本實(shí)用新型涉及一種礦井災(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(shí)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(dāng)事故現(xiàn)場有毒有害氣體濃度超高、O₂含量較低時(shí)，會危害搜尋、救護(hù)人員的生命，因此在進(jìn)行井下災(zāi)后救援時(shí)，應(yīng)先對未到達(dá)的一定距離內(nèi)的礦井環(huán)境空氣危險(xiǎn)性進(jìn)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(jìn)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(dá)區(qū)域進(jìn)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(dá)區(qū)域，再對環(huán)境進(jìn)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(shí)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型涉目的在于提供一種礦井災(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、通信接口、溫度遙感監(jiān)測單元和可見激光發(fā)射器；裝備采用開放氣室，可對環(huán)境中多種氣體濃度和環(huán)境溫度進(jìn)行遙感監(jiān)測；可見激光發(fā)射單元負(fù)責(zé)發(fā)射與激光發(fā)射器發(fā)射方向相同的可見激光；裝備具有激光測距功能。

1.所述裝備進(jìn)一步包括：裝備為防爆型設(shè)備。

2.所述裝備進(jìn)一步包括：裝備的激光發(fā)射器采用一個(gè)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。

3.所述裝備進(jìn)一步包括：裝備的激光發(fā)射器包括多個(gè)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；每個(gè)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光波長在某個(gè)相對固定的波長范圍內(nèi)；控制處理單元通過多路信號選擇器分時(shí)控制各可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光，各可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器通過光纖連接合光器，合光器輸出通過一個(gè)光纖連接準(zhǔn)直器，由準(zhǔn)直器將激光發(fā)射出去；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各氣體濃度。

4.所述裝備進(jìn)一步包括：裝備的激光發(fā)射器可發(fā)射包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧氣分子吸收峰值的波長范圍的激光。

5.所述裝備進(jìn)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礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實(shí)施方案1組成示意圖。

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

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

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

圖5信號發(fā)生器原理示意圖。

圖6數(shù)字鑒相器原理示意圖。

圖7礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備工作流程圖。

具體實(shí)施方式

所述遙感裝備的具體實(shí)施方式1如圖1所示，裝備組成包括：

1.控制處理單元(101)：負(fù)責(zé)控制激光發(fā)射器(110)發(fā)射激光；處理激光接收器(116)返回的信號獲得氣體濃度和反射物距離；控制通信接口(120)進(jìn)行通信；控制顯示屏(121)顯示；接收按鍵(122)的操作信號并進(jìn)行相應(yīng)的處理。控制處理單元具體包括：

1)核心處理器(102)，可采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，；S3C2440具有3個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USB接口，1個(gè)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動控制通信。

2)電源與時(shí)鐘模塊(103)，包括DC電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)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(fù)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(jìn)行說明。

5)多路數(shù)據(jù)選擇器(106)，負(fù)責(zé)信號發(fā)生器(105)與多路激光器之間的選通，采用CD4051BC雙向模擬開關(guān)，由核心處理器(102)的3個(gè)I/O口控制選通，1個(gè)I/O口控制開關(guān)；COMMON IN/OUT口與信號發(fā)生器(105)連接，4個(gè)IN/OUT口分別連接不同可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(111)。

6)鎖相環(huán)放大器(107)，負(fù)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，可采用如LIA-MV-150的鎖相放大器模塊。

7)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(108)，負(fù)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，可采用ADS8364 16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有6個(gè)全差分輸入通道。

8)數(shù)字鑒相器(109)，負(fù)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(jìn)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(jìn)行說明。

2.激光發(fā)射器(110)，負(fù)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)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(111)，可發(fā)出所監(jiān)測氣體某吸收峰值波長的激光，不同氣體采用不同波長的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，甲烷1650nm、一氧化碳2240nm、二氧化碳2000nm、氧氣760nm，可采用蝶形可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，蝶形可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器集成TEC電流溫度控制半導(dǎo)體元件，例如SAF117XS系列。

2)合光器(112)，采用光纖合波器將不同波長的激光合成一束，本裝備各可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器采用分時(shí)發(fā)射，所以輸出端在某一時(shí)刻也只有一個(gè)波長的激光輸出。

3)光纖(113),由于要傳輸不同波長的激光，光纖采用多模光纖。

4)準(zhǔn)直器(114)，控制激光定向發(fā)射而在空間形成的一條光束，采用FC接口光纖激光準(zhǔn)直透鏡。

3.可見激光發(fā)射器(115)，用于發(fā)射可見激光束，通過可見光斑為使用者指示反射面位置，采用光斑直徑6mm的紅色激光二極管。

4.激光接收器(116)，負(fù)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(117)，負(fù)責(zé)將反射回來的激光聚集至光電探測器。

2)暗室(118)，采用密閉筒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁涂吸光材料。

3)光電探測器(119)，負(fù)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(gè)電壓跟隨器分別連接鎖相環(huán)放大器(107)和數(shù)字鑒相器(109)。

5.通信接口(120)，用于監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，通信接口具體包括：

1.有線通信接口(121),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(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的物理連接進(jìn)行通信。

2.無線通信接口(122),采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

6.顯示屏(123)，負(fù)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。

7.按鍵(124)，用于人機(jī)交互，包括裝備開關(guān)鍵、監(jiān)測啟動鍵、功能設(shè)定操作鍵。

8.溫度遙感監(jiān)測單元(125)，可采用紅外測溫儀DT8012B，可對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)測，監(jiān)測方向與可見激光發(fā)射器(115)發(fā)射的可見激光束方向一致，模擬信號輸出接口連接核心處理器(102)S3C2440的A/D轉(zhuǎn)換接口。

圖2所示為所述裝備實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為礦井災(zāi)后環(huán)境氣體遙感裝備實(shí)施方案2組成示意圖，圖4所示為實(shí)施方式2的原理示意圖。實(shí)施方式2主要組成與實(shí)施方案1基本相同，不同在于激光發(fā)射器(110)，本方案采用一個(gè)可發(fā)出多種波長的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(111)，用于測量不同氣體濃度，可采用類似IBSG-TO5TEC系列的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，該可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器同樣集成TEC電流溫度控制半導(dǎo)體元件；由于不需復(fù)用發(fā)射端口，所以不需要合光器(112)；由于采用TO封裝，激光頭直接發(fā)射，所以不需光纖(113)和準(zhǔn)直器(114)。

圖5為信號發(fā)生器原理組成示意圖，主要包括：

1.DDS發(fā)生器(501)，負(fù)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，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.濾波電路(503)，用于信號濾波，采用高阻抗低噪聲運(yùn)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。

3.D/A轉(zhuǎn)換(502)，受核心處理器處理(102)控制產(chǎn)生鋸齒波信號，采用D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832。

4.加法器(504)，負(fù)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(505)，負(fù)責(zé)將載波正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻同相的方波信號，采用比較器芯片LM393。

6.倍頻電路(506)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生為載波正弦信號倍頻的方波信號，由鎖相環(huán)芯片HEF4046和計(jì)數(shù)器芯片CD4520構(gòu)成。

圖6為數(shù)字鑒相器組成示意圖，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(gè)本振信號發(fā)生器(601)，本振信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)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(602)將本振信號與接收電信號進(jìn)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(gè)混頻器(603)將主振信號與本振信號進(jìn)行混頻,得到另一個(gè)混頻信號，將兩路混頻器輸出的混頻信號送入測相器(604)進(jìn)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(601)，輸出頻率9.99MHz，采用壓控晶體振蕩器CVCSO-914-0010。

2.混頻器(602)和混頻器(603)，采用模擬乘法器芯片MC1496。

3.測相器(604)，采用高精度時(shí)間測量芯片，如TDC一GP1。

圖7為所述裝備工作流程圖，主要步驟包括：

1.(701)，當(dāng)按鍵(120)的監(jiān)測鍵被按下，核心處理器(102)接收到信號，啟動一次監(jiān)測過程。

2.(702)，首先進(jìn)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.(703)，實(shí)施方案1中，正弦波信號經(jīng)過多路數(shù)據(jù)選擇器(106)進(jìn)行選路，以驅(qū)動相應(yīng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，激光經(jīng)過合光器(112)、光纖(113)和準(zhǔn)直器(114)發(fā)射出去；實(shí)施方案2中，正弦波信號直接驅(qū)動可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(111)發(fā)出用于探測距離的激光。

4.(704)，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.(705)，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.(706)，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.(707)，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(jìn)行調(diào)制。

8.(708)經(jīng)調(diào)制的鋸齒波信號驅(qū)動可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(111)發(fā)出掃過某一種氣體吸收峰值波長范圍的激光。兩種實(shí)施發(fā)射過程與(703)相同。

9.(709)，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.(710)，鎖相環(huán)放大器(106)接收電信號，并分時(shí)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(shí)得到的一次、二次諧波信號。

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

12.(712)，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.(713)核心處理器(102)控制轉(zhuǎn)換監(jiān)測另一種氣體濃度，重復(fù)氣體濃度測量過程。

14.(714)，如操作者轉(zhuǎn)換角度并連續(xù)按下監(jiān)測鍵，則重復(fù)所有各氣體濃度測量過程。

15.(715)，核心處理器處理(102)根據(jù)所有獲得的距離和各氣體濃度，獲得不同距離區(qū)域的各氣體濃度數(shù)據(jù)。

16.(716)，核心處理器處理(102)采集溫度遙感監(jiān)測單元(125)輸出的溫度信號。

17.(717)，核心處理器處理(102)通過通信接口(116)上傳不同距離區(qū)域的各氣體濃度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)。