若干所述光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪光学系统对隧道进行监控。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用全光纤光学系统设计，光能、信号传输均采用光纤光缆技术，将监测光源发射与接收通过光纤光缆进行隧道与外部监控室的信号链接，由于光纤光缆传输光能信号损耗小，抗干扰能力强，传输距离远，对于长度为几千米、十几千米内的隧道，监测系统完全可以实现无中继站运行，而对于几十千米、几百千米超长隧道，既可以将监测信号通过光纤光缆传输到隧道终端地面，由地面中央监控室统一集中监控，也可由隧道内置预留的道间监控室分散监控，从而实现全隧道的全方位24小时实时监控预警；
(2)本发明监测光束穿过隧道空间，被隧道空间环境中油烟气体、碳氢化合物等吸收，运用光学光功率谱吸收技术方法，实时检测光束光谱功率数值变化量，对此数据进行分析处理，从而获得隧道空间环境中油烟气体或有毒有害化合物的成分含量、浓度分布信息，为隧道安全预报预警提供依据，完成隧道空间环境油烟气体成分、含量浓度分布的数据显示、信息输出及预警预报；
(3)本发明将光纤光源、光电接收、数据处理等大型带电设备安装在离隧道口较远的地面监控室安全场所，避免监控仪器设备等占用隧道宝贵的空间，同时也给仪器操作监控、维护保养等带来极大方便，由于光纤监测系统没有将电源电线引入隧道，避免了监测仪器设备给隧道增添次生不安全因素；
(4)光纤型光学仪器设备结构简单，费用低，使用寿命长，安全可靠，使用维护方便。
附图说明
图1是本发明光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪光学系统一较佳实施例的结构示意图；
附图中各部件的标记如下：1、光纤光源调制驱动模块，2、光纤光源，3、多芯传输光纤光缆，4、光纤光源分束器，5、传输光纤，6、监测光发射头，7、被监测环境空间，8、角反射器，9、光束会聚透镜，10、监测光光纤接收头，11、光电传感器，12，标定参考光发射头，13，标定用封闭空间管网，14、标定参考光光纤接收头，15、信号数据处理系统，16、标定参考光源通道，17、环境监测光源通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪光学系统，包括安装在隧道外部隧道中央监控室内的光纤光源调制驱动模块1、光纤光源2、光电传感器11、信号数据处理系统15、安装在隧道内的光纤光源分束器4、标定参考光源通道16、若干环境监测光源通道17、以及连接隧道内部与外部监控室的多芯传输光纤光缆3，标定参考光源通道16用于所述光纤型隧道空间环境油烟气体监测仪的校准，用于光纤光源2及被监测环境背景光的修定；环境监测光源通道17则用于隧道空间环境油烟气体、化合物浓度的监测。标定参考光源通道16与环境监测光源通道17均由光学接收-发射头、角反射器8组成，光学接收-发射头包括光纤光源发射头、光束会聚透镜9、光纤接收头。标定参考光源通道16还包括标定用封闭空间管网13，标定用封闭空间管网13为光纤光源2及监测环境背景标定用封闭的环境空气清洁的空间管网，其包括若干相互串接的中空管，标定参考光发射头12与角反射器8分别置于中空管的两端。
光纤光源调制驱动模块1为光纤光源2提供电力驱动，光纤光源2为光纤输出的隧道监测用光源。光电传感器11可采用光电探测器或光谱仪，用于将接收的监测光、标定参考光转变为电信号。信号数据处理系统15的功能包括数据采集存储、计算处理、显示输出等。多芯传输光纤光缆3采用由多根传输光纤组合成型的户外铠装多芯光缆，多芯传输光纤光缆3中的传输光纤的一端分别与标定参考光源通道16及若干环境监测光源通道17的光纤接收头相连，另一端分别与对应的标定参考光源通道16、若干环境监测光源通道17的光电传感器11相连。标定参考光源通道16及每个环境监测光源通道17均有各自的传输光纤。光纤光源分束器4是光纤光学元件，将光纤光源2输出的一束光按需要的比例分束为多束光输出，根据隧道内环境需求，光纤光源分束器4为两路或多路分束，每路光束分光比值相同或不同。光纤光源分束器4与标定参考光源通道16、若干环境监测光源通道17的光纤光源发射头分别通过传输光纤5相连，传输光纤5采用带尾纤的普通光纤。光纤光源发射头为带尾纤与光学准直器的光纤光源发射头，包括监测光发射头6、标定参考光发射头12，尾纤通过一连接器与传输光纤5连接。角反射器8能反射入射光并原路返回，光束会聚透镜9将反射回来的监测光或标定参考光进行汇聚，光纤接收头用于接收汇聚的监测光或标定参考光，包括监测光光纤接收头10、标定参考光光纤接收头14。
从光纤光源2发出的监测光经多芯传输光纤光缆3中的一根光纤传输到光纤光源分束器4，被光纤光源分束器4分割为环境监测光与标定参考光，环境监测光通过传输光纤5由监测光发射头6输出，穿越被监测路段环境空间7，到达角反射器8，然后被反射回到光束会聚透镜9，监测光经光束会聚透镜9汇聚耦合到监测光光纤接收头10上，再通过多芯传输光纤光缆3中的一根光纤传输到监控室内的光电传感器11，产生监测光电(光谱)信号，输出给信号数据处理系统15进行分析处理。从光纤光源分束器4分出的标定参考光通过传输光纤5到达标定参考光发射头12输出，参考光穿越封闭清洁的标定用的封闭管网空间13，到达角反射器8，而后被反射回到光束会聚透镜9，汇聚耦合到标定参考光光纤接收头14，通过多芯传输光纤光缆3中的一根光纤传输到监控室内光电传感器11上，产生参考光电(光谱)信号输出给同一个信号数据处理系统15进行数据分析处理，由于监测光源往返两次穿越被监测路段空间环境7，光谱功率被此路段空间环境中的油烟气体、碳氢化合物等吸收，实时检测、比对光源吸收前后光谱功率的变化值，经数据处理获得监测路段空间环境中油烟气体含量、碳氢化合物浓度的检测数据，处理后通过数据信息的显示与输出，完成隧道监测路段空间环境监测预警预报。对于超过20km长隧道则分段设点布置，串接或并接若干监测仪光学系统进行监控。
在一具体实施例中，以2600米公路隧道气体烟雾监测仪设计为例，监控室设在地面距隧道入口60米处。考虑公路隧道弯曲半径较小的特点，光学设计以每200米左右长的隧道为一监测路段，设置一监测基点，共需设置13个基点，选用24芯户外铠装传输光纤光缆，光缆中一根光纤用于光纤光源传输，其一端连接光纤光源2，另一端与光纤光源分束器4连接，其余23根光纤中的16根光纤用于环境监测光的信号传输，另外7根光纤用于备份。多芯传输光纤光缆3将监测光源传输入隧道，同时将各路段各接收点接收到的信号光通过光纤光缆传输回地面监控室，光电转换及数据处理后显示并输出。
本实施例中将光纤光源发射头、光束会聚透镜9及光纤接收头集成为一体组成一个个独立的光学接收-发射头，每间隔200米左右一个，安装固定在隧道侧墙上方，并在此处相对位置安装一个个角反射器8，将监控室内的光纤光源2通过多芯传输光纤光缆3传输到隧道内的光纤光源分束器4内，光纤光源分束器4的光束分光比值为1：16，光源被光纤光源分束器4分割为一束标定参考光与15束环境监测光，将标定参考光与环境监测光分别引导入各自的发射头形成标定参考光源与环境监测光源。环境监测光通过各自的传输光纤5由监测光发射头6输出，穿越不同路段的被监测空间环境7，到达角反射器8，然后反射回到各自的光束会聚透镜9上，经光束会聚透镜9汇聚耦合到监测光光纤接收头10，再通过传输光缆3中各自的光纤传输到各光电探测器(光谱仪)11上，产生监测光电(光谱)信号，输出给信号数据处理系统18进行数据分析处理。标定参考光源通道16则是串接几根内径80mm的中空管，安装固定在隧道平直光滑路段侧墙上方与监测光缆平行，将标定用参考光发射头与角反射器分别置于管子两头，调整好光源与棱镜角度方向并固定，作为光纤光源及监测环境背景标定用封闭清洁的空间管网13，从光纤光源分束器4分出的标定参考光通过传输光纤3到达标定参考光发射头12输出，标定参考光穿越封闭清洁的空间管网13，到达角反射器8，被反射回到光束会聚透镜9，经汇聚耦合到标定参考光光纤接收头14上，通过多芯传输光纤光缆3传输到光电探测器(光谱仪)11上，产生参考光电(光谱)信号，输出给同一个信号数据处理系统18进行数据分析处理，系统完成标定光信号与监测光信号数据分析处理，从而获得被监测点的空间环境中的油烟气体成分、含量浓度分布的实时监测数据，完成数据信的显示与输出，实现隧道空间环境的监测预警预报。
本发明采用全光纤光学系统设计，光能、信号传输均采用光纤光缆技术，将监测光源发射与接收通过长线光纤光缆传导入隧道，由于光纤光缆传输光能信号损耗小，抗干扰能力强，传输距离远，对于长度为几千米、十几千米内的隧道，监测系统完全可以实现无中继站运行，而对于几十千米、几百千米超长隧道，既可以将监测信号通过光纤光缆传输到地面，由隧道中央监控室统一集中监控，也可由附属预留于隧道内的中间监控室分散监控，从而实现全隧道的全方位24小时实时检测监控；光纤监测系统运用光学光功率谱吸收技术方法，实时检测光束光谱功率数值变化量，从而得到隧道空间环境中油烟气体或有毒有害化合物含量、浓度等信息，为隧道安全预警预报提供依据，完成隧道空间环境油烟气体成分、含量浓度分布的数据显示、信息输出及预警预报。
另外，本发明将光纤光源、光电接收、数据处理等大型带电设备安装在离隧道口较远的地面监控中心安全场所，可避免监控仪器设备等占用隧道宝贵的空间，同时也给仪器操作监控、维护保养等带来极大方便，由于光纤监测系统没有将电源电线引入隧道，避免了监测仪器设备给隧道增添次生不安全因素；且光纤型光学仪器设备结构简单，费用低，使用寿命长，安全可靠，使用维护方便。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。