一种基于压缩光的露天矿边坡气体监测方法和系统

本发明属于露天矿边坡安全，尤其涉及一种基于压缩光的露天矿边坡气体监测方法和系统。

背景技术：

1、露天矿边坡尺度大、断层节理发育，长期受开挖卸荷、爆破振动、降雨入渗和风化共同作用。现有监测依托 gnss、全站仪、边坡雷达获取地表位移，依托测斜仪、孔压计获取深部信息，依托微震、声发射及 fbg、botdr/botda、das 等光纤技术感知破裂与应变，各手段仅覆盖变形链条的单一环节，深部微裂隙萌生阶段宏观位移尚不明显，难以反映孔隙 —裂隙网络的早期连通性变化。

2、研究表明，边坡变形会改变孔隙率、裂隙张开度、连通性和渗透率，引起气体扩散、对流与吸附解吸重新分配，使氡、二氧化碳、甲烷等气体沿裂隙和断层优势通道迁移，在浓度、通量、组分比、梯度和响应时延上产生异常，成为表征裂隙演化的化学 — 输运观测量。然而现有气体监测多为常规传感器单点离散取样，受弱吸收和漂移限制，测量噪声难以突破经典相干光散粒噪声基准，低浓度差分异常辨识度不足，也无法连续刻画迁移路径；压缩光虽可在损耗、探测效率和模式匹配满足条件时使噪声低于散粒噪声基准，但压缩态在长光路和多通道切换中易退化，现有系统缺少在线有效性判定与经典备份。

3、此外，气体浓度受温湿度、气压、降雨、风速、土壤含水率和设备状态影响显著，现有方法缺少稳定区参考与环境解耦，易将气象过程和设备扰动误判为边坡异常；异常判识多依赖单一浓度阈值，未结合多节点空间传播与多气体组分协同进行时空分析，也未与位移、应变、孔压、微震等物理监测量融合，漏判误判多、置信度不足，难以满足边坡失稳早期预警需要。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于压缩光的露天矿边坡气体监测方法和系统。

2、依据本发明的技术方案的第一方面，提供一种基于压缩光的露天矿边坡气体监测系统，其包括包括气体采集模块、压缩光产生模块、气体作用模块、吸收测量模块、光谱反演模块、环境修正模块、异常分析模块和风险判识模块；

3、气体采集模块包括若干气体采样点，所述气体采集模块用于获取若干种目标气体；

4、压缩光产生模块用于生成匹配所述目标气体对应吸收波段的压缩光，所述压缩光包括参考光和探测光；

5、气体作用模块与所述压缩光产生模块的探测光出口相连通，用于存储若干种所述目标气体，并使所述探测光经过所述目标气体；

6、吸收测量模块用于对所述参考光和经过目标气体后的探测光进行平衡探测，得到若干带有标定激光频率的吸收信号；

7、光谱反演模块用于对所述吸收信号进行解析得到目标气体参数；

8、环境修正模块用于获取环境参数对所述目标气体参数进行修正，得到补偿参数；

9、异常分析模块用于根据所述补偿参数对若干气体采样点进行时空分析，得到时空异常特征；

10、风险判识模块用于获取目标边坡的物理监测量，并根据所述时空异常特征和物理监测量生成风险等级，并根据所述风险等级输出监测结果。

11、本发明的进一步改进在于：在所述压缩光产生模块中，先确定所述目标气体对应的吸收波段，然后根据所述吸收波段生成压缩光，当无法直接根据所述吸收波段生成压缩光时；

12、生成已知波段的光作为过程光，根据所述吸收波段对所述过程光采用低噪声频率转换得到压缩光。

13、本发明的进一步改进在于：所述若干气体采样点的设置类别包括：

14、稳定区采样点，用于设置在地质条件相同且远离潜在变形区的位置；

15、潜在滑带采样点，用于设置在潜在剪切带周围；

16、裂隙/断层采样点，用于设置在已知裂隙和已知断层处；

17、坡脚采样点，用于设置在目标边坡的坡脚内；

18、大气背景采样点，用于设置在目标边坡周围靠近地面的空中；

19、多层采样点，用于设置在目标边坡的不同深度处。

20、本发明的进一步改进在于：所述光谱反演模块用于执行以下步骤：

21、对所述吸收信号进行去噪处理；

22、对去噪处理后的吸收信号进行归一化处理；

23、根据所述吸收波段对归一化处理后的吸收信号采用基线拟合或浓度反演，得到气体参数。

24、本发明的进一步改进在于：所述环境修正模块用于执行以下步骤：

25、获取目标边坡的环境参数；

26、根据所述环境参数对所述目标气体参数进行环境补偿处理；

27、对环境补偿处理后的目标气体参数进行数据有效性筛选，得到所述补偿参数。

28、本发明的进一步改进在于：所述异常分析模块用于执行以下步骤：

29、根据所述补偿参数对每一气体采样点进行时序变化分析，得到单采样点异常指标；

30、根据所述补偿参数对若干气体采样点进行空间关联分析，得到空间异常指标；

31、根据所述补偿参数对若干种目标气体进行组分协同分析，得到多气体协同指标，并由所述单采样点异常指标、空间异常指标和多气体协同指标得到所述时空异常特征。

32、本发明的进一步改进在于：所述风险判识模块用于执行以下步骤：

33、获取目标边坡的物理监测量，对所述物理监测量与所述时空异常特征进行融合处理；

34、根据融合处理结果进行风险分级，得到所述风险等级；

35、根据所述风险等级生成并输出所述监测结果。

36、本发明的进一步改进在于：所述压缩光产生模块采用光学参量振荡器、光学参量放大器、原子蒸气四波混频装置、集成非线性波导或具有输出幅度压缩光或双模强度差压缩光功能的装置。

37、本发明的进一步改进在于：所述目标气体包括二氧化碳、甲烷、氡、硫化氢、氨、氧气、水或挥发性有机物中的任意一种或一种以上组合。

38、依据本发明的技术方案的第二方面，提供一种基于压缩光的露天矿边坡气体监测方法，其基于前述的基于压缩光的露天矿边坡气体监测系统，其包括以下步骤：

39、步骤s1：从预设的若干气体采样点获取若干种目标气体；

40、步骤s2：生成匹配所述目标气体对应吸收波段的压缩光，所述压缩光包括参考光和探测光；

41、步骤s3：使所述探测光经过所述目标气体；

42、步骤s4：对所述参考光和经过目标气体后的探测光进行平衡探测，得到若干带有标定激光频率的吸收信号；

43、步骤s5：对所述吸收信号进行解析得到目标气体参数；

44、步骤s6：获取环境参数对所述目标气体参数进行修正，得到补偿参数；

45、步骤s7：根据所述补偿参数对若干气体采样点进行时空分析，得到时空异常特征；

46、步骤s8：获取目标边坡的物理监测量，并根据所述时空异常特征和物理监测量生成风险等级，并根据所述风险等级输出监测结果。

47、与现有技术相比较，本发明的上述技术方案具有如下有益技术效果：

48、1、本发明通过集成气体采集、压缩光产生、吸收测量、光谱反演、环境修正、异常分析和风险判识模块，构建采气、增强读出、解耦与时空判识一体化链路，使弱吸收信噪比显著提高，解决了单点取样难以刻画迁移路径、气象背景与裂隙异常难区分的问题，实现气体异常连续监测与风险等级自动输出。

49、2、本发明通过按目标气体吸收波段生成压缩光、目标波段难以直接产生时先在已知波段生成过程光再经低噪声频率转换获得压缩光的两级方式，使压缩光波段与吸收线精确匹配，解决了部分吸收波段缺乏成熟压缩光源、覆盖波段受限的问题，实现多波段压缩光测量的灵活适配与低噪声输出。

50、3、本发明通过按稳定区、潜在滑带、裂隙 / 断层、坡脚、大气背景和多层六类位置布设气体采样点，构建覆盖高程、深度和潜在滑移区的立体采样网络，使气体浓度、梯度和传播时延差异被完整捕捉，解决了单点取样无法刻画迁移路径与来源方向的问题，实现裂隙活化异常的空间定位与深浅来源辨识。

51、4、本发明通过对吸收信号依次去噪、归一化和基线拟合或浓度反演的处理流程，使暗电流、电子噪声、激光功率漂移和基线倾斜被逐级抑制，解决了弱吸收下信号易被噪声淹没、浓度反演漂移失真的问题，实现浓度、通量和组分比的稳定准确获取，为环境修正与异常分析提供可靠数据基础。

52、5、本发明通过同步获取环境参数、对目标气体参数环境补偿并经数据有效性筛选得到补偿参数的方式，使温湿度、气压、降雨、风速及设备状态造成的浓度波动被分类解耦剔除，解决了气象变化与设备扰动易被误判为边坡异常、误报率高的问题，实现补偿参数环境无关化输出，提高异常判识准确性。

53、6、本发明通过对补偿参数并行开展时序变化、空间关联和组分协同分析并汇总为时空异常特征，使异常的幅值、速率、持续性、空间梯度、传播方向和组分协同关系被多维刻画，解决了单一浓度阈值判据易漏判误判且无法识别裂隙连通性演化的问题，实现从单点浓度判断向多节点时空传播判断升级。

54、7、本发明通过获取物理监测量并与时空异常特征融合、据此风险分级并输出监测结果，使气体观测量与位移、应变、孔压、微震等物理监测量在时空上相互印证，解决了单一气体证据置信度不足、难以支撑预警决策的问题，实现风险等级、置信度和复核措施分级输出，增强边坡预警证据链。

55、8、本发明通过采用光学参量振荡器、光学参量放大器、原子蒸气四波混频装置、集成非线性波导或可输出幅度压缩光、双模强度差压缩光的装置产生压缩光，使光源可按目标波段与工程条件灵活选型，解决了单一装置波段覆盖有限、适应性差的问题，实现两类压缩模式下低噪声光源的稳定获取。

56、9、本发明通过选取二氧化碳、甲烷、氡、硫化氢、氨、氧气、水或挥发性有机物的一种或多种作为目标气体，使土壤呼吸、煤层逸散、裂隙迁移和环境变化等来源信息获多组分表征，解决了单一气体易受稀释和环境干扰、异常来源难辨别的问题，实现多气体组分比协同分析与气源辨识，提升判别稳健性。