一种本质安全的全光纤井下监测系统 【技术领域】
本发明涉及矿井下的监测系统， 尤其涉及一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、 职工队伍素质普遍不高、 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 子元器件组成， 其运行需要电力供应， 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一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全光纤井下监测系统。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是 ：
一种本质安全的全光纤井下监测系统， 由监测终端、 传输光缆和全光纤传感终端 组成， 监测终端位于井上， 全光纤传感终端位于井下， 传输光缆连接监测终端和全光纤传感 终端， 所述全光纤传感终端由不需要电力供应的光预处理模块和传感裸光纤组成， 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， 光预处理模块一端连接至传输光缆， 另一端连接传感裸光纤， 传感裸光纤末 端连接有一反射镜。
所述监测终端的运行需要电力供应， 由光源模块连接光分路模块后连接至传输光 缆的输入端， 再从传输光缆的输出端依次连接检测和放大模块、 数据采集模块、 数据处理模 块和显示模块而成， 还包括相应的软件系统， 具有对光进行发射、 接收及分析处理的功能。
所述的传感裸光纤， 是为了满足高灵敏度要求而去掉其多余保护层的光纤， 由纤 芯、 包层、 涂覆层组成， 亦包括在不影响其灵敏度的前提下而增加的其他保护结构。
所述光预处理模块， 能够完成对光学信息的初步提取， 从而起到分离光路的传感 和传输区域的作用。
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， 并根据井下通道的具体情况将传输光缆进行分支 ； 在井下需要监测的地点剥开传 输光缆， 引出光纤， 连接到全光纤传感终端 ； 在全光纤传感终端中包含一段传感裸光纤， 根据所监测区域的实际情况， 将传感裸光纤盘绕成线圈后悬挂或附着在不易触碰到的地点。
本发明的工作机理是 ：
监测终端通过传输光缆向全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， 对传感裸光纤形成扰动， 从而引起传感裸光纤内部光程的微小变 化； 全光纤传感终端通过传输光缆， 将这种光程变化的光信号回传到监测终端， 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， 从而实现对井下各种动态信 息的实时监测。
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裸光纤 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悬挂在空气中、 放置于水下、 或者附着在墙壁上的传感裸光 纤。
本发明中， 所述的扰动， 是指传感裸光纤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组成， 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组成， 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. 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， 即使全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。
5. 和光通信系统相结合。本发明中可通过共用传输光缆部分， 和井下的各种基于 光缆通信的其他系统复合适用。
附图说明
图 1 是本发明的系统简图 ；
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 是本发明第 1 个实施例的全光纤传感终端的结构示意图 ；
图 4 是本发明第 2 个实施例的全光纤传感终端的结构示意图 ；
图中， 10. 监测终端， 20. 传输光缆， 30. 全光纤传感终端， 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. 传感裸光纤， 33. 反射镜， 311.2×2 光纤耦合器， 312.2×2 光纤耦合器， 313. 光纤延迟线， 314. 光纤跳线， 315. 光纤跳线， 316.3×3 光纤耦合器， 34. 法拉第偏振旋转反射 镜。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图 1 所示， 所述本质安全的全光纤井下监测系统由监测终端 10、 传输光缆 20 和 全光纤传感终端 30 三部分组成， 其中， 监测终端 10 位于井上， 全光纤传感终端 30 位于井 下， 传输光缆 20 连接监测终端 10 和全光纤传感终端 30。
实施例 1 ：
结合图 2 和图 3， 本实施例包括监测终端 10、 传输光缆 20、 全光纤传感终端 30， 传 输光缆 20 两端分别连接监测终端 10 和全光纤传感终端 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 ； 全光纤传感终端 30 如图 3， 其中包括光预处理模块 31、 传感裸光纤 32、 反射镜 33 ； 光预处理模块 31 中包括 2×2 光纤耦合器 311、 2×2 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 2×2 光纤耦合器 311 和 2×2 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 一端连接 井上的监测终端 10， 另一端深入井下， 并根据井下的具体情况进行分支。 在井下需要监测的 地点， 将传输光缆 20 剥开， 引出两芯光纤 ( 分别发射和接受光信号 )， 接入全光纤传感终端 30。假设根据井下监测的具体要求， 定义需要 N 个全光纤传感终端 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 被分别分配到 N 个全光纤传感终端 30 中。在全光纤传感终端 30 中， 光能量被 2×2 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 2×2 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 2×2 光纤耦合器 312 ； 跳线 314、 315 中的两个光分量在 2×2 光纤耦合器 312 中合并后进入传感裸光纤 32， 因此， 在传感裸光纤 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， 遇到传感裸光纤 32 末端 的反射镜 33， 被反射后沿传感裸光纤 32 原路向后传播， 至 2×2 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 2×2 光纤耦合器 311 中合并， 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 一端连接的传感裸光纤 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 时， 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动态信息的影响。
在全光纤传感终端 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， 产生干涉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 ：
全光纤传感终端 30 周围环境中的各种动态信息， 可看作是对传感裸光纤 32 的扰 动， 从而对传感裸光纤 32 中传播光的光程进行调制。例如， 声波在空气中的传播将引起空 气环境声压改变， 声压改变将引起作为弹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裸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 裸光纤 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裸光纤 32 产生扰动的情况下， 光分量 (a) 和 (b) 在经过传 感裸光纤 32 后， 走过的光程完全相同。
当有扰动产生的时候， 定义这种由于外界扰动形成的光程变化量为 L(t)， 则 L(t) 与扰动成正比关系。光分量 (a) 和 (b) 在经过传感裸光纤 32 时具有时间差 τ， 所形成的光 程差为 L(t+τ)-L(t)。根据全光纤干涉系统的工作原理， 这个光程差的变化在干涉系统中 形成的干涉相位 可表示为
其中，表示扰动引起的光程变化率， 与光纤的弹光特性有关， λ 为光的波长， τ 为光纤延迟线 313 引起的时间延迟。滤除掉直流成分后， 最终在监测终端 10 中探 测到的对应光信号分量为 ：
根据式 (1) 和式 (2) 可求得反映扰动速率的物理量 L′ (t)， 通过积分运算， 最终 实现对全光纤传感终端 30 周围环境中动态信息的真实还原。
实施例 2 ：
本发明另一个典型的实施例如图 4 所示， 将实施例 1 中图 3 中的 2×2 光纤耦合器 311 替换为 3×3 光纤耦合器 316， 并从传输光缆 20 中引出 3 根光纤接入 3×3 光纤耦合器 316 的一侧， 其中一根为输入， 其余两根为输出， 在 3×3 光纤耦合器 316 的另一侧， 只使用其 中的两个接口， 连接光纤跳线 314 和光纤跳线 315 ； 将图 3 中的反射镜 33 替换为法拉第偏 振旋转镜 34 ； 其余部分的结构和实施例 1 相同。
在本实施例中， 若定义需要 N 个全光纤传感终端 30， 则传输光缆 20 中至少应包含 3N 个光纤芯数。
在本实施例中， 对应一个传感终端 30， 在监测终端 10 中探测到的有效的光信号分 量为两个 ：
其中， 为由 3×3 光纤耦合器 316 引入的初始相位差。根据式 (1) 和式 (3)、 (4)， 同样可求得反映扰动速率的物理量 L′ (t)， 通过积分运算， 最终实现对全光纤传感终端 30 周围环境中动态信息的真实还原。
实施例 1 和实施例 2 两种结构的基本工作原理相同， 所不同的是 ： 实施例 1 的结构 更加简单， 传输光缆 20 中光纤的芯数较少， 监测终端 10 中光电探测器的数目也较少 ； 实施 例 2 中每个全光纤传感终端 30 对应两路输出， 更加有利于后续的信号处理， 采用法拉第偏 振旋转反射镜， 用于消除线路偏振态的影响， 提高了对入射光信号的反射效果。
实施例 1 和实施例 2 的后续信息处理过程相同， 如下所示 ：
在监测终端 10 中， 返回的光信号首先进入检测与放大模块 13， 对光信号进行光电 转换、 低噪声放大、 高通滤波等处理， 转化成适合运算处理器采集和运算的电信号 ； 在数据 采集模块 14 中完成模数转换、 高速数据采集等功能 ； 在数据处理模块 15 中完成信息解调还 原、 频谱变换、 模式识别、 智能分析、 数据存储等功能 ； 最终在显示模块 16 中对各种监测到 的信息进行实时显示、 定位和报警 ( 预警 )。在监测终端 10 中包含必要的软件系统。
前面提供了对较佳实施例的描述， 以使本领域的任何技术人员可使用或利用本发 明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的， 可把这里所述的总的 原理应用到其他实施例而不使用创造性。 因而， 本发明将不限于这里所示的实施例， 而应依 据符合这里所揭示的原理和新特性的最宽范围。