基于分布式全光纤振动传感技术的井下事故后救援监测系统

摘要

我国的煤炭产量居世界前列，但和其它产煤国家相比，我国煤矿事故的死亡率较高。这是由于目前国内外的井下人员定位监测设备均是有线和无线的电子类传感器，在矿难发生时该类设备均无法正常工作。如何实现在无电环境下对井下生还人员进行精确定位，是提高煤矿山安全生产水平，增加矿难事故中生还人员获救率的关键。分布式光纤传感技术由于具有抗电磁干扰，耐腐蚀，高灵敏度，工作现场无需额外供电设备等优点，可应用于井下事故后的无电环境对生还人员进行精确定位，为后续救援工作提供重要信息。
　　本文以采用白光干涉技术的分布式全光纤振动传感系统为核心，设计了一套可用于矿难事故后对井下生还人员进行精确定位的救援监测系统。其在工作现场只需一根光纤即可实现井下整条巷道的分布式监测，有望在实际矿难救援行动中得到成功应用。
　　本文研究了分布式全光纤振动传感系统的传感机理和定位原理（第二章），针对其技术要求设计了包括稳定激光源，低噪光电转换系统，高速USB采集系统在内的硬件系统（第三章），以及包括振动还原和位置识别在内的信号处理的软件算法（第四章），使其构成了一套完整的矿井灾难救援监测系统。同时，针对救援监测系统特殊应用环境的需求以及实际监测方式的特点，本文提出了基于高斯核密度估计的多点连续扰动的定位识别算法。在该算法的支持下，系统的精度和实用性有了进一步的提高。
　　在煤矿的实地应用中（第五章），该系统稳定可靠，安装调试方便。其多次测试结果具有良好的一致性。无论对于单点求救还是多点求救，其定位精度都能达到±30米之内，具有较大的实际应用价值。
　　本文的主要创新体现在:
　　1.首次将分布式全光纤振动传感系统应用于对井下事故后的生还人员进行定位，并完成了整个监测系统的设计，以提高矿难事故后生还人员的获救率，解决了目前该领域缺乏有效可靠的技术设备的问题。
　　2.针对系统的实际应用需求和使用方式上的特点，设计了基于高斯核密度估计的多点连续扰动的定位方法，进一步提高了系统的定位精度和实际应用价值。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 研究背景

1．2．1 煤矿事故带来的严重后果

1．2．2 矿难救援缺乏有效情报

1．3 救援监测系统方案的提出

1．4 本章小结

参考文献

第二章 救援监测系统的基本原理

2．1 概述

2．2 单模光纤的光弹效应

2．3 光的干涉及常用干涉仪

2．3．1 光的干涉与相干长度

2．3．2 M-Z干涉系统

2．3．3 Sagnac干涉系统

2．4 采用白光干涉技术的分布式全光纤振动传感系统的单芯定位技术

2．5 本章小结

参考文献

第三章 救援监测系统的硬件设计

3．1 概述

3．2 激光发射模块设计

3．2．1 恒流源驱动电路设计

3．2．2 自动温度控制电路设计

3．2．3 SLD模块的整体澍试

3．3 光电探测模块设计

3．3．1 光电二极管跨阻放大电路

3．3．2 低噪声前置放大电路

3．3．3 抗混叠滤波电路

3．4 数据采集模块设计

3．4．1 AD转换模块

3．4．2 逻辑控制模块

3．4．3 USB传输模块

3．5 系统整体设计

3．6 本章小结

参考文献

第四章 救援监测系统的软件算法

4．1 概述

4．2 振动还原算法

4．2．1 信号的频带范围分析

4．2．2 相位还原算法

4．2．3 直流量的补偿

4．2．4 还原算法的MATLAB仿真

4．3 位置识别算法

4．3．1 功率谱估计

4．3．2 陷波点的寻找

4．3．3 多点连续扰动的统计定位

4．4 本章小结

参考文献

第五章 救援监测系统的实地测试与分析

5．1 概述

5．2 救援监测系统的结构与搭建

5．3 系统在煤矿的实地测试

5．3．1 系统的测试环境及调试

5．3．2 巷道米标与计算结果的统一

5．3．3 实地模拟测试

5．4 本章小结

第六章 全文总结

论文的主要工作

研究生期间的主要工作和成果

致谢

附录

声明