[发明专利]矿井环境监测系统及其监测方法

权利要求书

1.一种矿井环境监测系统，其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；

所述矿井环境监测系统还包括第一调制波形产生器和第二调制波形产生器；

所述第一调制波形产生器和所述第二调制波形产生器分别对所述第一激光器和所述第二激光器的波形进行调制后输出时分复用的第一激光束和第二激光束；

所述第一激光器和所述第二激光器的出光口分别通过光纤与所述合束器的入光口连接，所述合束器用于将所述第一激光束和所述第二激光束耦合为测量激光束；所述光电探测器与所述处理器单元电连接，所述聚光器置于所述测量激光束的光路中，位于所述光电探测器和待测区域之间；

所述测量激光束穿过所述待测区域照射至物体表面产生漫反射，所述聚光器用于会聚漫反射光束，会聚后的光束被所述光电探测器接收；所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至所述处理器单元，所述处理器单元用于根据所述电信号解算所述待测区域的气体浓度及气体温度；

所述待测区域的气体浓度的计算过程为：

根据朗伯-比尔定律，穿过所述待测区域的光的光强如式(1)：

其中，I为穿过所述待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度，a(v)为所述待测区域的待测气体的吸收系数，v为所述测量激光束的频率，L为光程距离，P为所述待测气体的压强，ρ为所述待测气体的气体浓度，S^*(T)为所述待测气体在T温度下的谱线强度，为所述待测气体的展宽线型函数；

无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度与所述测量激光束之间的关系如式(2)：

其中，Q为所述聚光器的口径面积，I₀为所述测量激光束的出射光强；

所述测量激光束的频率随时间变化，变化函数如式(3)：

v(t)＝v_c(t)+Ksin(ωt)      (3)

其中，v_c(t)为锯齿波调制项，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；

根据式(3)，洛伦兹线型的展宽线性函数如式(4)：

其中，Δv为展宽频率；

将式(2)-(4)代入式(1)得式(5)：

对式(5)进行等价替换得式(6)：

其中，m＝K/Δv；

对式(6)进行傅里叶展开，得到二次谐波幅值的函数如式(7)：

其中，A₂为所述二次谐波幅值；

将所述二次谐波幅值和所述光程距离代入式(7)，计算得到所述气体浓度。

2.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括电信号处理模块；所述电信号处理模块分别与所述光电探测器和所述处理器单元电连接，用于对所述光电探测器输出的电信号进行放大及数模转换。

3.如权利要求2所述的矿井环境监测系统，其特征在于，所述电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器和用于进行模数转换的模数转换器；所述光电探测器、所述放大器、所述模数转换器和所述处理器单元依次顺序电连接。

4.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于调制所述第一激光器的波形的第一调制波形产生器和用于调制所述第二激光器的波形的第二调制波形产生器；所述第一调制波形产生器分别与所述第一激光器和所述处理器单元电连接，所述第二调制波形产生器分别与所述第二激光器和所述处理器单元电连接。

5.如权利要求4所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于驱动所述第一激光器的第一恒流驱动单元和用于驱动所述第二激光器的第二恒流驱动单元；所述第一恒流驱动单元分别与所述第一激光器和所述第一调制波形产生器电连接，所述第二恒流驱动单元分别与所述第二激光器和所述第二调制波形产生器电连接。