矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统与定位方法

1.本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统与定位方法。


背景技术：

2.矿井灾害事故主要以冒顶、瓦斯和粉尘爆炸、瓦斯突出、火灾以及透水等为主。在矿井发生灾害事故时，井下矿工被困，救援人员若未能及时搜寻到被困人员，并及时展开营救，就有可能导致被困人员错过最佳营救时间而伤亡。所以，及时有效地探测到井下被困人员的状态信息，实施救助，并消除灾情是救援工作的核心。而在煤矿井下发生灾害事故后，井下受灾区域断电，煤矿充满瓦斯、粉尘等大量有害物质，以及随时可能发生次生灾害，环境十分复杂恶劣，如何探测、定位井下被困人员是矿山救援领域里的重点研究工作。
3.目前已有的用于矿井灾害井下被困人员状态探测仪能够通过生命救援钻孔探测人员状态特征、姿态、位置等信息。该类探测仪是基于某些电学原理的，比如利用电磁波、声波、可见光、红外等传感器，将物理信号转换成电信号，经过滤波放大，再通过采集系统将模拟电信号转换为数字信号，可视输出相关曲线，或通过将数字信号转换为模拟信号，输出可被人直接识别的音视频。利用该类电学探测仪探测与定位井下被困人员，可有效营救被困人员。但是，目前该仪器都采用电学原理，所用设备需要本质安全认证才能下井；且在矿井灾害恶劣环境下，不耐腐蚀，易受潮而失效，容易受到电磁干扰而不稳定；更重要的是，该探测仪需要在地面向矿井灾害区域打通生命救援钻孔后才能将探测仪从钻孔中下放到井下使用，由于灾害发生后，从钻机到达施工现场、专家分析被困人员可能位置、根据分析结果设计钻孔、施工钻孔，一直到生命救援钻孔打通，需要几天时间，因此，该探测仪的时效性较差，容易错过最佳救援时间；且该类探测仪只能探测生命救援钻孔附近区域，属于局部探测，不能对受灾区域全覆盖探测。
4.综上所述，研发矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统与定位方法，仍是煤矿安全技术领域中急需解决的关键问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述缺点，本发明在于提供矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统与定位方法，本发明将高性能光纤分布式声波传感技术与小波降噪算法应用于矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测与定位，在探测系统中，矿井下仅有光缆，而光缆是无源器件，不会因为灾害或次生灾害发生而失效，因此，能够在不需要打生命救援钻孔的情况下，直接利用已有煤矿井下布设通讯光缆，实现米级高空间分辨率、高灵敏度和全覆盖受灾区域快速探测，可实时探测和定位受灾区域的被困人员及移动情况，其具有以下特点：可直接利用矿井已布设光缆，时效性好；可全覆盖探测受灾区域；在矿井灾害恶劣环境下生存能力很强；不受电磁干扰，性能稳定可靠，可以复原井下被困人员发出的任何声音，包括交谈的声音，可获得被困人员生命状态、移动情况等关键信息，可实现有效指导救
援工作。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
7.矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统，包括已有煤矿井下布设的通讯光缆，所述通讯光缆包括多根光纤，且多根光纤分布于煤矿井下，还包括光纤分线盒、光纤分布式声波传感系统、测控与数据处理系统、显示屏和声音复原系统，所述已有煤矿井下布设的通讯光缆与光纤分线盒前端连接，所述光纤分布式声波传感系统的前端与光纤分线盒的后端连接，所述光纤分布式声波传感系统的后端与测控与数据处理系统的输前端连接，所述测控与数据处理系统的输后端并联连接显示屏与声音复原系统。
8.本发明进一步设置为：所述光纤分线盒包括后端光纤接口、后端数据接口、分线控制模块和法兰盘，所述法兰盘布设有32个前端光纤接口，所述分线控制模块通过后端数据接口获得的指令，所述后端光纤接口与指令指定的某个前端光纤接口通过光纤连接，所述法兰盘与通讯光缆的光纤首端连接。
9.本发明进一步设置为：所述光纤分布式声波传感系统包括激光器及并联于其输出端的光发射模块和光检测模块，所述光发射模块由光纤耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器与环形器第一端口依次相连构成，所述光检测模块由环形器第二端口、偏振分集接收器与第一平衡光电探测器以及第二平衡光电探测器依次相连构成。
10.本发明进一步设置为：所述测控与数据处理系统包括由gpu和cpu组成的数据处理系统、测控核心单元fpga电路模块以及与其并联的dac电路模块与adc电路模块，所述dac电路模块包括dac电路和射频放大电路，所述dac电路与测控核心单元fpga电路模块内的控制端口连接，所述射频放大电路与声光调制器通过同轴电缆连接，adc电路模块与第一平衡光电探测器以及第二平衡光电探测器通过同轴电缆相连。
11.本发明进一步设置为：所述显示屏和测控与数据处理系统后端连接。
12.本发明进一步设置为：所述声音复原系统与测控与数据处理系统后端连接。
13.本发明还提供了矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测定位方法，包括以下步骤：
14.(1)根据救援专家确定的灾害影响区域，将于光缆中对应该区域的已有煤矿井下布设的通讯光缆的光纤与光纤分线盒的法兰盘上的接口分别连接；
15.(2)在测控与数据处理系统上设置探测系统接入的总光纤根数，以一定时间间隔，如2s，控制光纤分线盒将前端布设于矿井灾害影响区域的光纤轮流接入光纤分布式声波传感系统的前端；
16.(3)将激光调制形成线性扫频光脉冲，通过掺铒光纤放大器增强光功率后，送入待测光纤中，传输产生的后向瑞利散射信号与光发射模块产生的激光发生拍频，通过将拍频后的光信号转化为电信号，并解调后得到矿井灾害影响区域内的包含被困人员的状态的声波数据；
17.(4)采用测控核心单元fpga电路模块对采集的声波数据流进行实时匹配滤波，并利用旋转矢量平均算法处理，以消除相干衰落噪声的影响，然后进行相位空间差分运算，消除激光光源相位噪声的影响，实时获得灾害影响区域光纤各位置处的差分相位信息；
18.(5)使用高通滤波器对步骤(4)解调得到的差分相位信息进行滤波，滤除低频漂移；
19.(6)对经过高通滤波的差分相位信息进行小波降噪处理，对于含噪声的信号进行小波分解，通过选择合适的阈值，对每分解层的高频分量进行阈值处理，去除噪声比例高的小波系数，保留由信号控制的小波系数，最后再由这些小波系数重构得到去噪后的信号；
20.(7)将重构得到去噪后的信号送入声音复原系统输出，救援专家通过连续监听矿井灾害影响区域发出的声音，一旦发现有人发出的声音，立即点击定位按钮，探测系统通过指定的波形位置，找出探测到声音的对应光纤，并进一步计算出声音发出的具体光纤位置，通过查寻井下光缆布设信息，确定被困人员位置；
21.(8)重复步骤(3)-步骤(7)探测矿井灾害影响区域全部被困人员、定位被困人员以及跟踪被困人员的移动轨迹。
22.本发明进一步设置为：在步骤(1)中，所述光纤根数最多不能超过32根。
23.本发明进一步设置为：在步骤(5)中，所述高通滤波器的截止频率为临床上听力测试的人耳可听到的最低频率125hz。
24.有益效果
25.采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
26.(1)本发明的探测系统利用矿井下已布设的光缆作为分布式传感器，不需要打生命救援孔就可以直接探测，极大地缩短了被困人员的探测与定位时间，为营救争取了黄金时间。
27.(2)本发明间隔一定时间，如2s切换1根光纤，轮流循环探测灾害影响区域全部光纤，可全覆盖探测受灾影响区域中包含被困人员生命信息的声波信息，因此，本系统不仅可以定位被困人员，还可以跟踪被困人员活动轨迹，可实时优化营救方案。
28.(3)本发明的探测系统中，矿井下仅布设光纤作为分布式传感器，而光纤是无源器件，不会因为灾害和次生灾害发生而失效，提高了安全性。
29.(4)本发明的探测系统中，仅有光纤作为分布式传感器暴露在矿井灾害恶劣环境下，生存能力很强。
30.(5)本发明的探测系统中，仅有光纤作为分布式传感器暴露在矿井灾害恶劣环境下，不受电磁干扰，不怕腐蚀，受潮不失效，因此，可靠稳定。
31.(6)本发明的探测系统利用矿井下已布设的光缆作为分布式传感器，不需要打生命救援孔就可以直接探测，极大地降低了探测成本。
附图说明
32.图1为矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统的示意图；
33.图2为矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统的连接示意图。
34.图中标号说明：
35.1、光纤分布式声波传感系统；11、激光器；12、光纤耦合器；13、声光调制器；14、掺铒光纤放大器；15、环形器；16、偏振分集接收器；17、第一平衡光电探测器；18、第二平衡光电探测器；
36.2、测控与数据处理系统；21、射频放大电路；22、dac电路；23、adc电路；24、测控核心单元fpga电路模块；25、数据处理系统；3、显示屏；4、声音复原系统；5、光纤分线盒；51、后端光纤接口；52、后端数据接口；53、分线控制模块；54、法兰盘；6、通讯光缆；601、灾害影响
区域第1根光纤；632、灾害影响区域第32根光纤；7、煤矿井下生产系统。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.实施例1：
41.请参照图1-2所示，矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测系统，包括已有煤矿井下布设的通讯光缆6，通讯光缆6包括多根光纤，且多根光纤分布于煤矿井下，还包括光纤分线盒5、光纤分布式声波传感系统1、测控与数据处理系统2、显示屏3和声音复原系统4，已有煤矿井下布设的通讯光缆6与光纤分线盒5前端连接，光纤分布式声波传感系统1的前端与光纤分线盒5的后端连接，光纤分布式声波传感系统1的后端与测控与数据处理系统2的输前端连接，测控与数据处理系统2的输后端并联连接显示屏3与声音复原系统4。
42.在本实施例中，通讯光缆6中1次最多可接入32根光纤，如灾害影响区域第1根光纤601至灾害影响区域第32根光纤632，通讯光缆6接入到煤矿井下生产系统7，布设于煤矿井下灾害影响区域的每1m光纤相当于1个声波探测传感器，探测系统利用矿井下已布设的光缆作为分布式传感器，不需要打生命救援孔就可以直接探测，极大地缩短了被困人员的探测与定位时间，为营救争取了黄金时间。
43.在本发明中，光纤分线盒5包括后端光纤接口51、后端数据接口52、分线控制模块53和法兰盘54，法兰盘54布设有32个前端光纤接口，分线控制模块53通过后端数据接口52获得的指令，后端光纤接口51与指令指定的某个前端光纤接口通过光纤连接，法兰盘54与通讯光缆6的光纤首端连接。
44.在本实施例中，法兰盘54布设有32个前端光纤接口，使得法兰盘54一次能够接入32根光纤。
45.在本发明中，光纤分布式声波传感系统1包括激光器11及并联于其输出端的光发射模块和光检测模块，光发射模块由光纤耦合器12、声光调制器13、掺铒光纤放大器14与环形器15第一端口依次相连构成，光检测模块由环形器15第二端口、偏振分集接收器16与第一平衡光电探测器17以及第二平衡光电探测器18依次相连构成。
46.在本实施例中，通过光纤耦合器12将激光器11发出的激光耦合到光纤中，再由测控与数据处理系统2控制声光调制器13将光纤中的激光调制成线性扫频光脉冲，由掺铒光纤放大器14增强其光功率送入待测光纤中向前传输，传输不断产生的后向瑞利散射光信号与光发射模块产生的光脉冲发生拍频，通过将拍频后的光信号转化为电信号，并解调后得到矿井灾害影响区域内的包含被困人员状态的声波数据。
47.在本发明中，测控与数据处理系统2包括由gpu和cpu组成的数据处理系统25、测控核心单元fpga电路模块24以及与其并联的dac电路模块与adc电路模块，dac电路模块包括dac电路22和射频放大电路21，dac电路22与测控核心单元fpga电路模块24内的控制端口连接，射频放大电路21与声光调制器13通过同轴电缆连接，adc电路模块23与第一平衡光电探测器17以及第二平衡光电探测器18通过同轴电缆相连。
48.在本实施例中，射频放大电路21与声光调制器13通过同轴电缆相连，用于将激光调制成线性扫频光脉冲，实现将激光调制形成线性扫频光脉冲。
49.在本发明中，显示屏3和测控与数据处理系统2后端连接。
50.在本实施例中，通过设置的显示屏3，能够显示处理后的信息数据，以便工作人员能够参看处理后的数据信息。
51.在本发明中，声音复原系统4与测控与数据处理系统2后端连接。
52.在本实施例中，救援专家通过连续监听矿井灾害影响区域发出的声音，通过指定的波形位置，找出探测到声音对应的光纤。
53.实施例2：
54.在实施例1的基础上，本发明还提供了矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测定位方法，包括以下步骤：
55.(1)根据救援专家确定的灾害影响区域，将于光缆中对应该区域的已有煤矿井下布设的通讯光缆6的光纤与光纤分线盒5的法兰盘54上的接口分别连接，光纤根数最多不能超过32根；
56.(2)在测控与数据处理系统2上设置探测系统接入的总光纤根数，以一定时间间隔，如2s，控制光纤分线盒5将前端布设于矿井灾害影响区域的光纤轮流接入光纤分布式声波传感系统1的前端；
57.(3)将激光调制形成线性扫频光脉冲，通过掺铒光纤放大器14增强光功率后，送入待测光纤中，传输产生的后向瑞利散射信号与光发射模块产生的激光发生拍频，通过将拍频后的光信号转化为电信号，并解调后得到矿井灾害影响区域内的包含被困人员的状态的声波数据；
58.(4)为了实时获得光纤沿线各位置处的瑞利散射信号，采用测控核心单元fpga电路模块24对采集的声波数据流进行实时匹配滤波，并利用旋转矢量平均算法处理，以消除相干衰落噪声的影响，然后进行相位空间差分运算，消除激光光源相位噪声的影响，实时获得灾害影响区域光纤各位置处的差分相位信息；
59.(5)使用高通滤波器对步骤(4)解调得到的差分相位信息进行滤波，滤除低频漂移，高通滤波器的截止频率为临床上听力测试的人耳可听到的最低频率125hz；
60.(6)对经过高通滤波的差分相位信息进行小波降噪处理，对于含噪声的信号进行小波分解，得到的高频系数中既有有用信号也有噪声，由于噪声的系数比较小而有用信号
的小波系数较大，通过选择合适的阈值，对每分解层的高频分量进行阈值处理，去除噪声比例高的小波系数，保留由信号控制的小波系数，最后再由这些小波系数重构得到去噪后的信号；
61.(7)将重构得到去噪后的信号送入声音复原系统4输出，救援专家通过连续监听矿井灾害影响区域发出的声音，一旦发现有人发出的声音，立即点击定位按钮，探测系统通过指定的波形位置，找出探测到声音的对应的光纤，并进一步计算出声音发出的具体光纤位置，通过查寻井下光缆布设信息，确定被困人员位置；
62.(8)重复步骤(3)-步骤(7)探测矿井灾害影响区域全部被困人员、定位被困人员以及跟踪被困人员的移动轨迹。
63.本发明将高性能光纤分布式声波传感技术与小波降噪算法应用于矿井灾害井下被困人员状态信息快速探测与定位，在探测系统中，矿井下仅有光缆，而光缆是无源器件，不会因为灾害或次生灾害发生而失效，能够在不需要打生命救援钻孔的情况下，直接利用已有煤矿井下布设通讯光缆6，实现米级高空间分辨率、高灵敏度和全覆盖受灾区域快速探测，可实时探测和定位受灾区域的被困人员及移动情况。
64.本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或他们的组合来实现，在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现，例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。