一种分布式光纤煤矿救援定位系统技术领域
本发明涉及一种分布式光纤煤矿救援定位系统，属于安全生产及事故抢救技术领域。
背景技术
我国煤炭资源主要来自于地下开采，地下矿井的地质条件复杂多变，经常受到瓦斯、透
水、粉尘爆炸、塌方等灾害造成人员被困，并且救援装备水平相对落后，导致井下被困人员
因救援不及时而造成人员伤亡。如何在事故发生时确定被困人员的位置是已成为故救援最重
要的任务。应于救援需求以及科学技术的不断发展，煤矿救援仪器和设备的研制及应用取得
了显著的成果，但是选阶段的煤矿救援仪器存在抗电磁干扰能力不足，设备易腐蚀，以及设
备本身对外有电磁干扰产生安全隐患，本质安全性低等问题。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提出了一种分布式光纤煤矿救援定位系统，
所采取的技术方案如下：
所述救援定位系统包括远程监控主机1、现场工控机2、光源模块3、白光干涉模块4、光
路尾端5和光电转换模块6；所述远程监控主机1与现场工控机2相连；所述现场工控机2的光源
控制电路输出端与光源模块3的控制输入端相连；所述光源模块3的输出端与白光干涉模块4
的光路输入端相连；所述白光干涉模块4的光路输出端与光路尾端5固定在一起；所述白光干
涉模块4的干涉光强信号输出端与光电转换模块6的输入端相连；所述光电转换模块6的信号输
出端与现场工控机2的数据输入端相连。
优选地，所述现场工控机2包括光源控制模块21、数据采集卡22、定位模块23、数据处理
模块24和数据库25；所述光源控制模块21的控制输出端即为现场工控机2的光源控制电路输出
端；所述数据采集卡22的信号输入端即为现场工控机2的数据输入端；所述数据采集卡22的信
号输出端与定位模块23的信号输入端相连；所述定位模块23的信号输出端与数据处理模块24
的信号输入端相连；所述数据处理模块24的信号输出端与数据库25的信号输入端相连。
优选地，所述光源控制模块21包括光源恒电流驱动电路和恒温控制电路，用于控制光源
模块3工作；所述数据采集卡22用于实现干涉光强信息的模拟/数字转换；所述定位模块23利
用干涉算法进行振动信号定位；所述数据处理模块24对采集数据、振动信号定位数据进行分
析、存储，并实时显示。
优选地，所述数据库25为MySQL数据库。
优选地，所述远程监控主机1以Internet方式访问所述现场工控机2。
优选地，所述现场工控机2采用LabVIEW与Web技术编制实时监测虚拟系统；所述实时监
测虚拟系统以LabSQL方式访问数据库25，并将监测数据存储于数据库25中。
优选地，所述白光干涉模块4采用Sagnac白光干涉光路，包括光环行器41、3×3耦合器42、
延时光纤43、传感光纤44和白光干涉组件45；所述光环行器41的一端接收光源模块3发出的入
射光，另一端与3×3耦合器42相连；所述光环行器41的第三端与白光干涉组件45相连；所述3
×3耦合器42分别与延时光纤43、传感光纤44和白光干涉组件45相连；所述白光干涉组件45
的信号输出端即为白光干涉模块4的干涉光强信号输出端。
优选地，所述传感光纤44采用单根光纤定位技术，并设有光缆保护套；所述传感光纤44
铺设于矿井巷道排水沟内，并固定排水沟壁上。
优选地，所述光缆保护套包括钢性金属外壳、内衬耐火、尼龙加强层和蛇形软管外壳、
内衬耐火、尼龙加强层两种套管；所述两种套管均与其内部的传感光纤44保持硬性接触。
优选地，所述光电转换模块6包括电荷耦合元件CCD和电信号调理电路；所述电荷耦合元
件CCD的电信号输出端与电信号调理电路的电信号输入端相连；所述电信号调理电路的信号
输出端即为光电转换模块6的信号输出端。
优选地，所述光路尾端5内部包括长度为10-15km的调整光纤51和法拉第旋转镜52；所述
调整光纤51的一端与法拉第旋转镜52相连，另一端与传感光纤44的一端相连；所述调整光纤
51和法拉第旋转镜52一同封装于光路尾端5内部，同时预留光纤接口。
本发明有益效果：
本发明提出的一种分布式光纤煤矿救援定位系统能对井下的各种异常振动信号进行实时
监测，并对振动信号进行智能判别和准确定位；光纤是一种无源器件，在工作现场无需额外
的供电设备，材料本身耐腐烛、耐酸碱，由于传输的是光信号，对外无电磁辖射，因而防静
电、防电磁干扰，适合于各种隧道的恶劣应用环境，且不会产生额外的安全隐患，具有本质
安全性。同时，该救援定位系统便于维护，具有较高的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述救援定位系统的结构组成图；
(1，远程监控主机；2，现场工控机；3，光源模块；4，白光干涉模块；5，光路尾端；6，
光电转换模块)。
图2为本发明所述救援定位系统的系统结构示意图；
(1，远程监控主机；2，现场工控机；3，光源模块；4，白光干涉模块；5，光路尾端；6，
光电转换模块；21，光源控制模块；22，数据采集卡；23，定位模块；24，数据处理模块；
25，数据库)。
图3为本发明所述白光干涉模块的结构示意图；
(41，光环行器；42，3×3耦合器；43，延时光纤；44，传感光纤；45，白光干涉组件)。
图4为本发明所述光路尾端的结构示意图；
(51，调整光纤；52，法拉第旋转镜)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
本发明所述的井下环境中产生的振动信息，是指能够使传感光纤产生随时间变化的微小
几何形变的信息，包括敲击、地震、井下人员说话、走路等产生的振动。该救援定位系统既
具有煤矿救援定位功能，同时又可用于安全生产监测。当矿井发生事故时，只要预先铺设在
井内的光缆未受到物理性破坏，被困人员即可通过不断敲击来向地面基站发出求救信号；在
平时生产过程中，可用于对井下人员的工作状况及矿井安全隐患进行监测。同时，该系统使
用Sagnac干涉技术，同一振动信号使两束相干光产生相位差，在两处不同位置的获取两路干
涉光强，根据两路干涉光强还原两束相干光之间的相位差，振动发生的位置由相位差信号频
谱中的陷波频率计算确定。
图1为本发明所述救援定位系统的组成图，图2为本发明所述救援定位系统的系统结构示
意图。结合图1和图2，本发明提出的救援定位系统包括远程监控主机1、现场工控机2、光源
模块3、白光干涉模块4、光路尾端5和光电转换模块6，其中，远监控主机1、现场工控机2、
光源模块3和光电转换模块6位于井上；白光干涉模块4和光路尾端5位于井下。远程监控主机1
与现场工控机2相连；现场工控机2的光源控制电路输出端与光源模块3的控制输入端相连；光
源模块3的输出端与白光干涉模块4的光路输入端相连；白光干涉模块4的光路输出端与光路尾
端5固定在一起；所述白光干涉模块4的干涉光强信号输出端与光电转换模块6的输入端相连；
光电转换模块6的信号输出端与现场工控机2的数据输入端相连。
现场工控机2包括光源控制模块21、数据采集卡22、定位模块23、数据处理模块24和数据
库25；所述光源控制模块21的控制输出端即为现场工控机2的光源控制电路输出端；数据采集
卡22的信号输入端即为现场工控机2的数据输入端；数据采集卡22的信号输出端与定位模块23
的信号输入端相连；定位模块23的信号输出端与数据处理模块24的信号输入端相连；数据处
理模块24的信号输出端与数据库25的信号输入端相连。光源控制模块21包括光源恒电流驱动
电路和恒温控制电路，用于控制光源模块3工作；数据采集卡22安装在现场工控机2内，接收
来自光电转换模块传输的信号，用于实现干涉光强信息的模拟/数字转换；所述定位模块23利
用干涉算法进行振动信号定位，数据处理模块24将采集数据、振动信号定位数据进行分析、
存储，并实时显示；同时，数据库25采用MySQL数据库。
在该系统设计过程中，远程监控主机1以Internet方式访问所述现场工控机2。现场工控机2
采用LabVIEW与Web技术编制实时监测虚拟系统；实时监测虚拟系统以LabSQL方式访问数据
库25，并将监测数据存储于数据库25中。
光电转换模块6包括电荷耦合元件CCD和电信号调理电路；所述电荷耦合元件CCD的电信
号输出端与电信号调理电路的电信号输入端相连；电信号调理电路用于实现电信号的放大、
滤波处理，并将处理后的信号输入到数据采集卡22中。同时，电信号调理电路的信号输出端
即为光电转换模块6的信号输出端，
图3为白光干涉模块4的结构示意图，其中，白光干涉模块4采用Sagnac白光干涉光路，其
内部结构包括光环行器41、3×3耦合器42、延时光纤43、传感光纤44和白光干涉组件45；光
环行器41的一端接收光源模块3发出的入射光，另一端与3×3耦合器42相连；而光环行器41
的第三端与白光干涉组件45相连，同时，3×3耦合器42分别与延时光纤43、传感光纤44和白
光干涉组件45相连。白光干涉模块4工作过程中，入射光经过光环行器41进入3×3耦合器42
分成两束相干光，第一束光进入传感光纤44、第二束光进入延时光纤43后再进入传感光纤44，
返回时第一束光经过3×3耦合器42后进入延时光纤43再进入3×3耦合器42、第二束光直接进
入3×3耦合器42，返回的两束相干光一部分经过3×3耦合器42在白光干涉组件45处产生干涉，
另一部分相干光经过光环行器41后在白光干涉组件45处产生干涉，得到两幅干涉光强信息。
传感光纤44采用单根光纤传感和定位，无需构成环路，便于沿矿井长距离铺设，现场适
应性强。光纤外设有光缆保护套。其中，光缆保护套包括两种套管，第一种采用钢性金属外
壳、内衬耐火和尼龙加强层，第二种采用蛇形软管外壳、内衬耐火和尼龙加强层；这两种光
缆保护套均需保证保护套管和内部的光纤为硬性接触，保证外部振动对光纤的局部形变影响
足够小，确保振动波的衰减不至于影响外部设备对振动信号的分辨。传感光纤44铺设在矿井
巷道排水沟内，每隔20米以固定件将传感光纤紧扣于排水沟壁上，降低事故对光缆的破坏作
用。
图4为光路尾端5的结构示意图，光路尾端5内部包括长度为10-15km的调整光纤51和法拉
第旋转镜52；所述调整光纤51的一端与法拉第旋转镜52相连，并一同封装于光路尾端5内部，
并预留光纤接口；其中，所述调整光纤51的另一端与传感光纤44相连，调整光纤51用于降低
一阶陷波频率，而法拉第旋转镜52既能起到对光的反射作用，又可以抑制双折射效应导致的
偏振诱导信号衰弱。光纤接口方便施工过程中安装光纤。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的
人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应
该以权利要求书所界定的为准。