[发明专利]一种井下矿难生命迹象检测与定位系统

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。