基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法，该装置包括激光器、浸入式探头、光探测器、光谱分析模块和识别模块，激光器与浸入式探头通过光纤连接，激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测器；采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；光谱分析模块根据光探测器输出的荧光信号，并进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路完整波段的荧光光谱数据；识别模块根据输入的被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA模型，基于SIMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。本发明专利技术实现了水源类型及时、准确的在线识别。

【技术实现步骤摘要】
基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及 方法
本专利技术涉及采矿
，具体涉及一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突 水水源识别装置及方法。
技术介绍
我国地质状况复杂，煤炭开采时地质灾害频发。瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害并称 煤矿五大灾害，自建国以来无论是从事故数量上还是死亡人数上，水害事故均仅次于瓦斯 事故，位居煤矿五大灾害第二位。矿井突水的主要类型有地表水、奥陶系灰岩岩溶水、煤系 砂岩裂隙水、煤系灰岩水、第四系冲积层水和老窑水这六种水，除地表水可防可控外，其余 五种水由于深埋地下，因此皆存在不可预见性。矿井突水预警的主要方式即进行突水水源 类型的实时在线识别。 目前尚无一种设备能实现煤矿井下的突水在线预警，传统的水源识别全部采用水 化学方法，测量水中代表离子的离子浓度进行建模识别。此类方法需要人员定时在涌水点 采集水样，且检测离子浓度耗时需要一小时以上，完全不能适应在线预警的要求。 因此，在突水事故发生之前及时对矿区排出水源进行识别，判断是否属于矿区已 知突水水样，提前排出可能存在的水害危险，对矿区安全生产尤其重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于激光诱导和SMCA分类法的矿井突水水源识别装 置及方法，以解决传统水化学技术不能实现在线式水源类型识别、识别准确度低的问题。 为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为： -种基于激光诱导和SMCA分类法的矿井突水水源识别装置，用于根据已知水样 的PCA模型对被测水体进行识别，该装置包括激光器、浸入式探头、光探测器、光谱分析模 块和识别模块，其中激光器与浸入式探头通过光纤连接，激光器将激光打入涌水点的被测 水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测 器；采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；光谱分析模 块根据光探测器输出的荧光信号，并进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路完整 波段的荧光光谱数据；识别模块根据输入的被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA 模型，基于SMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。 进一步地，所述光探测器为4个，所述光谱分析模块为FPGA，所述FPGA通过内部编 程对4路并行光探测器进行控制，规定各光探测器采集的荧光光谱波段分别为400-499nm、 500-599nm、600-699nm和700-799nm波段，将4路荧光光谱数据按顺序进行数据整合，输出 400-799nm完整波段的荧光光谱数据。所述光探测器为4路并行NMOS光探测器，在同一时 刻分别采集不同波段的荧光信号，可节约扫描时间。 具体地，所述识别模块判断被测水体属于哪种已知水样，具体执行如下操作： 读取被测水体的荧光光谱数据，采用移动平均法对该光谱数据进行数据预处理； 分别计算被测水体与不同已知水样的拟合偏差，以及总体偏差； 在显著性程度a=5%的情况下，进行F检测，将F的计算值与临界值进行比较， 若F的计算值小于临界值，则被测水体属于该F的计算值对应的已知水样。 本专利技术还提出了一种基于激光诱导和SMCA分类法的矿井突水水源识别方法，用 于根据已知水样的PCA模型对被测水体进行识别，该方法包括以下步骤： 激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探 头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测器； 采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号； 获取光探测器输出的荧光信号，进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路 完整波段的荧光光谱数据； 根据被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA模型，基于SMCA算法判断被 测水体属于哪种已知水样。 进一步地，所述判断被测水体属于哪种已知水样，包括以下步骤： 读取被测水体的荧光光谱数据，采用移动平均法对该光谱数据进行数据预处理； 分别计算被测水体与不同已知水样的拟合偏差，以及总体偏差； 在显著性程度a=5%的情况下，进行F检测，将F的计算值与临界值进行比较， 若F的计算值小于临界值，则被测水体属于该F的计算值对应的已知水样。 本专利技术提出的基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法，采 用激光装置，系统简单、安全性好。并采用先进的SIMCA算法对矿井突水水源类型进行识 另IJ，运算速度快，识别精度高，可以做到水源类型的在线识别，而且采用VS2008软件作为在 线监测界面，界面友好。依据煤矿井下突水特点，从预警煤矿灾害事故出发，根据矿井水文 地质的实际情况，充分利用SIMCA算法和激光诱导（LIF)技术的优点对矿井突水进行预警， 以实现在水灾事故未发生时，及时采取相关措施，将危险程度降至最低。 【附图说明】 图1为本专利技术矿井突水水源识别装置结构示意图； 图2为本专利技术实施例的识别效果图。 【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成 对本专利技术的限定。 如图1所示，本专利技术基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置包括 激光器、浸入式探头、光探测器、光谱分析模块和识别模块。 采用激光器激发被测水体辐射发出荧光的方法称为激光诱导荧光（Laser inducedfluorescence，LIF)。本实施例中激光器与浸入式探头通过光纤连接，采用405nm 激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接 收荧光信号，经光纤传输至光探测器进行光电转换。本实施例浸入式探头经特殊设计，可使 激发光和荧光达到最佳分离，且激发效率高。 具体地，本实施例的浸入式探头采用直角光路系统，以使入射光和荧光在被测水 体中达到最佳分离。在激光经光纤传入探头时，首先接触一特制棱镜，光路发生90度转变， 进入被测水体，实现对被测水体的激发，其后接触一端面的凹面镜，反射后再次进入被测水 体，对其进行二次激发，此种设计可以尽可能的提高荧光效率，增加荧光强度。 本实施例的光探测器为NMOS光探测器，被测水体受激辐射发出荧光，经光纤传 输至NMOS光探测器。本实施例采用4路并行NMOS光探测器，同时分别读取400-499nm、 500-599nm、600-699nm和700-799nm波段的荧光信号。光探测器由光谱分析模块进行驱动 控制，同时分别读取不同波段的荧光信号，将荧光信号转化为电信号。所述光探测器为4路 并行NMOS光探测器，在同一时刻分别采集不同波段的荧光信号，可节约扫描时间。 本实施例光谱分析模块为FPGA，对光探测器输出的点信号进行滤波和A/D转换， 经过数据整合后输出1路400-799nm完整波段的荧光光谱数据。 本实施例的光谱分析模块为FPGA，通过内部编程对4路并行光探测器进行控制， 规定各光探测器采集的荧光光谱波段，将4路荧光光谱数据按顺序进行数据整合。以一定 顺序读取A/D转换处理后的4路荧光光谱数据，进行数据整合，输出1路完整波段的荧光光 谱数据，荧光光谱数据经485总线送至识别模块。本实施例识别模块为上位机，装有VS2008 软件和MAT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置，用于根据已知水样的PCA模型对被测水体进行识别，其特征在于：该装置包括激光器、浸入式探头、光探测器、光谱分析模块和识别模块，其中激光器与浸入式探头通过光纤连接，激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测器；采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；光谱分析模块根据光探测器输出的荧光信号，并进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路完整波段的荧光光谱数据；识别模块根据输入的被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA模型，基于SIMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。

【技术特征摘要】
1. 一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置，用于根据已知水样的 PCA模型对被测水体进行识别，其特征在于：该装置包括激光器、浸入式探头、光探测器、光 谱分析模块和识别模块，其中激光器与浸入式探头通过光纤连接，激光器将激光打入涌水 点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输 至光探测器；采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；光 谱分析模块根据光探测器输出的荧光信号，并进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出 一路完整波段的荧光光谱数据；识别模块根据输入的被测水体的荧光光谱数据以及已知水 样的PCA模型，基于SMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。2. 根据权利要求1所述的矿井突水水源识别装置，其特征在于：所述光探测器为4个， 所述光谱分析模块为FPGA，所述FPGA通过内部编程对4路并行光探测器进行控制，规定各 光探测器采集的荧光光谱波段分别为400-499nm、500-599nm、600-699nm和700-799nm波 段，将4路荧光光谱数据按顺序进行数据整合，输出400-799nm完整波段的荧光光谱数据。3. 根据权利要求1所述的矿井突水水源识别装置，其特征在于，所述识别模块判断被 测水体属于哪种已知水样，具体执行如下操作： 读取被测水体的荧光光谱数据，采用移动平均法对该光谱数据进行数据预处理； 分别计算被测水体与不同已知水样的拟合偏差，以及总体偏差； 在显著性程度a =5%的情况下，进行F检测，将F的计算值与临界值进行比较...

【专利技术属性】
技术研发人员：周孟然，闫鹏程，聂梦雅，曲鹏，宫关，张开远，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34