[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

说明书

技术领域

本发明涉及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，属于井下瓦斯浓度的检测技术领域。

背景技术

瓦斯爆炸事故每年都会给人民的生命造成重大的伤亡，当煤矿中瓦斯气体的浓度处于5%-15%的爆炸极限以内而不加以处理时，就会给煤矿工人们的安全带来严重的威胁，因此研制一种用于矿井瓦斯气体浓度的测量装置具有非常重要的意义。同时，如果在测量出瓦斯气体浓度的同时，也能测量出瓦斯气体浓度的分布，就可以更清楚的知道一定区域内瓦斯气体浓度的高低分布，对于危险的排查更有意义。

激光器调谐吸收光谱法（TDLAS）用于瓦斯气体浓度探测，具有灵敏度高，抗干扰能力强，快速准确高效等优点，因此在气体探测领域得到广泛的应用。而煤矿中瓦斯浓度分布并不均匀，有的死角浓度很高，有的地方可能很低，因此即便通过气体探测仪器检测到单点的瓦斯浓度，也并不能准确的反应出矿井内各个区域的瓦斯浓度。

在已有的瓦斯气体浓度传感器中，采用TDLAS原理的有很多，如日本Tokyo Gas Co.，Ltd公司的便携式瓦斯遥测仪（参见在先技术[1]：“A portable remote methane sensor using a tunable diode laser”，Meas.Sci.Technol.11，594~602，2000）以及美国Physical Sciences Inc（PSI）公司开发的RMLD产品（参见在先技术[2]：“Handheld,battery-powered near-IR TDL sensor for stand-off detection of gas and vapor plumes”，Appl.Phys.B75，249~254,2002）。但上述传感器并不具备测距的功能，也就不能准确的反应出矿井内各个区域中瓦斯的浓度，对判断井下瓦斯浓度是否安全带来诸多不便。

发明内容

针对以上的技术不足，本发明提供一种能同时测量瓦斯浓度和瓦斯泄露点距离的测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置。

本发明还提供一种上述测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种测量矿井瓦斯浓度分布的激光雷达装置，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，该中心波长对应甲烷气体有个较强的红外吸收峰，可对甲烷气体进行准确的探测；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，对DFB激光器101提供稳定电流驱动和温度控制；

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；