[发明专利]一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置及其工作方法

权利要求书

1.一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，其包括DFB激光器（101）、信号发生电路（102）、激光器驱动与温控电路（103）、倍频电路（104）、光机收发单元（105）、低噪声前置放大及滤波电路（106）、正交锁相解调电路（107）、微控制器（108）、按键模块（109）、液晶显示模块（110）、声光报警模块（111）、数据存储模块（112）、数据通信模块（113）和低功耗电源管理模块（114）；

所述的DFB激光器（101）的中心波长为1653.7nm；所述DFB激光器（101）发出波长为1653.7nm的测量用窄线宽红外激光，所述DFB激光器（101）还能发出波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm；

所述的信号发生电路（102）产生频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号，所述的信号发生电路（102）的一个信号输出端通过所述激光器驱动与温控电路（103）与所述DFB激光器（101）电连接，用于对DFB激光器的电流进行调制，使得所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的测量距离达14m；所述信号发生电路（102）的另一个信号输出端分为两路，一路直接与所述正交锁相解调电路（107）相连，另一路通过倍频电路（104）与所述正交锁相解调电路（107）相连，所述的倍频电路（104）对所述信号发生电路（102）所发出的频率为f_m＝5.35MHz的正弦信号进行2倍频，产生2f_m＝10.7MHz的正弦信号；

所述的激光器驱动与温控电路（103）的控制端与所述微控制器（108）相连；

所述的光机收发单元（105），包括光纤准直器、菲涅耳透镜、光电探测器和三维机械调节装置，所述DFB激光器（101）发出的激光经所述的光纤准直器进行准直，使激光的发散角满足探测距离；所述激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述菲涅耳透镜将所述激光雷达装置接收到的散射光聚焦成探测光信号，到所述的光电探测器上，所述的光电探测器将接收的探测光信号转换为电流信号；所述的三维机械调节装置用于将光电探测器调节到菲涅耳透镜的焦点上，从而将探测光信号聚焦到光电探测器上；

所述的低噪声前置放大及滤波电路（106）将光电探测器输出的电流信号转换为低噪声的电压信号传递给所述的正交锁相解调电路（107），做为正交锁相解调电路（107）的待解调输入信号x(t)，所述的信号发生电路（102）所输出的f_m＝5.35MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路（107）的参考信号r(t)1，所述的倍频电路（104）所输出的2f_m＝10.7MHz的正弦信号做为正交锁相解调电路（107）的参考信号r(t)2；所述正交锁相解调电路（107）的输出端与所述的微控制器（108）相连；所述的低噪声前置放大及滤波电路（106）与所述的微控制器（108）相连；

所述的正交锁相解调电路（107），包括解调电路（D1）和解调电路（D2）：所述解调电路（D1），包括串联连接的混频器（201）、低通滤波电路（202）和放大电路（203）；所述解调电路（D2），包括串联连接的混频器（205）、低通滤波电路（206）和放大电路（207）；所述低噪声前置放大及滤波电路（106）输出的低噪声的电压信号分别与解调电路（D1）和解调电路（D2）中的混频器输入端电连接，所述信号发生电路（102）和倍频电路（104）的信号输出端与解调电路（D1）的混频器输入端电连接，所述信号发生电路（102）和倍频电路（104）的信号输出端通过可调相位延迟器与解调电路（D2）中的混频器输入端电连接；

所述按键模块（109）、液晶显示模块（110）、声光报警模块（111）、数据存储模块（112）、数据通信模块（113）分别与所述微控制器（108）相连。

2.根据权利要求1所述的一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，所述的微控制器（108）为TI公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812。

3.根据权利要求1所述的一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，其特征在于，所述的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置安装在电动云台上。

4.一种如权利要求1所述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法，其特征在于，其包括步骤如下：

（1）微控制器（108）控制激光器驱动与温控电路（103）使DFB激光器（101）发出波长偏离1653.7nm的激光，所述波长偏离1653.7nm的激光为波长1653.6nm激光，所述1653.6nm激光进入光机收发单元（105），经光纤准直器发射；

（2）步骤（1）所述经光纤准直器发射的1653.6nm激光不会被瓦斯气体吸收，最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路（106）处理后，送入正交锁相解调电路（107）进行解调：所述正交锁相解调电路（107）有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器（102）提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路（104）提供；由于所述1653.6nm激光没有被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路（107）只需要解调出一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L；

（3）微控制器（108）利用一次谐波的同相分量I_1L和正交分量Q_1L计算出瓦斯泄漏源处的背景地形散射体与本激光雷达装置的距离；

（4）然后微控制器（108）控制激光器驱动和温控电路（103）使DFB激光器（101）发射波长扫描的激光，所述激光的波长范围1653.5~1653.9nm，扫描的激光进入光机收发单元（105），经准直器发射；

（5）步骤（4）所述经光纤准直器发射的1653.7nm激光会被瓦斯气体吸收，其它波长的激光最终被背景地形散射体反射，形成散射光，所述的散射光被聚焦到光电探测器上，转换为电流信号；所述电流信号经低噪声前置放大及滤波电路（106）处理后，送入正交锁相解调电路（107）进行解调：所述正交锁相解调电路（107）有两路参考输入信号，其信号的频率分别为f_m=5.35MHz和2f_m=10.7MHz，频率为f_m=5.35MHz的信号由信号发生器（102）提供，频率为2f_m=10.7MHz的信号由倍频电路（104）提供；由于1653.7nm激光被瓦斯气体吸收，因此正交锁相解调电路（107）解调出一次谐波的同相分量I₁、正交分量Q₁和二次谐波的同相分量I₂、正交分量Q₂；

（6）微控制器（108）利用步骤（5）中所述的I₁，Q₁，I₂，Q₂，计算出待测瓦斯气体 的浓度。