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综合光缆信号的煤矿井下应急救援定位

2023-10-27 56 上传者：管理员

摘要：针对发生矿井灾害时，断电导致通信中断对人员定位造成的困难，提出综合光缆信号应急救援定位方法。基于振动对光相电位的影响，调节光相位对振动信号进行提取。对综合光缆信号应急救援定位方法进行实验，选择20 Hz方波、 200 Hz方波、拍击作为振动信号的来源，采集的信号进行去噪，最后经模拟算法实现振动波形还原。实验结果表明：对于长度12 km的光纤，1 kHz以下的振动信号能产生较好的响应特性。选择4.633 km与10.022 km指定地点进行拍击固定，重复监测，其定位误差在-7～+11 m范围内。综合光缆信号应急救援定位方法能用于人员快速准确定位，及时解救被困人员。

关键词：
光缆信号
定位
应急救援
振动
频率
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煤炭是中国重要的矿产资源，也是工业广泛应用的能源材料。煤炭井下开采伴随一定的风险。煤矿开采中发生灾害时，第一时间救出被困人员成为最为重要的任务。矿井环境复杂，人员定位情况直接决定救援效果。当前主要采用低频电磁波、ZigBee等无线通信技术对被困人员进行定位[1,2]。

发生灾害时，通信受到阻碍，传统的人员定位存在诸多问题[3,4]。巷道进水导致供电线路短路或通信系统短路，即便在使用备用电源的情况下，电力系统和通信系统的运行也仅能维持数小时，这对于人员的定位和救援是不足的。采用无线信号虽然能避免这些问题，但是复杂的井下环境会导致无线信号衰减，无法实现较高的定位精度。

为了实现更好的人员定位，POTDR (Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer，相位敏感型光时域反射仪）技术被应用于煤矿井下人员定位中。该技术属于无电传感、分布式技术，能够应用于长距离人员定位[5]。本文提出基于综合光缆信号的煤矿井下应急救援定位方法。光缆作为通信介质，具有抗干扰能力高、安全性高的特点，综合光缆信号能全区域覆盖煤矿井下，灾害发生时可以实现精确的人员定位。通过综合光缆信号能及时定位被困人员，有助于救援人员及时救出被困人员，提高井下救援效率。

1、振动监测原理

综合光缆信号定位是基于光的传播。由于光纤本身的特性，光通过光纤时会发生延迟。相位延迟量φ可表示为：

式中：n为光纤折射率，l0为光纤长度，λ为波长，β为传播常数。

光纤受到振动作用时，折射率会发生改变。振动对光纤的压力为p，光相位发生变化，相位变化量Δφ可表示为：

式中：Δl0为光纤长度变化量，Δβ为波长间的相位差，Δn为光纤折射率变化量，Δφε为应变效应下的光相位变化，Δφs为光弹效应下的光相位变化。

光纤在受到压力时，会产生应变效应和光弹效应，这2种效应都会引起光相位的变化，则：

式中：ετ为纵向应变张量，μ为光纤泊松系数，E为光纤杨氏模量，k0≈β/n,S为光弹张量系数。

振动对光纤造成的压力不同，相位变化量也不同，Δφ与p的关系可表示为：

由式(5)可知，振动对光纤造成的压力与相位变化量呈正比，因此可以利用两者的关系，通过已知的一个量求得另一个量。对于井下人员定位，可以通过光相位获得振动信号，从而进行人员定位。振动信号的位置x可通过入射脉冲光与接收后向瑞利散射光的时间延迟进行确定。振动信号位置x可表示为：

式中：c为光速，t0为后向散射光强度发生变化的时间。

在POTDR振动监测系统中，窄线激光器能够发出连续激光，声光调制器将它调制为脉冲光，然后对脉冲光增大功率，通过环形器传递到传感光纤，相干后向瑞利散射光经光电探测器被高速采集系统采集，从而获得振动信息。系统原理如图1所示。

图1 POTDR振动监测系统原理图

后向瑞利散射波形距离与电压的关系如图2所示。POTDR振动监测系统对振动点进行定位需要大量数据开展差分累加计算。为了提高采集效率，利用高速采集装置采集后向散射信号，采集的信号经数据处理软件进行分析。

图2 后向瑞利散射波形距离与电压关系

图2中的折线包含实线和虚线，实线为第i次采集数据，虚线为第i+1次采集数据。2次采集的数据折线存在细微差异，当振动施加的距离较小时（小于或等于1 100 m），两者振动点差异大，传感距离差异小，表明该点信号存在。

由于振动信号包含的信息较多，传输和采集都会有所限制，这就对信号的提取和还原造成一定的障碍。为了提高信号提取和还原精度，结合A/D转换（模拟/数字转换）与FPGA (Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）技术快速处理数据，在振动处实现信号提取。

2、高速采集系统

为了提高综合光缆信号的数据处理速度，将高速数据采集系统应用于定位研究。高速采集系统原理如图3所示。后向瑞利散射信号能够被光电探测器检测，然后经FPGA进入高速采集系统，由衰减电路对信号进行处理，处理后经A/D转换将模拟信号转变成数字信号，然后信号存储起来。定位系统中的PC端与FPGA的通信方式有串口通信和高速总线通信2种。模式选择、系统复位等功能能使FPGA的数据处理稳定。

图3 高速采集系统原理图

FPGA在运行状态时，将存储器存储的数据传递给PC，两者相互配合对定位系统进行控制。在应急定位系统中，信号的实时提取对于快速开展救援至关重要。上位机对系统进行总线控制能实时传递数据信息，有利于信号的采集和处理。

2.1 A/D转换电路

在综合光缆信号应急救援定位系统中，POTDR振动信号对实时性和精度的要求较高，这就需要数模转换电路能够快速转换。为了保证定位系统的良好检测精度，设置A/D转换电路的转换位数大于10位，转换频率在5×107s-1以上。进行数据采集时，每间隔2 m设置1个采集点，所有的采集点均匀布置。

采集芯片选择AD 9226芯片，该芯片精度高，响应速度快，转换频率为6.5×107s-1，采集精度为12位。该芯片属于工业上常用的芯片，其端口电压较小，仅为1～3 V，因此需要设计与之匹配的衰减电路。A/D转换的采样率越高，信号的还原度就越高。在A/D转换电路中，时钟端口通过监测上沿触发对数据的采集，触发时间越短，定位系统定位速度越快，越能实现被困人员的快速救援。采集的数据经输出端口还原成模拟信号波形。

2.2 USB传输电路

采集和处理的数据需要传递给上位机，在定位系统中采用USB芯片将A/D转换数据传输给上位机，设计传输电路。采用PL 2303芯片，该芯片能实现实时传输，传输过程中信号不会丢失，能保证数据传输的准确性。

3、系统测试结果

为了检验综合光缆信号煤矿井下应急救援定位系统的定位效果，对定位系统进行测试。输入信号为50 Hz正弦波，采样时钟频率8 k Hz，深度200 m。利用Signal TapⅡ软件观测FPGA内部信号。

正弦信号的幅值发生周期性变化时，A/D输出端口的数据会随之发生变化，表明采集系统能满足工作需求。随着输入正弦信号幅值的周期性变化，A/D转换值输出12位端口数据也发生对应的变化，从而证明该采集系统工作满足要求。采用规律性的拍击信号作用于传感光纤，对振动部位进行监测，得到的监测结果如图4所示。综合光缆信号应急救援定位系统能实时响应振动信号，可利用此原理进行信号数据收集。

拍击信号能够产生时域信号，压电陶瓷模拟的振动也是振动源。采用频率20 Hz、电压幅值±10 V的方波进行振动实验。结果表明，经信号激励，振动源的波形与频率f=1/T=20 Hz的方波信号基本一致（T为1个周期时间长度的数值，单位s）。

为了考察频率不同时的波形差异，采用频率200 Hz、电压幅值±10 V的方波进行振动实验。信号经采集拟合运算。实验结果表明，还原的振动信号的频率f=1/T=200 Hz，与振动源波形一致。在实验过程中，振动信号本身会出现漂移，在一定的范围内出现抖动，对振动信息的影响较小，仍然可以获得有效信息。

图4 规律性拍击12位A/D转换产生的时域信号

煤矿井下环境复杂，干扰信号对监测的振动频率影响程度需要得到验证。为了验证不同频率范围内振动信号对采集数据的影响，采用100～1 000 Hz频率压电陶瓷激励信号，采集10组数据进行分析，对系统的频率响应进行判断，结果如图5所示。

图5 输入信号频率与探测信号频率线性拟合

图5所示的输入信号与探测信号频率拟合，探测信号频率y与输入信号频率x的拟合关系式为y=0.992 5x-4.614，平衡决定系数为0.995 07，输入信号与探测信号频率基本一致，表明两者在作为信号表达时较为接近。

在后向瑞利散射光的影响下，光纤距离变大，散射光变弱。为了考查光纤距离对振动定位效果的影响，在不同的距离处施加振动信号，选择10 km,12 km附近进行测试，定位结果如图

6所示。

由图6可知，在距离小于10 km时，振动信号波动小；在距离大于10 km时波动加大，10.07 km处有明显的尖峰，光纤距离12.01 km处信噪比较低，定位监测传感距离超出12 km。

图6 振动定位结果

为了测试综合光缆信号应急救援定位系统的定位误差，对不同的位置进行测试，分别选4.633 km和10.022 km 2个位置。采用多次测量的方法重复监测，每个位置监测50次，综合光缆信号定位误差较小，范围在-7～+11 m之间。

4、结束语

定位对于煤矿井下的紧急救援行动至关重要，因此为有效解决由断电造成的人员定位困难问题，提出综合光缆信号应急救援定位方法研究，以确定人员在井下的位置，从而快速、准确地找到被困人员，提高救援效率和成功率。所提方法主要是基于POTDR技术的振动提取原理，对光缆信号进行振动监测，利用高速采集系统，结合A/D转换与FPGA技术快速处理数据，在振动处实现信号提取，从而实现井下人员定位。实验结果表明：对于长度12 km的光纤，1 k Hz以下的振动信号能产生较好的响应特性，且定位误差在-7～+11 m范围内，说明一旦有人员遇到危险或发生事故，所提出的方法能快速响应并提供相关的定位信息，为救援行动提供及时的支持。

参考文献:

[1]谢晓佳,程丽君,王勇.基于Zigbee网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报,2007,32(8):884-888.

[2]韩玲娟,王强,杨其华,等.基于分布式光纤传感的水下输气管道泄漏监测与定位分析[J].传感技术学报,2015,28(7):1097-1102.

[3]王瑞峰,马学霞,王彦快.RFID技术的定位改进算法在铁路隧道人员定位中的应用[J].铁道学报,2012,34(10):68-71.

[4]李培煊,强蕊.基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究[J].中国安全生产科学技术,2011,7(4):139-143.

[5]方英兰,刘升,沈成银,等.相位敏感OTDR系统的信号解调方法[J].量子电子学报,2015,32(1):123-128.

文章来源:李俊建.基于综合光缆信号的煤矿井下应急救援定位[J].能源与节能,2023(10):206-209.