本發(fā)明涉及一種礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、激光技術(shù)、光譜分析技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭是我國(guó)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)。我國(guó)煤礦重特大事故死亡人數(shù)，瓦斯事故占66.5％，礦井火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸事故，一氧化碳中毒窒息死亡人數(shù)高達(dá)80％。如果能在礦井爆炸早期實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)警，并采取有效的措施，是減少人員傷亡的關(guān)鍵。目前防治礦井爆炸事故的方法主要是監(jiān)測(cè)井下瓦斯?jié)舛?，但瓦斯?jié)舛瘸迌H僅是引起礦井爆炸的必要條件之一，如果不具備礦井爆炸的其他條件，即使瓦斯?jié)舛瘸抟膊粫?huì)引起爆炸，而且由于甲烷傳感器安裝于易爆現(xiàn)場(chǎng)附近，當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)易造成直接損害，無(wú)法再采集數(shù)據(jù)，所以傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警方式，在礦井爆炸發(fā)生前并不能準(zhǔn)確預(yù)警，在爆炸發(fā)生后也不能準(zhǔn)確報(bào)警。除瓦斯監(jiān)測(cè)法以外，基于煙霧、溫度、震動(dòng)等特征的礦井爆炸監(jiān)測(cè)方法也得到了應(yīng)用，但由于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及方法仍比較單一，報(bào)警準(zhǔn)確度并不十分理想。因此需要一種新的礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，以滿足煤礦安全生產(chǎn)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)瓦斯爆炸引起的部分氣體濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、聲音、煙霧、溫度、空氣壓力、震動(dòng)、聲音、光的變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯爆炸進(jìn)行報(bào)警。所述系統(tǒng)主要包括氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置、微震監(jiān)測(cè)裝置、空氣壓力監(jiān)測(cè)裝置、爆炸音監(jiān)測(cè)裝置、火球監(jiān)測(cè)裝置、溫度監(jiān)測(cè)裝置、風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置、風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置、煙霧監(jiān)測(cè)裝置、信息處理服務(wù)器、報(bào)警裝置和通信網(wǎng)絡(luò)；信息處理服務(wù)器負(fù)責(zé)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到氣體濃度數(shù)據(jù)、微震數(shù)據(jù)、空氣壓力數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)、火球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)和煙霧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常及裝置故障符合報(bào)警條件，則通過(guò)報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送爆炸報(bào)警信息。

1.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置為氣體濃度遙感裝置；氣體濃度遙感裝置主要包括激光發(fā)射器、激光接收器、控制處理單元和顯示單元；氣體濃度遙感裝置采用開(kāi)放氣室，可對(duì)環(huán)境中多種氣體濃度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)；氣體濃度遙感裝置具有激光測(cè)距功能。

2.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置采用下述方法進(jìn)行不同距離區(qū)域的氣體濃度監(jiān)測(cè)：裝置在同一點(diǎn)發(fā)射不同方向的兩束激光，對(duì)不同距離的反射點(diǎn)A和B進(jìn)行測(cè)量；設(shè)測(cè)得反射點(diǎn)A的距離為L(zhǎng)_A，氣體平均濃度為M_A，測(cè)得反射點(diǎn)B的距離為L(zhǎng)_B，氣體平均濃度為M_B，則A點(diǎn)到B點(diǎn)距離區(qū)域的氣體濃度可用近似表示。

3.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置采用下述掃描監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器發(fā)射不同方向的激光束進(jìn)行氣體濃度和距離監(jiān)測(cè)，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。

4.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器采用可自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射方向的激光發(fā)射器，控制處理單元以掃描監(jiān)測(cè)方式控制激光發(fā)射器發(fā)射方向，進(jìn)行不同方向氣體濃度和距離監(jiān)測(cè)。

5.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器通過(guò)激光源產(chǎn)生激光，一個(gè)激光源可產(chǎn)生用于探測(cè)多種氣體的激光。

6.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器通過(guò)激光源產(chǎn)生激光，激光發(fā)射器包括多個(gè)激光源，每個(gè)激光源用于產(chǎn)生探測(cè)一種氣體的激光。

7.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置采用下述方法進(jìn)行三維空間區(qū)域的氣體濃度監(jiān)測(cè)：氣體濃度遙感裝置在同一點(diǎn)發(fā)射不同方向的激光束對(duì)不同距離的反射點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲得發(fā)射點(diǎn)距各反射點(diǎn)的距離；以發(fā)射點(diǎn)為參考點(diǎn)，對(duì)反射點(diǎn)距離和激光發(fā)射方向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各反射點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)所有反射點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲得三維空間模型，將通過(guò)運(yùn)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(duì)應(yīng)，獲得三維空間區(qū)域的氣體濃度。

8.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器激光源采用可調(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(zhǎng)的激光；激光接收器接收反射回來(lái)的激光，將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制處理單元處理電信號(hào)，得到相應(yīng)的氣體濃度。

9.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器可發(fā)出CO、CO₂、O₂、CH₄和NO_X分子吸收峰值的不同波長(zhǎng)的激光。

10.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的火球監(jiān)測(cè)裝置包括視頻監(jiān)視設(shè)備。

11.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的火球監(jiān)測(cè)裝置包括紅外線監(jiān)測(cè)設(shè)備。

12.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的火球監(jiān)測(cè)裝置包括紫外線監(jiān)測(cè)設(shè)備。

13.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的煙霧監(jiān)測(cè)裝置包括視頻監(jiān)視設(shè)備。

14.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)的煙霧監(jiān)測(cè)裝置包括煙霧傳感器。

15.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)的風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置和風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置包括一體化超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器。

16.所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：系統(tǒng)中設(shè)置在爆炸性環(huán)境中的設(shè)備均為防爆型設(shè)備。

附圖說(shuō)明

圖1礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成示意圖。

圖2礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工作流程圖。

圖3氣體濃度遙感裝置實(shí)施方案1原理示意圖。

圖4氣體濃度遙感裝置實(shí)施方案2原理示意圖。

圖5氣體濃度遙感裝置實(shí)施方式2準(zhǔn)直器排列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6氣體濃度遙感裝置三維空間區(qū)域濃度監(jiān)測(cè)示意圖。

圖7氣體濃度遙感裝置工作流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1為礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成示意圖，所述系統(tǒng)組成包括：

1.信息處理服務(wù)器(1)：負(fù)責(zé)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并監(jiān)測(cè)氣體濃度數(shù)據(jù)、微震數(shù)據(jù)、空氣壓力數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)、火球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)和煙霧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化及裝置故障，通過(guò)分析數(shù)據(jù)變化和故障信息發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.報(bào)警裝置(2)：由信息處理服務(wù)器控制發(fā)出聲光報(bào)警，與信息處理服務(wù)器通過(guò)RS232接口連接通信。

3.監(jiān)控設(shè)備(3)：為生產(chǎn)管理人員提供數(shù)據(jù)查詢和生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)，由信息處理服務(wù)器提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),具有警報(bào)顯示和GIS服務(wù)功能。

4.核心交換機(jī)(4)：負(fù)責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換，與井下交換機(jī)(5)通過(guò)光纖連接，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括核心交換機(jī)(4)、井下交換機(jī)(5)和數(shù)據(jù)分站(6)。

5.井下交換機(jī)(5)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分站的接入和數(shù)據(jù)交換，通過(guò)光纖與各井下交換機(jī)以環(huán)網(wǎng)方式連接。

6.數(shù)據(jù)分站(6)：負(fù)責(zé)各監(jiān)測(cè)裝置的接入和數(shù)據(jù)交換，與井下交換機(jī)(5)通過(guò)光纖連接。

7.氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置(7)：采用氣體濃度遙感裝置，采用開(kāi)放氣室，可對(duì)環(huán)境中多種氣體濃度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，具有激光測(cè)距功能。

8.微震監(jiān)測(cè)裝置(8)：負(fù)責(zé)采集振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)字化，再將數(shù)字化得到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分站(6)，可采用BOSCH數(shù)字式三軸加速度傳感器BMA250，SPI接口輸出通過(guò)RS485模塊連接數(shù)據(jù)分站(6)。

9.空氣壓力監(jiān)測(cè)裝置(9)：用于監(jiān)測(cè)巷道差壓采集空氣壓力數(shù)據(jù)，可采用GPD10型煤礦用負(fù)壓傳感器，通過(guò)RS485接口模塊連接數(shù)據(jù)分站(6)。

10.爆炸音監(jiān)測(cè)裝置(10)：用于采集監(jiān)測(cè)聲音數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到爆炸音則輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)到數(shù)據(jù)分站(6)，可采用主要由LM393和駐極體話筒組成的聲音傳感器，可調(diào)節(jié)觸發(fā)靈敏度以監(jiān)測(cè)爆炸音。

11.火球監(jiān)測(cè)裝置(11)：用于監(jiān)測(cè)爆炸產(chǎn)生的火球，可通過(guò)攝像機(jī)采集視頻圖像，也可采用紅外線成像儀或紫外線成像儀采集圖像，由視頻圖像識(shí)別設(shè)備識(shí)別圖像，如在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)高溫或高亮區(qū)域面積超過(guò)設(shè)定閾值，則判定為火球，裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接井下交換機(jī)?？刹捎镁哂兄悄茏R(shí)別功能的?？礑S-2CD8313PF-E25紅外熱成像網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

12.溫度監(jiān)測(cè)裝置(12)：用于監(jiān)測(cè)易爆區(qū)域溫度，可采用非接觸式紅外溫度儀DT8012B，通過(guò)RS485接口模塊連接數(shù)據(jù)分站(6)。

13.風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置(13)：可采用機(jī)械式風(fēng)速傳感器，也可采用一體化超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過(guò)交叉超聲波的時(shí)間差得到風(fēng)速及風(fēng)向，直接集成風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置(13)。可采用HS-FSSB01一體化超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器，通過(guò)RS485接口模塊連接數(shù)據(jù)分站(6)。

14.風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置(14)：可采用機(jī)械式風(fēng)向傳感器，也可采用一體化超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

15.煙霧監(jiān)測(cè)裝置(15)：用于監(jiān)測(cè)火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，可采用傳統(tǒng)離子式或光電式煙霧傳感器，也可通過(guò)視頻識(shí)別煙霧，可采用重慶海普的煙霧智能識(shí)別模塊對(duì)攝像機(jī)采集視頻圖像進(jìn)行視頻煙霧識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接分站(6)。

圖2為礦井爆炸監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)工作流程圖：

1.(201)各監(jiān)測(cè)裝置采集分別氣體濃度數(shù)據(jù)、微震數(shù)據(jù)、空氣壓力數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)、火球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)和煙霧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。微震監(jiān)測(cè)裝置(8)、空氣壓力監(jiān)測(cè)裝置(9)、爆炸音監(jiān)測(cè)裝置(10)、溫度監(jiān)測(cè)裝置(12)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置(13)、風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置(14)將采集的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分站(6)；火球監(jiān)測(cè)裝置(11)、煙霧監(jiān)測(cè)裝置(15)將數(shù)據(jù)直接送礦用以太網(wǎng)傳輸。

2.(202)數(shù)據(jù)分站(6)接收微震監(jiān)測(cè)裝置(8)、空氣壓力監(jiān)測(cè)裝置(9)、爆炸音監(jiān)測(cè)裝置(10)、溫度監(jiān)測(cè)裝置(12)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)裝置(13)、風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置(14)的數(shù)據(jù)，定時(shí)將數(shù)據(jù)打包送礦用以太網(wǎng)傳輸。

3.(203)井下交換機(jī)(5)將數(shù)據(jù)分站傳送的數(shù)據(jù)與火球監(jiān)測(cè)裝置(11)、煙霧監(jiān)測(cè)裝置(15)直接傳送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄系暮诵慕粨Q機(jī)(4)。

4.(204)核心交換機(jī)(4)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚矸?wù)器

5.(205)信息處理服務(wù)器(1)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并監(jiān)測(cè)氣體濃度數(shù)據(jù)、微震數(shù)據(jù)、空氣壓力數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)、火球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)和煙霧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，并通過(guò)定時(shí)器判定各監(jiān)測(cè)裝置工作狀態(tài)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)變化和故障信息，如符合報(bào)警條件則通過(guò)RS232接口控制報(bào)警裝置(2)和監(jiān)控設(shè)備(3)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)據(jù)異常包括易爆區(qū)域的氣體濃度數(shù)據(jù)CO、CO₂、O₂、CH₄和NO_X中的CO、CO₂、NO_X在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)濃度升高值超過(guò)設(shè)定閾值，O₂或CH₄在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)濃度降低值超過(guò)設(shè)定閾值，微震數(shù)據(jù)積分值在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)超過(guò)設(shè)定閾值，空氣壓力數(shù)據(jù)在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)升高值超過(guò)設(shè)定閾值，監(jiān)測(cè)到爆破音，設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)監(jiān)測(cè)到火球，溫度數(shù)據(jù)在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)升高值超過(guò)設(shè)定閾值，風(fēng)速數(shù)據(jù)在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)升高值超過(guò)設(shè)定閾值，風(fēng)向在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)監(jiān)測(cè)到煙霧，及傳感器發(fā)生故障，當(dāng)數(shù)據(jù)異常項(xiàng)數(shù)量與傳感器故障數(shù)量的和超過(guò)設(shè)定閾值，則判定為發(fā)生爆炸。各監(jiān)測(cè)閾值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境測(cè)量設(shè)定或人為設(shè)定得到。

6.(206)報(bào)警裝置(2)接收信息處理服務(wù)器(1)通過(guò)RS232接口傳送的報(bào)警控制信號(hào)，發(fā)出聲光報(bào)警。

7.(207)監(jiān)控設(shè)備(3)接收信息處理服務(wù)器(1)通過(guò)礦用以太網(wǎng)傳送的報(bào)警信號(hào)，通過(guò)電腦顯示屏顯示爆炸位置。

圖3為氣體濃度遙感裝置的具體實(shí)施方式1原理示意圖，主要包括激光發(fā)射器、激光接收器、控制處理單元和顯示單元。控制處理單元負(fù)責(zé)控制激光發(fā)射器發(fā)射激光；處理激光接收器返回的信號(hào)獲得氣體濃度和反射物距離；控制通信接口進(jìn)行通信；控制顯示屏顯示；接收按鍵的操作信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。核心處理器(301)、信號(hào)發(fā)生器(302)、鎖相環(huán)放大器(303)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(304)、數(shù)字鑒相器(305)和其它輔助元件；激光發(fā)射器負(fù)責(zé)測(cè)距及氣體監(jiān)測(cè)的激光信號(hào)的發(fā)射，包括激光源(306)和云臺(tái)(307)；激光接收器負(fù)責(zé)接收激光信號(hào)，將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具體組成包括接收透鏡(308)、暗室(309)和光電探測(cè)器(310)；通信接口(311)用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸；顯示單元負(fù)責(zé)氣體濃度與裝置工作狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示的主要元件為顯示屏(312)。主要元件包括：

1.核心處理器(301)，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；使用嵌入式Linux平臺(tái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制通信。

2.信號(hào)發(fā)生器(302)，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(cè)的調(diào)制鋸齒波控制信號(hào)及信號(hào)分析用的參考信號(hào)，包括DDS發(fā)生器、濾波電路、加法器等多個(gè)部分。

3.鎖相環(huán)放大器(303)，采用兩個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)提取氣體吸收信號(hào)的一次、二次諧波，利用信號(hào)與噪聲的互不相關(guān)性來(lái)抑制噪聲，提高信噪比，可采用LIA-MV-150鎖相放大器模塊。

4.模數(shù)轉(zhuǎn)換器(304)，負(fù)責(zé)將鎖相放大器解調(diào)出的一次、二次模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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。

5.數(shù)字鑒相器(305)，負(fù)責(zé)處理接收到的測(cè)距信號(hào)，將接收信號(hào)與發(fā)送控制信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，獲得信號(hào)間的相位差，并將相位差以數(shù)據(jù)方式通過(guò)接口傳送給核心處理器。

6.激光源(306)，采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可發(fā)出多種波長(zhǎng)的激光，用于測(cè)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(zhǎng)及功率。

7.云臺(tái)(307)，用于控制可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(311)的發(fā)射方向和激光接收器的接收方向，可由核心處理器SPI通信端口外接MAX485芯片通過(guò)云臺(tái)控制協(xié)議控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，云臺(tái)采用攝像機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控云臺(tái)，可在水平和垂直方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

8.接收透鏡(308)，負(fù)責(zé)將反射回來(lái)的激光聚集至光電探測(cè)器。

9.暗室(309)，采用密閉筒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁涂吸光材料。

10.光電探測(cè)器(310)，負(fù)責(zé)將接收到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(307)和數(shù)字鑒相器(309)。

11.通信接口(311),包括有線通信接口和無(wú)線通信接口，有線通信接口的主要芯片采用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(dòng)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(guò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理連接進(jìn)行通信；無(wú)線通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)USB接口的Wifi無(wú)線網(wǎng)卡，在系統(tǒng)、USB口驅(qū)動(dòng)及Wifi無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序支持下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

12.顯示屏(312)，采用3.5寸彩色LCD屏，分辨率480x800，由Linux自帶顯示驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)。

13.按鍵(313)，用于氣體濃度遙感裝置參數(shù)及功能設(shè)定及控制，包括確定、返回、上移、下移等功能鍵。

圖4為氣體濃度遙感裝置的具體實(shí)施方式2原理示意圖。實(shí)施方式2與實(shí)施方案1的一個(gè)區(qū)別在于采用由多路數(shù)據(jù)選擇器(314)控制的多個(gè)不同的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，用于發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光，激光需通過(guò)合光器(315)和光路選擇器和準(zhǔn)直器發(fā)射出去；另一個(gè)區(qū)別在于實(shí)施方式2沒(méi)有云臺(tái)，而采用8個(gè)準(zhǔn)直器，每個(gè)準(zhǔn)直器指向不同的方向，8個(gè)準(zhǔn)直器(317)連接光選路器(316)，光選路器(316)受核心處理器(301)的控制將合光器(315)發(fā)出的激光進(jìn)行選路，將激光從選擇的某路準(zhǔn)直器(317)發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)多路時(shí)分復(fù)用。所涉及的元件如下：

1.多路數(shù)據(jù)選擇器(314)，負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)生器(305)與多路可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器之間的選通，可采用CD4051BC雙向模擬開(kāi)關(guān)，由核心處理器(302)的3個(gè)I/O口控制選通，1個(gè)I/O口控制開(kāi)關(guān)；COMMON IN/OUT口與信號(hào)發(fā)生器(305)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(311)。

2.激光源(306)，采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可發(fā)出所監(jiān)測(cè)氣體某吸收峰值波長(zhǎng)的激光，不同氣體采用不同波長(zhǎng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，可采用SAF117XS系列蝶形可調(diào)諧半導(dǎo)體可調(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。

3.合光器(315)，采用光纖合波器將不同波長(zhǎng)的激光合成一束，本裝置各可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器采用分時(shí)發(fā)射，所以輸出端在任意時(shí)刻最多也只有一個(gè)波長(zhǎng)的激光輸出。

4.光選路器(316)可采用Vispace 1000OSS光選路設(shè)備，由核心處理器(302)通過(guò)串口控制選路連通。

5.準(zhǔn)直器(317)，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。

圖5為氣體濃度遙感裝置實(shí)施方式2準(zhǔn)直器排列結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為氣體濃度遙感裝置三維空間區(qū)域濃度監(jiān)測(cè)示意圖。設(shè)裝置發(fā)射8束激光，分別在A、B、C、D、E、F、G、H點(diǎn)得到反射，以裝置所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)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(diǎn)A坐標(biāo)同理可得其它各點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)可建立如圖6所示的三維空間模型。在掃描監(jiān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)各反射點(diǎn)測(cè)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(diǎn)為所示空間模型內(nèi)部的任意一點(diǎn)，通過(guò)K點(diǎn)垂直于Y軸的平面與AB、DC、EF、HG交點(diǎn)分別為K_AB、K_DC、K_EF、K_HG，其坐標(biāo)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(diǎn)的氣體濃度K_DC點(diǎn)的氣體濃度K_EF點(diǎn)的氣體濃度K_HG點(diǎn)的氣體濃度通過(guò)K點(diǎn)平行于Z軸的直線與K_ABK_DC和K_EFK_HG的交點(diǎn)分別為K_ABCD和K_EFGH，其X軸坐標(biāo)分別為x_KABCD和x_KEFGH，得到K_ABCD點(diǎn)的氣體濃度及K_EFGH點(diǎn)的氣體濃度進(jìn)而得到K點(diǎn)的參考濃度通過(guò)以上示例算法可得到三維空間區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)的氣體濃度。

氣體濃度遙感裝置工作流程如圖7所示：

1.(701)，核心處理器(301)定時(shí)啟動(dòng)一次監(jiān)測(cè)掃描過(guò)程。

2.(702)，首先進(jìn)行激光測(cè)距，核心處理器(301)控制信號(hào)發(fā)生器(302)產(chǎn)生10M正弦波信號(hào)。

3.(703)，正弦波信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光源(306)發(fā)出用于探測(cè)距離的激光。實(shí)施方案1正弦波信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，實(shí)施方案2正弦波信號(hào)需經(jīng)過(guò)多路數(shù)據(jù)選擇器(314)選擇通路后，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，再經(jīng)過(guò)合光器(315)、光路選路器(316)，由相應(yīng)角度的準(zhǔn)直器(317)發(fā)射出去激光。

4.(704)，測(cè)距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(308)收集反射回來(lái)的激光聚集至光電探測(cè)器(310)，光電探測(cè)器將接收到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

5.(705)，數(shù)字鑒相器(305)處理接收到的測(cè)距電信號(hào)，經(jīng)放大、混頻等處理后，獲得與發(fā)送控制信號(hào)間的相位差，相位差以數(shù)據(jù)方式通過(guò)接口傳送給核心處理器。

6.(706)，核心處理器(301)接收相位差數(shù)據(jù)，根據(jù)相位差獲得裝置與反射物之間的距離。

7.(707)，核心處理器(301)控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)出50Hz的鋸齒波信號(hào)并用50kHz的正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

8.(708)，經(jīng)調(diào)制的鋸齒波信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光源(306)發(fā)出掃過(guò)某一種氣體吸收峰值波長(zhǎng)范圍的激光。實(shí)施方案1正弦波信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；實(shí)施方案2正弦波信號(hào)需經(jīng)過(guò)多路數(shù)據(jù)選擇器(123)選擇相應(yīng)的氣體通路后，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，再經(jīng)過(guò)合光器(315)、光路選路器(316)，由相應(yīng)的準(zhǔn)直器(317)發(fā)射出去激光。

9.(709)，激光穿過(guò)被測(cè)區(qū)域的空氣遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(308)收集反射回來(lái)的激光聚集至光電探測(cè)器(310)，光電探測(cè)器將接收到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

10.(710)，鎖相環(huán)放大器(303)接收電信號(hào)，并分時(shí)接收信號(hào)發(fā)生器提供的調(diào)制信號(hào)及調(diào)制信號(hào)的倍頻信號(hào)，經(jīng)處理提取分時(shí)得到的一次、二次諧波信號(hào)。

11.(711)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(304)將一次、二次諧波信號(hào)數(shù)字化。

12.(712)，核心處理器(301)接收一次、二次諧波信號(hào)的數(shù)據(jù)，處理得到所經(jīng)光路上的所測(cè)氣體的濃度。

13.(713)，判斷是否監(jiān)測(cè)完所有種類的氣體，如未監(jiān)測(cè)完執(zhí)行(714)，如已監(jiān)測(cè)完執(zhí)行(715)。

14.(714)，核心處理器控制轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)另一種氣體濃度，重復(fù)(707)至(712)的氣體濃度測(cè)量過(guò)程。

15.(715)，判斷是否完成所有角度掃描，如未完成執(zhí)行(716)，如已完成執(zhí)行(717)。

16.(716)，實(shí)施方案1：核心處理器(301)控制云臺(tái)(307)帶動(dòng)激光源(306)和激光接收器轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度；實(shí)施方案2：核心處理器(301)控制多路數(shù)據(jù)選擇器(121)選擇激光源(306)通路，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的激光源，再經(jīng)過(guò)合光器(315)、光路選路器(316)，由另一個(gè)角度的準(zhǔn)直器(317)發(fā)射出去激光。再重復(fù)(702)至(712)測(cè)距及氣體濃度監(jiān)測(cè)的過(guò)程。

17.(717)，核心處理器處理(301)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.(718)，核心處理器處理(301)通過(guò)通信接口(311)上傳數(shù)據(jù)，并通過(guò)顯示屏(312)顯示數(shù)據(jù)。