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矿用分布式声传感系统设计

矿用分布式声传感系统设计

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作者：宋晓达太原理工大学

学位级别：硕士

煤矿井下空间狭窄、环境复杂、设备众多,导致各类突发的煤矿事故具有极大的破坏性,会造成井下供电系统的完全瘫痪,而由于备用电源难以支撑长时间的救援过程,最终造成传统的人员定位系统与通信联络系统无法正常工作,致使救援队伍难以及... 详细信息

煤矿井下空间狭窄、环境复杂、设备众多,导致各类突发的煤矿事故具有极大的破坏性,会造成井下供电系统的完全瘫痪,而由于备用电源难以支撑长时间的救援过程,最终造成传统的人员定位系统与通信联络系统无法正常工作,致使救援队伍难以及时准确定位被困人员。因此,为了提高煤矿安全生产水平,降低矿难人员死亡率,本文针对煤矿井下重大事故发生后的无电环境,开展了可对井下被困人员进行无源应急救援定位的矿用分布式声传感系统研究,从而为煤矿应急救援技术的发展提供一种新的解决思路与方案。本论文完成的主要工作如下:(1)研究了光纤声音传感机理,设计了萨格奈克(Sagnac)与马赫-泽德尔(Mach-Zehnder)复合结构的声检测系统方案,利用Lab VIEW图形化编程软件实现了矿用分布式光纤声传感系统中声音信号采集、时频域信号显示、频域信号函数拟合、宽频冲击信号零频点定位等功能。(2)为了满足井下集成化多通道信号采集的需求,设计了双通道矿用麦克风嵌入式组合方案,利用STM32微控制器实现了双路机械式光开关的切换控制、信号采集与显示,使用FreeRTOS系统和STemWin用户图像界面库开发了嵌入式声传感系统人机交互界面,用于实现通道切换与波形调节。(3)针对传统零频点定位算法仅适用于宽频信号的问题,提出了基于可调节光纤延迟线技术的声音定位算法,通过对比增量式与高精度连续可调光纤延迟线的差异进行了方案选择,借助Matlab软件对不同特征频率的频率分量开展了模拟定位与实验验证。(4)搭建了萨格奈克与马赫-泽德尔复合结构声检测系统,对200Hz-2k Hz单音信号进行了时域采集与频谱分析,验证了检测系统在水平平面具有均匀的空间指向性,随后对声音信号的频率检测精度进行了测试。同时,在双通道嵌入式麦克风系统上开展了人机界面显示控制调试,实现了呼叫语音与摩斯电码敲击声音双通道切换采集等实验,并在矿用刮板机噪声影响下进行了系统抗噪性能分析。所提出的光纤延迟线定位算法经实验验证,可对宽频信号及单音信号均能进行定位,且定位误差在±70m以内。本文提出的矿用分布式声传感系统可在灾后无电环境下使用,实现了对现有煤矿井下应急救援系统的功能补充与完善,从而可在各类矿山灾后应急救援领域进行推广。

关键词：光纤传感声音传感萨格奈克马赫-泽德尔延迟线定位

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