煤矿光纤传感应急通信系统设计

康志坚，张红娟，高妍，王宇，靳宝全

(1.太原理工大学 电气与动力工程学院， 山西 太原 030024；2.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室， 山西 太原 030024)

0 引言

井下煤炭开采是高危行业，煤矿瓦斯爆炸、火灾、突水等灾害时有发生，在灾害发生后第一时间获知煤矿井下人员信息，对保障工人人身安全和煤矿正常运营至关重要。因此，研究矿井通信方式对灾后快速制定应急方案具有极高的实用价值[1-3]。目前，煤矿人员信息交互手段主要有矿用调度电话、矿井广播等有线方式和个人手持式电话系统(Personal Handy-phone System，PHS)、4G、WiFi等无线方式[4-6]。矿用调度电话、矿井广播通信终端均为固定设备，工作时需井下供电。采用PHS、4G、WiFi等无线通信方式时，井下基站需电力支持。在遭遇瓦斯爆炸、粉尘爆炸、火灾、突水、顶板冒落等灾害时，通信线缆与设备终端易受冲击破坏；无线电波易受复杂环境阻断；当灾害致使煤矿井下电力系统瘫痪时，依托电力支持的通信链路难以维系，影响通信系统的正常工作，从而造成煤矿井下救援信息无法传输[7-9]。

光纤具有本质安全、无源传输、抗干扰性强、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、便于铺设、易工程化等优势[10-11]，可摆脱电能束缚，在煤矿井下潮湿、地形多变、电磁干扰、易燃易爆的复杂环境中稳定工作[12-13]。因此，本文设计了一种煤矿光纤传感应急通信系统，实现了矿井灾后无电环境下对井下被困人员声音信息的采集、传输和处理。该系统包含光纤声音传感子系统与硬件解调子系统2个部分：在井下巷道铺设的光缆中加入光纤探头，构建光纤声音传感子系统，侦听巷道内被困人员呼喊、敲击等声音信号；硬件解调子系统放置于地面，用于提取并还原加载在光信号里的音频信息。

1 光纤声音传感子系统设计

干涉型光纤传感系统灵敏度高，适用于微小振动信号检测，根据光干涉原理可分为Sagnac，Mach-Zehnder，Michelson系统。本文结合Sagnac系统光程差为零与Mach-Zehnder系统易实现的优点，搭建长距离光纤声音传感子系统，如图1所示。该系统包括ASE宽带光源、隔离器、2×2耦合器、延迟光纤、2×1耦合器、传感光纤、法拉第旋转镜。ASE宽带光源为系统提供探测光，隔离器用于隔离反射光，以消除反射光对光源的不良影响；延迟光纤用于解决环形Sagnac结构因互易效应存在测量盲区的问题，法拉第旋转镜用于探测光的反射，光纤探头用于接收被困人员的声音信号[14]。光纤声音传感子系统与硬件解调子系统通过FC/APC接口连接。

图1 光纤声音传感子系统Fig.1 Optical fiber sound sensing subsystem

ASE宽带光源提供的探测光经2×2耦合器分为2路探测光，2路探测光潜在的传播路径如下：① 4─A─B─D─E─D─C─3；② 3─C─D─E─D─B─A─4；③ 4─A─B─D─E─D─B─A─4；④ 3─C─D─E─D─C─3。路径①和路径②传播路程相同，光程差为零，而其他任意2种探测光的传播路径均大于可发生干涉的最大相干长度，无法发生干涉，故探测光的传播路径为路径①和路径②。

当光波经过长度为L的光纤时，相位延迟为

φ=βL

(1)

式中β为光传播常数。

当声压作用于传感光纤时，探测光相位变化为

(2)

式中：ΔL为光纤长度变化量;n为光纤折射率,Δn为其变化量；D为光纤直径,ΔD为其变化量。

式(2)中，等号右边第1项表示光纤长度变化引起的相位变化，第2项表示光纤折射率变化引起的相位变化，第3项表示光纤直径变化引起的相位变化。

探测光相位的变化进一步引起光强的变化，沿路径①和路径②传播的2束探测光光强I1,I2分别为

(3)

(4)

式中：I0为探测光输入光功率；c为光波传播速度；t为时间;τ1，τ2分别为探测光经过路径①和路径②到达光纤探头的时间。

根据Sagnac效应，2束探测光在2×2耦合器处的干涉光强为

(5)

式中ΔT代表由其他信号或器件引起的非互易相移常数。

由式(5)可知2束探测光的干涉光强I与Δφ之间的关系，结合式(2)可得干涉光强与声波信号的关系[15-17]。故当煤矿井下发生灾害导致人员无法通过通信设备求救时，可向铺设光缆的方向呼喊、敲击，声音信号可经光纤探头采集并通过光缆传输至地面。

2 硬件解调子系统设计

硬件解调子系统对采集的声音信号进行解调处理，对微弱信号进行提取放大。该子系统包含光电转换模块和音频处理模块，如图2所示。光电转换模块包含光电转换单元、电流电压转换单元和四阶滤波单元。音频处理模块包含差分传输单元、滤波单元、前置放大单元、功率放大单元、控制单元和输出单元。

图2 硬件解调子系统Fig.2 Hardware demodulation subsystem

光纤探头在井下采集承载声音信息的光信号并通过光缆输送至井上，经光纤声音传感子系统输出。在光电转换模块中，采用高速PIN光电二极管将光信号转换为电流信号。为方便后续处理，采用芯片OPA657搭建电流电压转换单元,将电流信号转换为电压信号。为提高电压信号信噪比，采用芯片TL082搭建四阶滤波单元进行滤波处理，根据人耳听觉频率范围0.02～20 kHz，设置截止频率为20 kHz。

在音频处理模块中，采用以芯片THS4131 为核心的差分传输单元将电压信号由单端传输转换为差分传输，以提高抗干扰能力，降低噪声。采用匝数比为1+1∶1+1、材料为坡莫合金的音频变压器滤除信号转换过程中的直流干扰。降噪处理后信号电压等级为毫伏级，不足以支撑信道信息还原输出。因此,采用芯片INA11AP和TDA7053A分别搭建前置放大电路和功率放大电路，以提升信号电压等级。通过外接音频设备将电压信号转换为声音信号，实现电声信号转换。采用控制电平输入的方式调节输出音量大小。

硬件解调子系统对声音的还原效果好，占用的硬件资源少，信号实时处理能力强。

3 实验分析

在实验室条件下，利用ASE宽带光源、隔离器、2×2耦合器、2×1耦合器、法拉第旋转镜和单模光纤搭建光纤声音传感子系统。延迟光纤由长度为4 km的G652D单模光纤缠绕而成，放置在2×2耦合器与2×1耦合器之间。10 km单模光纤用于模拟井下长距离光缆传输。将长度为6 m的G652D单模光纤缠绕成直径为10 cm的圆环，用圆环制作光纤探头；光纤探头接入光缆末端，光缆最尾部与法拉第旋转镜连接。采用隔音海绵对除光纤探头以外的系统装置进行隔音处理，在光纤探头附近施加敲击等声音信号，并通过光纤探头拾取。在实验过程中，ASE宽带光源采用12 V数字电源供电，向系统提供光功率为1 mW、中心波长为1 550 nm的探测光。当外界无声音信号时光电转换模块的输出信号如图3所示。由图3可知，系统本身噪声幅值约为10 mV。

图3 无声音信号时光电转换模块输出信号Fig.3 Output signal of photoelectric conversion module without sound source

在相同实验条件下，用手指轻敲光纤探头，测得光电转换模块的输出信号，如图4(a)所示。由图4(a)可知，响应曲线的峰峰值为102.6 mV，光纤声音传感子系统对外界声音变化敏感，可实时反映外界声音变化。选取图4(a)中21～24 ms时间段的信号波形展开，如图4(b)所示。由图4(b)可知，光电转换模块输出的音频为交流电信号。

(a) 敲击光纤探头时的输出信号

(a) 声源距离光纤探头1 m时的输出信号

(a) 0.5 kHz固定声源

采用100 dB·m，1 kHz的固定声源模拟外界声音信号，将声源分别放置在距光纤探头1，3，5 m的地方测试系统对声音的拾取、解调效果，响应曲线如图5所示。由图5可知，光电转换模块输出的电压信号峰峰值分别为0.187 9,0.141 9，0.110 6 V，电压信号幅值为毫伏级，且毛刺较多；音频处理模块输出的电压信号峰峰值分别为7.853，2.884，2.02 V。光电转换模块输出的电压信号经音频处理模块处理后，幅值可放大至伏级且毛刺较少。

人发声频率范围为0.02～3.3 kHz，选用频率分别为0.5，1～3 kHz的固定声源(100 dB·m)放置在距光纤探头1 m的位置，测试系统对拾取声音信号的还原效果，系统输出信号如图6所示。由图6可知，输出信号频率分别为0.500 5，1.000 4，1.999 7，3.000 4 kHz。由此可知，该系统还原性良好，精度达±0.5 Hz。

4 结论

提出了基于煤矿井下既有光缆的光纤传感应急通信系统设计方案，阐述了声波在Sagnac与Mach-zehnder复合光路结构中的传播原理，并搭建光纤声音传感子系统和硬件解调子系统进行实验验证。结果表明：在10 km的测试距离范围内，利用该系统可检测并提取距光纤探头0～5 m、频率为0.3～3.4 kHz的声音信号，系统还原性良好，精度达±0.5 Hz。

(2) 在实验过程中发现传感光纤的缠绕长度、ASE宽带光源提供的光功率、硬件解调子系统的增益倍数等会对测试结果产生影响，后续可从这些方面进行进一步研究。