一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，包括分布式光纤传感系统、多路复选光开关、传感光缆和振动编码设备；所述振动编码设备紧贴传感光缆后启动，将用户输入的呼救信息编码为相应的振动信号，采用传感光缆并行传输的方式自动发送编码后的振动信号至分布式光纤传感系统，分布式光纤传感系统解码得到振动编码设备所在地下三维空间坐标和用户输入的呼救信息。本发明专利技术能充分利用现有设施实现大范围、远距离的多点分布式传感，适用于在地下事故发生前及时对异常信号提出预警，救援过程中地下被困人员向地面人员发送呼救信息，可有效提高救援效率，减少人员伤亡。减少人员伤亡。减少人员伤亡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统和方法


[0001]本专利技术属于传感通信
，具体涉及一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统和方法。

技术介绍

[0002]随着现代化的快速发展，地下空间在交通设施、生产生活、防灾避难、资源开采等方面的开发利用越来越多，与此同时，地下空间在安全监测、应急救援等方面，仍存在一些突出问题，以煤矿生产为例，我国是世界上最大的煤炭生产国，2021年全国煤炭产量41.3亿吨，占全世界产量的50.5％，对全球的能源供应至关重要。而在开采煤炭过程中，矿难事故时有发生。2021年全国全年共发生煤矿矿难91起、死亡178人，百万吨死亡人数0.044，造成巨大的经济和人员损失。防止事故发生是解决问题的根本，但当事故不幸发生时，尽快开展救援工作是挽回损失的关键。
[0003]事故发生后，救援工作的主要难点在于时间紧、定位慢、通信难。时间方面，事故发生后的72小时为黄金救援时间，此时被困人员不仅面临着食物与水短缺，还有缺氧、有毒有害气体浓度过高等生存问题。救援时间越长，被困人员面临的死亡风险就越大。定位方面，目前地下的定位系统主要是基于射频识别(RFID)、紫蜂(ZigBee)和超宽带(UWB)等技术。目前我国使用最为广泛的矿山(KJ)系列定位系统即是基于RFID技术，其定位精度取决于读卡器的密度，一般只能够达到50m，无法满足救援工作的需求。ZigBee技术及UWB技术均属于无线网络定位技术，适用于正常生产时对工人实时定位追踪，但其定位基站需要供电，且定位时对信号强度要求较高。在发生爆炸、透水等事故时，地下电力系统极易瘫痪，无线信号易受环境影响，不适合地下救援定位。通信方面，目前地下应急通信方式有敲击传声、调度电话、透地通信和无线通信。敲击传声是通过原始的敲击产生振动信号，向外界传递信息，可传递的信息量太低，无法向地面人员提供有效需求。调度电话、透地通信及无线通信等方式均需要电力支持，当事故造成供电系统瘫痪时，通信线路中断，造成地下呼救信息无法传输。
[0004]分布式光纤传感系统将光纤作为传感单元和传输介质，利用瑞利散射信号实现对光纤沿线振动信号的分布式测量，具有抗干扰能力强、监测范围广、灵敏度高、可定量分析及抗电磁干扰等优点。目前已有基于分布式光纤传感系统研制的地下光纤振动呼救系统，该系统以呼救声作为声源，光纤感应到后，在地面进行解调放大，可实现定位与通信合二为一。除此之外，该系统可利用地下现有光缆进行工作，在救援方面具有极大优势。然而，由于地下环境复杂，铺设的光缆都有大量的填充层及加强结构，若以呼救声作为声源，产生的振动强度较低，从而信噪比较低，通常很难解调出声信号内容，且在地下持续呼救会消耗大量体力，不利于救援工作的开展。
[0005]公开号为CN112857555A的专利技术中公开了一种采集地下传感器的装置，包括振动发生器、地下通信光缆和光纤分布式振动传感器。振动发生器接收到地下不同位置的传感器传输来的数据后，进行振动编码转化为振动信号，并作用于地下通信光缆。地上的光线分布
式振动传感器对地下通信光缆的振动进行探测和定位，得到相应位置传感器的振动编码，进行解码得到相应位置地下传感器输出的数据。然而，该专利技术无法实现人员主动输入信息，不适合地下救援场景，也不涉及振动编码的帧格式、多点同时发送信息及异常信号提前预警等技术问题。
[0006]公开号为CN114263502A的专利技术中公开了一种基于光纤传感的矿井灾后应急通讯方法，以电机与弹性棒构成的振动器产生不同频率的振动信号，每种固定频率振动信号所代表的语义信息预先编码确定，通过光纤传感解调出振动信号以及振动信号所代表的语义。然而，该专利技术未涉及语义信息的数字化，仅使用频率对应语义可以传输的信息非常有限，也不涉及多点同时发送信息及异常信号提前预警等技术问题。
[0007]本专利技术旨在将振动编码设备与分布式光纤传感系统结合，提出一种新型的地下救援监测技术，在事故发生前能够提前进行快速定位预警，提示地下人员迅速应急避难。而在事故发生后，被困人员只需经过简单的操作即可将位置、被困人数、含氧量、瓦斯含量、食物及水储存量等关键信息传递给地面，方便进行后续救援。

技术实现思路

[0008]解决的技术问题：本专利技术针对发生事故后现有地下救援监测手段的不足，将振动编码设备与分布式光纤传感系统结合，提出一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统和方法，在事故发生前能够提前进行快速定位预警，提示地下人员迅速应急避难；在事故发生后，被困人员只需经过简单的操作即可将位置、被困人数、含氧量、瓦斯含量、食物及水储存量等关键信息传递给地面，方便进行后续救援。
[0009]技术方案：
[0010]一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，所述地下救援监测系统包括分布式光纤传感系统、多路复选光开关、传感光缆和振动编码设备；
[0011]所述分布式光纤传感系统安装在地面机房，通过多路复选光开关与位于地下的传感光缆网络单端连接；所述分布式光纤传感系统中构建有一维光缆皮长与地下三维空间坐标的映射关系数据库；
[0012]所述振动编码设备紧贴传感光缆后启动，将用户输入的呼救信息编码为相应的振动信号，采用传感光缆并行传输的方式自动发送编码后的振动信号至分布式光纤传感系统，分布式光纤传感系统采集传感光缆沿线的背向瑞利散射信号，将其与背景噪声作差，记录振动信号发生的位置，对解调得到振动信号进行解码以得到振动编码设备所在地下三维空间坐标和用户输入的呼救信息。
[0013]进一步地，所述分布式光纤传感系统中安装有异常振动信号识别单元和预警单元；
[0014]所述异常振动信号识别单元用于识别传感光缆上的异常振动信号，当识别到异常振动信号时，启动预警单元对地下人员进行报警；所述异常振动信号包括但不限于瞬态的强振动、异常的低频形变及高频振动信号。
[0015]进一步地，所述预警单元包括地下广播系统和无线通信系统。
[0016]进一步地，每个地下通道分支设置有至少三个标定点，分别位于地下通道分支头、地下通道分支中点、地下通道分支尾。
[0017]进一步地，所述呼救信息包括被困人数、受伤人数、氧气含量、瓦斯浓度、食物余量及水余量。
[0018]进一步地，所述振动编码设备采用波特率为10的串行通信编码，以有无振动区分0和1。
[0019]进一步地，所述编码后的振动信号的1个包括1个引导字、多个数据字和1个校验字；每个字包含10个位，分别为1个起始位、8个有效数据位及1个停止位，起始位固定为1，停止位固定为O，数据位为相应的数据，范围为0～255；其中，引导字的有效数据位固定为10100101，校验字的有效数据位为所有数据字的有效数据位的和校验
[0020]进一步地，所述振动编码设备包括表盘；
[0021]所述表盘包括处理器、显示屏和多个输入按键，不同输入按键对应不同的呼救参数；所述处理器内安装有编码模块，综合不同输入按键输入的呼救参数并进行编码，得到相应的振动信号；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，所述地下救援监测系统包括分布式光纤传感系统、多路复选光开关、传感光缆和振动编码设备；所述分布式光纤传感系统安装在地面机房，通过多路复选光开关与位于地下的传感光缆网络单端连接；所述分布式光纤传感系统中构建有一维光缆皮长与地下三维空间坐标的映射关系数据库；所述振动编码设备紧贴传感光缆后启动，将用户输入的呼救信息编码为相应的振动信号，采用传感光缆并行传输的方式自动发送编码后的振动信号至分布式光纤传感系统，分布式光纤传感系统采集传感光缆沿线的背向瑞利散射信号，将其与背景噪声作差，记录振动信号发生的位置，对解调得到振动信号进行解码以得到振动编码设备所在地下三维空间坐标和用户输入的呼救信息。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，所述分布式光纤传感系统中安装有异常振动信号识别单元和预警单元；所述异常振动信号识别单元用于识别传感光缆上的异常振动信号，当识别到异常振动信号时，启动预警单元对地下人员进行报警；所述异常振动信号包括但不限于瞬态的强振动、异常的低频形变及高频振动信号。3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，所述预警单元包括地下广播系统和无线通信系统。4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，每个地下通道分支设置有至少三个标定点，分别位于地下通道分支头、地下通道分支中点、地下通道分支尾。5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，所述呼救信息包括被困人数、受伤人数、氧气含量、瓦斯浓度、食物余量及水余量。6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于，所述振动编码设备采用波特率为10的串行通信编码，以有无振动区分0和1。7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感系统的地下救援监测系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张道，李亚卓，佟帅，赵世松，李云飞，柏顺娣，
申请(专利权)人：南京法艾博光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：