一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统.pdf

本发明涉及一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由放置在井上的监测终端、井下的分布式光纤传感终端和连接两者的传输光缆三部分组成，其中在井下的部分全部由光纤无源器件组成，不含任何电子元器件，无需电能供应，不辐射电磁波，本质安全。本发明利用井下的传感光缆对周围环境中的各种动态信息进行传感，利用传输光缆将这些信息传送回井上，最终由监测终端分析处理后真实还原，实现对井下各种动态信息的实时监测和对异常信息的识别、定位、预警功能，适用于各种矿井，尤其是易燃易爆环境下矿井的安全生产和事故抢救领域。

1.一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输光缆和分布式光纤传感终端组成，监测终端位于井上，分布式光纤传感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其特征在于，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反射端组成，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，光预处理模块的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有反射端。 2.根据权利要求1所述的一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，其特征在于，所述监测终端由光源模块和光分路模块组成输出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件，传输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采集模块、数据处理模块和显示模块。 3.根据权利要求1所述的一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，其特征在于：所述的传感光缆由光纤、加强层、保护层组成。

一种本质安全的分布式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分布式全光纤井下监
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分布
式全光纤井下监测设备。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输
光缆和分布式光纤传感终端组成，监测终端位于井上，分布式光纤传
感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其
特征在于，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反
射端组成，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
的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有
反射端。其特征在于，所述监测终端由光源模块和光分路模块组成输
出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放
大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件，传
输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采
集模块、数据处理模块和显示模块。其特征在于，所述的传感光缆由
光纤、加强层、保护层组成。

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，连接到分布式光纤传感终端中的光预处理模
块；由光预处理模块另一端延伸出来的传输光缆，沿着矿井巷道铺设，
在传输光缆的终端连接反射端。

本发明的工作机理是：

监测终端通过传输光缆向分布式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，对传感光缆形成扰动，
从而引起传感光缆内部光程的微小变化；经过反射端的反射后，这种
光程变化的光信号原路回传到监测终端，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；在监测终端中，经过
对返回信号的时域分析，可再现扰动源的变化信息；经过对返回信号
的频域分析，可对扰动源进行定位，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
够使传感光缆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传感光缆。

本发明中，所述的扰动，是指传感光缆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.分布式传感。本发明中核心的传感元器件仅为一根传感光缆，
只需将传感光缆沿井下巷道铺设，整根光缆的任何部位都可作为传感
器，同时完成周围环境中扰动信息的传感与定位功能。

5.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
分布式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。

6.和光通信系统相结合。本发明可通过共用通信光缆中单芯光纤
的方法，和井下的各种基于光缆通信的其他系统复合使用。

附图说明

图1是本发明的原理结构简图；

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是本发明实施例的分布式光纤传感终端的结构示意图；

图4是本发明具体实施例中用于对扰动源定位的频谱曲线图。

图中，10.监测终端，20.传输光缆，30.分布式光纤传感终端，
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.传感光
缆，33.反射端，34.扰动源，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。

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。

一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统，由监测终端、传输
光缆和分布式光纤传感终端组成，监测终端位于井上，分布式光纤传
感终端位于井下，传输光缆连接监测终端和分布式光纤传感终端，其
特征在于，所述分布式光纤传感终端由光预处理模块、传感光缆和反
射端组成，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
的一端连接传输光缆，另一端连接传感光缆，传感光缆的另一端接有
反射端。其特征在于，所述监测终端由光源模块和光分路模块组成输
出组件，光源模块接光分路模块再连接传输光缆的输入端，检测和放
大模块、数据采集模块、数据处理模块和显示模块构成输入组件，传
输光缆的输出端接检测和放大模块，检测和放大模块依此连接数据采
集模块、数据处理模块和显示模块。其特征在于，所述的传感光缆由
光纤、加强层、保护层组成。

实施例：

如图1所示，所述一种本质安全的分布式全光纤井下监测系统由
监测终端10、传输光缆20和分布式光纤传感终端30三部分组成，
其中，监测终端10位于井上，分布式光纤传感终端30位于井下，传
输光缆20连接监测终端10和分布式光纤传感终端30，位于井下的
分布式光纤传感终端30无需电力供应，位于井上的监测终端10有电
力供应。

结合图2和图3，本实施例包括监测终端10、传输光缆20、分
布式光纤传感终端30，传输光缆20两端分别连接监测终端10和分
布式光纤传感终端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；分布式光纤传感终端30如图3，其中包括
光预处理模块31、传感光缆32、反射端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，引出两芯
光纤(分别发射和接收光信号)，接入分布式光纤传感终端30。假设
根据井下监测的具体要求，定义N条分支的巷道需要分布式光纤传
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个分布式光纤传感终端30中。在分布式光纤传感终
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
中合并后进入传感光缆32，因此，在传感光缆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，
遇到传感光缆32末端的反射端33，被反射后沿传感光缆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31一端连接的传感光缆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扰动信息的
影响。

在分布式光纤传感终端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：

分布式光纤传感终端30周围环境中的各种动态信息，可看作是
扰动源34对传感光缆32的扰动，从而对传感光缆32中传播光的相
位进行调制。例如，声波在空气中的传播将引起空气环境声压改变，
声压改变将引起传感光缆32内部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传
感光缆32内部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，在经过传感光缆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光缆32产生扰动的情况下，光分量(a)
和(b)在经过传感光缆32后，走过的光程完全相同。

在扰动源34在传感光缆32某点处产生扰动的情况下，当光波向
前传播时受到扰动源34的第一次调制，当光纤中的光波遇到反射端
33后被反射向后传播至扰动源34时，被第二次调制。设两次调制之
间的时间间隔为T，扰动源34所处的位置和反射端33之间的距离为
L，显然T和L之间有下式成立：

T = 2 n eff L c - - - ( 1 ) ]]>

其中n_eff为光纤的有效折射率，c是真空中的光速。

普遍情况下，扰动源34产生的扰动信号包含多个频谱成分，因
此，对光波的相位扰动，可以看作是多个正弦频率的扰动分量的叠加。
现只考虑其中频率为ω的扰动分量，则有：

其中是某时刻由于受到频率为ω的扰动而产生的光波的相位移
动，是与扰动源和光纤特性相关的常量。由于前述的具有时间差τ
的两束相干光都经过了两次调制，分别在t、t+T、t+τ、t+τ+T时
刻，τ是两束光先后经过扰动点的时间差，则有：

(3)

其中为由频率为ω的扰动分量在t时刻引起的干涉系统中的光
的相移。式(3)仅仅考虑了频率为ω的扰动分量，若考虑所有频率
的扰动，由于扰动源34实施的扰动是可叠加的，因此得到：

式(4)中是扰动源34对光波产生的总的相移，m_i是由频率为ω_i
的扰动信号幅度大小决定的一个加权系数，而则是整个扰动源产
生的光相位移动。

携带扰动信息的两个光分量形成干涉信号进入监测终端10，系
统获得的时域输出信号为：

其中P(ω，t)是随时间变化的输出功率，I₀是与输入光功率大小有关的
一个常量，ψ为由整个系统决定的初始相位，可视之为常数；因此，
输出的交流分量只与干涉系统中的相移(与扰动相关)有关。由
式(5)即可求得扰动源34产生的扰动信息，从而实现对传输光缆
32周围环境中动态信息的真实还原。

接下来对系统获得的频域信息进行分析，由式(3)可知：当
时，频域谱上与频率ω对应的幅度始终为零，在频域
谱上表现该特征扰动频率ω对应的幅度明显小于周边频率的幅度，存
在所谓“陷波点”。为了进行区分，需考虑以下两种情况：

I.当时，(其中k为自然数)；将(1)式
代入，记特征频率为f_null(k)，则得到一系列的特征频率：

f null ( k ) = ω 2 π = 2 k - 1 2 T = 2 k - 1 2 · c 2 n eff L ( k = 1 , 2 , 3 . . . . . . ) - - - ( 6 ) ]]>

由此式可见，扰动源的位置(用L表示)与特征频率f_null(k)密切
对应，其大小为：

L = ( 2 k - 1 ) · c 4 n eff f null ( k ) ( k = 1,2,3 . . . . . . ) - - - ( 7 ) ]]>

经过监测终端10的分析处理，可将解调出来。是一个时
间t的变量，对它进行频谱分析，即可找出缺损频率f_null(k)，从而依
据(7)式计算出L值，判定扰动源34的位置，实现在整条传感光缆
32长度上的分布式传感。

II.当时，(其中k为自然数)，也存在“陷
波点”。但是，由于τ是由光纤延迟线313产生的，可以调节的很小，
使得与其对应的第一个特征频率f′(1)就非常大，即在频谱上曲线上，
相应的陷波点位置远离坐标原点；因此，只要选取适当的τ值就可避
免f′(k)对f_null(k)的干扰。

实施例的后续信息处理过程如下：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。

给出实施例的具体参数：

本实施例中，所用的宽光谱光源11为电子集团总公司44研究所
生产的SO3-B型超辐射发光管(SLD)型稳定光源；2×2光纤耦合
器311和312为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器，两个光纤耦
合器均为平均分光；光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的
InGaAs光电探测器；所用传感光缆32的光纤为美国“康宁”生产的
G652型单模光纤；光纤跳线314、315为武汉邮电研究院生产的FC/PC
型单模光纤跳线；反射端33为在光纤末端蒸镀铝膜制作，反射率大
于95％。

本实施例中，当扰动源34在传感光缆32上的位置离反射端33
的距离L为24050米时，对应的频谱缺损情况如图4所示，第一个缺
损频谱位置相应于L＝24033米，第二个缺损频谱位置相应于L＝
24059米，第三个缺损频谱位置相应于L＝24038米，平均不确定度
为0.05％。

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。