本發(fā)明涉及一種多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備，該裝備涉及激光技術(shù)、光譜分析技術(shù)、信號處理技術(shù)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭是我國主要能源，約占一次能源70％。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、火災(zāi)、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)。事故發(fā)生后，及時掌握井下事故現(xiàn)場情況，是正確、有效救援，減少人員傷亡的關(guān)鍵。井下瓦斯爆炸和火災(zāi)等事故，會產(chǎn)生大量CO，CO₂，CH₄等有毒有害氣體，消耗大量O₂。當事故現(xiàn)場有毒有害氣體濃度超高、O₂含量較低時，會危害搜尋、救護人員的生命，因此在進行井下災(zāi)后救援時，應(yīng)先對未到達的一定距離內(nèi)的礦井環(huán)境空氣危險性進行偵測?，F(xiàn)有救援工作中環(huán)境空氣偵測方法包括短距遙感監(jiān)測、探桿偵測和拋擲偵測。應(yīng)用于礦井的短距離遙感監(jiān)測目前只能對甲烷濃度進行偵測，不能偵測其它氣體濃度和環(huán)境溫度，而且一般偵測距離不超過30米；探桿偵測是將甲烷傳感器固定于探桿頂部，將探桿伸至未到達區(qū)域進行偵測，此方法受探桿長度限制，偵測效率低，影響救援工作效率；拋擲偵測是通過專用的投擲設(shè)備將甲烷傳感器投擲至巷道的未到達區(qū)域，再對環(huán)境進行偵測，由于投擲設(shè)備操作受人為因素影響較大，傳感器損壞率高，投擲成功率低，偵測距離雖高于探桿方式，但實際應(yīng)用效果并不理想。所以目前需要可應(yīng)用于井下災(zāi)后救援的、可隨身攜帶的、可遠距離偵測井下CO，CO₂，CH₄，O₂等氣體濃度的新型偵測設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備。所述裝備主要包括激光發(fā)射器、激光接收器、控制處理單元、顯示屏和通信接口；裝備采用開放氣室，可對多種氣體濃度進行遙感監(jiān)測；激光發(fā)射器通過激光源產(chǎn)生激光，一個激光源可產(chǎn)生用于探測多種氣體的激光；裝備具有激光測距功能；裝備具有掃描監(jiān)測功能；通過相應(yīng)的測量方法和算法，裝備可測量一定距離內(nèi)的氣體濃度、各不同距離區(qū)域的氣體濃度和三維空間區(qū)域的氣體濃度。

1.所述裝備進一步包括：裝備采用下述方法進行掃描監(jiān)測：裝備的激光發(fā)射器發(fā)射不同方向的激光進行氣體濃度和距離監(jiān)測，獲得氣體濃度、距離和發(fā)射方向組成的數(shù)據(jù)序列，經(jīng)處理后得到不同距離區(qū)域的氣體濃度。

2.所述裝備進一步包括：裝備的激光發(fā)射器采用可調(diào)節(jié)激光發(fā)射方向的激光發(fā)射器，控制處理單元以掃描監(jiān)測方式控制激光發(fā)射方向，進行不同方向氣體濃度和距離監(jiān)測。

3.所述裝備進一步包括：裝備采用下述方法進行不同距離區(qū)域的氣體濃度監(jiān)測：裝備在同一點發(fā)射不同方向的兩束激光，對不同距離的反射點A和B進行測量；設(shè)測得反射點A的距離為L_A，氣體平均濃度為M_A，測得反射點B的距離為L_B，氣體平均濃度為M_B，則A點到B點距離區(qū)域的氣體濃度可用近似表示。

4.所述裝備進一步包括：裝備采用下述方法進行三維空間區(qū)域的氣體濃度監(jiān)測：裝備在同一點發(fā)射不同方向的激光束對不同距離的反射點進行測量，獲得發(fā)射點距各反射點的距離；以發(fā)射點為參考點，對反射點距離和激光發(fā)射方向數(shù)據(jù)進行處理，得到各反射點的坐標數(shù)據(jù)，根據(jù)所有反射點坐標數(shù)據(jù)，獲得三維空間模型，將通過運算得到的不同距離區(qū)域的氣體濃度與三維空間模型相對應(yīng)，獲得三維空間區(qū)域的氣體濃度。

5.所述裝備進一步包括：裝備為防爆型設(shè)備。

6.所述裝備進一步包括：裝備的激光發(fā)射器的激光源包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器受控制處理單元控制發(fā)出不同波長的激光；激光接收器接收反射回來的激光，將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，控制處理單元處理電信號得到相應(yīng)的氣體濃度。

7.所述裝備進一步包括：激光發(fā)射器可發(fā)出甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧氣分子吸收峰值的不同波長的激光。

8.所述裝備進一步包括：裝備可通過顯示屏以透視模型圖方式顯示三維空間模型，用不同的顏色顯示不同的氣體濃度。

9.所述裝備進一步包括：裝備的通信接口包括無線通信接口。

附圖說明

圖1多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實施方案1組成示意圖。

圖2多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實施方案1原理示意圖。

圖3多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實施方案2組成示意圖。

圖4多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實施方案2原理示意圖。

圖5多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實施方式2可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器排列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6信號發(fā)生器原理示意圖。

圖7數(shù)字鑒相器原理示意圖。

圖8多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備工作流程圖。

圖9多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備三維空間區(qū)域濃度監(jiān)測示意圖。

具體實施方式

所述遙感裝備的具體實施方式1如圖1所示，裝備組成單元包括：

1.控制處理單元(101)：負責(zé)控制激光發(fā)射器(109)發(fā)射激光；處理激光接收器(112)返回的信號獲得氣體濃度和反射物距離；控制通信接口(116)進行通信；控制顯示屏(119)顯示；接收按鍵(120)的操作信號并進行相應(yīng)的處理。具體組成包括：

(1)核心處理器(102)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，；S3C2440具有3個UART接口，2個SPI接口，2個USB接口，1個IIC-BUS接口；通過UART接口與數(shù)字鑒相器(204)連接通信；，使用嵌入式Linux平臺實現(xiàn)驅(qū)動控制通信。

(2)電源與時鐘模塊(103)，包括DC電壓轉(zhuǎn)換和時鐘管理元件，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。

(3)存儲模塊(104)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。

(4)信號發(fā)生器(105)，負責(zé)產(chǎn)生用于控制激光發(fā)射器發(fā)射用于氣體濃度監(jiān)測的調(diào)制鋸齒波控制信號，具體結(jié)構(gòu)及工作原理在圖5進行說明。

(5)鎖相環(huán)放大器(106)，采用兩個模塊，分別負責(zé)提取氣體吸收信號的一次、二次諧波，利用信號與噪聲的互不相關(guān)性來抑制噪聲，提高信噪比，可采用LIA-MV-150鎖相放大器模塊。

(6)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(107)，負責(zé)將鎖相放大器解調(diào)出的一次、二次模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采用ADS8364 16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有6個全差分輸入通道。

(7)數(shù)字鑒相器(108)，負責(zé)處理接收到的測距信號，將接收信號與發(fā)送控制信號進行比對，獲得信號間的相位差，并將相位差以數(shù)據(jù)方式通過接口傳送給核心處理器。數(shù)字鑒相器具體結(jié)構(gòu)及工作原理在圖6進行說明。

2.激光發(fā)射器(109)，負責(zé)測距及氣體監(jiān)測的激光信號的發(fā)射，具體組成包括：

(1)激光源(110)使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可發(fā)出多種波長的激光，用于測量不同氣體濃度，可采用IBSG-TO5TEC系列可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，該可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器集成TEC電流溫度控制半導(dǎo)體元件，用于溫度調(diào)節(jié)，穩(wěn)定激光波長及功率。

(2)云臺(111)，用于控制激光源(110)的發(fā)射方向和激光接收器的接收方向，由核心處理器SPI通信端口外接MAX485芯片通過云臺控制協(xié)議控制云臺運動，云臺采用攝像機用標準監(jiān)控云臺，可在水平和垂直方向進行轉(zhuǎn)動。

3.激光接收器(112)，負責(zé)接收激光信號，將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，具體組成包括：

(1)接收透鏡(113)，負責(zé)將反射回來的激光聚集至光電探測器。

(2)暗室(114)，采用密閉筒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁涂吸光材料。

(3)光電探測器(115)，負責(zé)將接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，包括光接收元件和放大電路；光接收元件采用InGaAs PIN光電二極管，放大電路主要元件采用AD603,并聯(lián)兩個電壓跟隨器分別連接鎖相環(huán)放大器(106)和數(shù)字鑒相器(108)。

4.通信接口(116)，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，包括有線通信接口(117)和無線通信接口(118)。

(1)有線通信接口(117),主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的單芯片以太網(wǎng)MAC控制器，上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由核心處理器的內(nèi)置Linux驅(qū)動支持。DM9000支持10/100M自適應(yīng)，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器接口芯片YL18-1080S連接RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的物理連接進行通信。

(2)無線通信接口(118),采用標準USB接口的Wifi無線網(wǎng)卡，在系統(tǒng)、USB口驅(qū)動及Wifi無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序支持下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

5.顯示屏(119)，負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)可通過文字或圖表形式顯示，三維空間氣體濃度數(shù)據(jù)通過透視模型圖方式顯示，不同顏色代表不同氣體濃度。顯示屏采用3.5寸彩色LCD屏，分辨率480x800，由Linux自帶顯示驅(qū)動程序驅(qū)動。

6.按鍵(120)，用于人機交互，包括裝備開關(guān)鍵、監(jiān)測啟動鍵、功能設(shè)定操作鍵。

圖2所示為所述裝備實施方式1的原理示意圖。

圖3為所述裝備實施方案2的組成示意圖，圖4所示為所述裝備實施方式2的原理示意圖。實施方案2沒有云臺，而采用8個可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，每個可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器指向不同的方向，8個可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器連接多路數(shù)據(jù)選擇器(121)，多路數(shù)據(jù)選擇器(121)受核心處理器控制，將信號發(fā)生器(105)發(fā)出的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器控制信號發(fā)送到不同的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，從而實現(xiàn)信號發(fā)生器(105)的多路分時復(fù)用；采用CD4051BC 8選1雙向模擬開關(guān)，由核心處理器(102)的3個I/O口控制選通，1個I/O口控制開關(guān)；COMMON IN/OUT口與信號發(fā)生器(105)連接。

圖5為所述裝備實施方式2可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器排列結(jié)構(gòu)示意圖，每個可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器指向不同的方向。

圖6為信號發(fā)生器原理示意圖，主要包括：

1.DDS發(fā)生器(601)，負責(zé)產(chǎn)生測距控制正弦波信號或氣體濃度監(jiān)測所需的正弦調(diào)制信號，可采用AD9835直接數(shù)字式頻率合成器，由核心處理器(102)通過SPI接口通信控制信號頻率變化。

2.D/A轉(zhuǎn)換(602)，受核心處理器處理(102)控制產(chǎn)生鋸齒波信號，可采用D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832。

3.濾波電路(603)，用于信號濾波，可采用高阻抗低噪聲運放LF353，輸出測距控制正弦波信號或氣體濃度監(jiān)測所需的正弦調(diào)制信號。

4.加法器(604)，負責(zé)將鋸齒波信號和調(diào)制正弦波信號合成為調(diào)制正弦波信號，用于控制可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，采用加法器芯片LM107。

5.比較器(605)，負責(zé)將載波正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻同相的方波信號，可采用比較器芯片LM393。

6.倍頻電路(606)，負責(zé)產(chǎn)生為載波正弦信號倍頻的方波信號，可由鎖相環(huán)芯片HEF4046和計數(shù)器芯片CD4520構(gòu)成。

圖7為數(shù)字鑒相器原理示意圖，數(shù)字鑒相器有兩路輸入，一路是由信號發(fā)生器產(chǎn)生的與調(diào)制正弦波信號同頻同相的主振信號，另一路是由激光接收單元轉(zhuǎn)換而來接收電信號。數(shù)字鑒相器電路包括一個本振信號發(fā)生器(701)，本振信號發(fā)生器產(chǎn)生一個比主振信號頻率略低的本振信號；本振信號發(fā)生器通過混頻器(702)將本振信號與接收電信號進行混頻,得到低頻信號,此低頻信號攜帶了調(diào)制激光在往返過程中產(chǎn)生的相位差；數(shù)字鑒相器通過另一個混頻器將主振信號與本振信號進行混頻,得到另一個混頻信號，將兩路混頻器輸出的混頻信號送入測相器(703)進行相位差測量，得到相位差數(shù)據(jù)。數(shù)字鑒相器組成主要包括：

1.本振信號發(fā)生器(701)，輸出頻率9.99MHz，可采用壓控晶體振蕩器CVCSO-914-0010。

2.混頻器(702)，可采用模擬乘法器芯片MC1496。

3.測相器(703)，可采用高精度時間測量芯片TDC一GP1。

所述裝備工作流程如圖8所示：

1.(801)，當按鍵(120)的監(jiān)測啟動鍵被按下，核心處理器(102)接收到信號，啟動一次監(jiān)測掃描過程。

2.(802)，首先進行激光測距，核心處理器(102)控制信號發(fā)生器(105)產(chǎn)生10M正弦波信號。

3.(803)，正弦波信號驅(qū)動激光源(110)發(fā)出用于探測距離的激光。實施方案1正弦波信號直接驅(qū)動可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，實施方案2正弦波信號需經(jīng)過多路數(shù)據(jù)選擇器(121)選擇通路后，再驅(qū)動相應(yīng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。

4.(804)，測距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(113)收集反射回來的激光聚集至光電探測器(115)，光電探測器(115)將接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

5.(805)，數(shù)字鑒相器(108)處理接收到的測距電信號，經(jīng)放大、混頻等處理后，獲得與發(fā)送控制信號間的相位差，相位差以數(shù)據(jù)方式通過接口傳送給核心處理器。

6.(806)，核心處理器(102)接收相位差數(shù)據(jù)，根據(jù)相位差獲得裝備與反射物之間的距離。

7.(807)，核心處理器(102)控制信號發(fā)生器發(fā)出50Hz的鋸齒波信號并用50kHz的正弦信號進行調(diào)制。

8.(808)，經(jīng)調(diào)制的鋸齒波信號驅(qū)動激光源(110)發(fā)出掃過某一種氣體吸收峰值波長范圍的激光。實施方案1正弦波信號直接驅(qū)動可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，實施方案2正弦波信號需經(jīng)過多路數(shù)據(jù)選擇器(121)選擇通路后，再驅(qū)動相應(yīng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。

9.(809)，激光穿過被測區(qū)域的空氣遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(113)收集反射回來的激光聚集至光電探測器(115)，光電探測器(115)將接收到的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

10.(810)，鎖相環(huán)放大器(106)接收電信號，并分時接收信號發(fā)生器提供的調(diào)制信號及調(diào)制信號的倍頻信號，經(jīng)處理提取分時得到的一次、二次諧波信號。

11.(811)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(107)將一次、二次諧波信號數(shù)字化。

12.(812)，核心處理器(102)接收一次、二次諧波信號的數(shù)據(jù)，處理得到所經(jīng)光路上的所測氣體的濃度。

13.(813)，判斷是否監(jiān)測完所有種類的氣體，如未監(jiān)測完執(zhí)行(814)，如已監(jiān)測完執(zhí)行(815)。

14.(814)核心處理器控制轉(zhuǎn)換監(jiān)測另一種氣體濃度，重復(fù)(807)至(812)的氣體濃度測量過程。

15.(815)，判斷是否完成所有角度掃描，如未完成執(zhí)行(816)，如已完成執(zhí)行(817)。

16.(816)，實施方案1：核心處理器(102)控制云臺(111)帶動可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器和激光接收器轉(zhuǎn)動一個角度；實施方案2：核心處理器(102)控制多路數(shù)據(jù)選擇器(121)選擇另一個可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器通路。再重復(fù)(802)至(812)測距及氣體濃度監(jiān)測的過程。

17.(817)，核心處理器處理(102)所有角度上獲得的距離和各氣體濃度，獲得不同距離區(qū)域和三維空間區(qū)域的各氣體濃度數(shù)據(jù)

18.(818)，核心處理器處理(102)通過通信接口(116)上傳數(shù)據(jù)，并通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)，以透視模型圖方式顯示三維空間模型，用不同的顏色顯示不同的氣體濃度。

圖9為多參數(shù)礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備三維空間區(qū)域濃度監(jiān)測示意圖。設(shè)裝備發(fā)射8束激光，分別在A、B、C、D、E、F、G、H點得到反射，以裝備所在位置為坐標原點建立三維坐標系，已知激光投射直線OA與XOY平面的夾角為α，與YOZ平面的夾角為β，則反射點A坐標(x_A,y_A,z_A)為同理可得其它各點的坐標，根據(jù)坐標點可建立如圖9所示的三維空間模型。在掃描監(jiān)測過程中通過各反射點測得的氣體濃度分別為M_A、M_B、M_C、M_D、M_E、M_F、M_G、M_H，K點為所示空間模型內(nèi)部的任意一點，通過K點垂直于Y軸的平面與AB、DC、EF、HG交點分別為K_AB、K_DC、K_EF、K_HG，其坐標分別為(x_AB,y_AB,z_AB)、(x_DC,y_DC,z_DC)、(x_EF,y_EF,z_EF)、(x_HG,y_HG,z_HG)，則K_AB點的氣體濃度K_DC點的氣體濃度K_EF點的氣體濃度K_HG點的氣體濃度通過K點平行于Z軸的直線與K_AB K_DC和K_EF K_HG的交點分別為K_ABCD和K_EFGH，其X軸坐標分別為x_KABCD和x_KEFGH，得到K_ABCD點的氣體濃度及K_EFGH點的氣體濃度進而得到K點的參考濃度通過以上示例算法可得到三維空間區(qū)域內(nèi)的所有點的氣體濃度。