一种分布式甲烷检测方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本发明涉及光纤传感及传感网络，更具体地，涉及一种分布式甲烷检测方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、瓦斯泄漏是煤矿和隧道施工的最大安全隐患。气态甲烷是矿道中瓦斯的主要成分，占比约83％-89％。因此，甲烷检测一直是矿道施工中最重要的安检措施。甲烷检测技术主要包括半导体电阻式检测、接触燃烧式检测和光学检测等。半导体电阻式检测和接触燃烧式检测都需要工作于几百度的高温，且测量线性范围小、精度低，不适合矿道环境中的甲烷检测。常用的光学检测又分为吸收光谱检测法和谐振光纤折射率传感法。前者通过测量气体在甲烷指纹吸收波长处的吸收率确定甲烷的浓度；后者通过谐振光纤的折射率传感确定甲烷的浓度。虽然光学测量具有检测灵敏度高、安全性好、响应速度快等优点，但是上述两种光学检测方法都难以对矿道做长距离的甲烷检测。吸收光谱法只能对实验装置的气室处做单位点检测；谐振光纤的折射率法只能对光纤中设置谐振结构(如光栅)处进行局部检测。因此如何实现矿道全范围内甲烷气体的高灵敏度、高空间分辨率的实时检测，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种分布式甲烷检测方法、装置、电子设备及存储介质，用于解决目前甲烷检测存在的检测区域小、空间分辨率低的问题。

2、根据本技术的第一方面，提供了一种分布式甲烷检测方法，所述方法包括：

3、获取高阶模式探测光和对应的参考光；

4、将所述高阶模式探测光射入分布式微芯光纤中，并接收所述分布式微芯光纤中产生的布里渊散射光；所述分布式微芯光纤表面涂敷一层折射率受甲烷浓度影响的甲烷吸收膜；

5、将所述布里渊散射光进行信号处理，将信号处理后的所述布里渊散射光与所述参考光进行能量分配，得到布里渊散射信号；

6、将所述布里渊散射信号进行幅值放大后通过外差检测得到低频布里渊散射信号；

7、将所述低频布里渊散射信号进行幅值放大得到布里渊增益谱；

8、根据所述布里渊增益谱判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化并获取变化的甲烷浓度；

9、如出现甲烷浓度变化，根据所述布里渊增益谱获取所述分布式微芯光纤附近甲烷浓度变化的位置。

10、通过向表面涂敷一层折射率受甲烷浓度影响的甲烷吸收膜的所述分布式微芯光纤发射所述高阶模式探测光，并接收所述分布式微芯光纤反射回来的布里渊散射光，对所述布里渊散射光进行处理后得到能够有效反映甲烷浓度变化的布里渊增益谱，则能够根据所述布里渊增益谱判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化并获取变化的甲烷浓度，并利用分布式微芯光纤的特点，根据光纤数据获取所述分布式微芯光纤附近甲烷浓度变化的位置，实现了大范围区域内甲烷的高空间分辨率检测。

11、进一步的，所述获取高阶模式探测光和对应的参考光，具体包括：

12、通过激光发生装置产生窄线宽激光，将产生的所述窄线宽激光分为两路；

13、其中一路调制为激光脉冲序列，并将调制后的所述激光脉冲序列转变为高阶模式，得到所述高阶模式探测光；

14、另一路作为所述参考光。

15、通过将所述其中一路激光转变为高阶模式，所述高阶模式光场更多地分布在光纤以外的临近区域内，高阶模场与甲烷分子有更强的相互作用，能够获得更高的传感灵敏度。

16、进一步的，所述将所述布里渊散射光进行信号处理，具体包括：

17、对所述布里渊散射光进行光信号放大；

18、对光信号放大后的所述布里渊散射光进行滤除。

19、通过对光信号放大，能够获得具有更高信号强度的光信号，通过滤除所述布里渊散射光以外的光，能够减少干扰，获得更高信噪比的信号；

20、进一步的，所述高阶模式为所述线性偏振模式(lp，linear polarization)11。

21、相比线性偏振模式(lp，linear polarization)01，所述线性偏振模式11模的光场更多地分布在光纤以外的临近区域内，所述线性偏振模式11与甲烷分子有更强的相互作用，获得更高的传感灵敏度；

22、进一步的，所述甲烷吸收膜为笼形分子材料制成的薄膜。

23、所述笼形分子材料对甲烷分子具有特异吸附性，对甲烷以外的其他气体几乎无吸收，且所述笼形分子材料的折射率随吸收的甲烷浓度线性变化，在提高所述分布式微芯光纤对甲烷分子的传感灵敏度的同时，降低了传感过程中的交叉敏感性引起的测量误差。

24、进一步的，所述分布式微芯光纤芯层半径为5nm-50nm，包层厚度为1μm-2μm，笼形分子材料厚度为50nm-250nm。

25、相较于传统单模光纤，所述分布式微芯光纤具有较小芯层半径和包层半径，能让光纤模场更容易泄漏到光纤周围并感知环境化学成分的变化，提高传感灵敏度。

26、进一步的，所述根据所述布里渊增益谱判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化并获取变化的甲烷浓度，具体包括：

27、根据所述布里渊增益谱是否发生频移判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化；根据所述布里渊增益谱的频移量计算变化的甲烷浓度。

28、所述布里渊增益谱的峰值频率与所述甲烷浓度呈现较强的线性关系，通过测量布里渊频移即可准确、快速地获知矿道内甲烷气体的浓度。

29、根据本技术的第二方面，提供了一种分布式甲烷检测装置，所述装置包括：

30、光生成模块，用于获取高阶模式探测光和对应的参考光；

31、光发射模块，用于将所述高阶模式探测光射入分布式微芯光纤，并接收所述分布式微芯光纤中产生的布里渊散射光；

32、所述分布式微芯光纤表面涂敷一层折射率受甲烷浓度影响的甲烷吸收膜；

33、光电处理模块，用于将所述布里渊散射光进行信号处理，将信号处理后的所述布里渊散射光与所述参考光进行能量分配，得到布里渊散射信号；

34、信号检测模块，用于将所述布里渊散射信号进行幅值放大后通过外差检测得到低频布里渊散射信号；

35、信号处理模块，用于将所述低频布里渊散射信号进行幅值放大得到布里渊增益谱；

36、浓度判断模块，用于根据所述布里渊增益谱判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化并获取变化的甲烷浓度；

37、位置判断模块，用于根据所述浓度判断模块161的判断结果和所述布里渊增益谱获取所述分布式微芯光纤附近甲烷浓度变化的位置。

38、根据本技术的第三方面，提供了一种电子设备，包括：

39、存储器，用于存储一个或多个计算机程序；

40、处理器，当所述一个或多个计算机程序被所述处理器执行时，实现上述第一方面所述的一种分布式甲烷检测方法。

41、根据本技术的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现上述第一方面所述的一种分布式甲烷检测方法。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

43、1.本发明通过向表面涂敷一层折射率受甲烷浓度影响的甲烷吸收膜的所述分布式微芯光纤发射所述高阶模式探测光，并接收所述分布式微芯光纤反射回来的布里渊散射光，对所述布里渊散射光进行处理后得到能够有效反映甲烷浓度变化的布里渊增益谱，则能够根据所述布里渊增益谱判断所述分布式微芯光纤附近是否出现甲烷浓度变化并获取变化的甲烷浓度，并利用分布式微芯光纤的特点，根据光纤数据获取所述分布式微芯光纤附近甲烷浓度变化的位置，实现了大范围区域内甲烷的高空间分辨率检测；

44、2.本发明将所述其中一路激光转变为高阶模式，所述高阶模式光场更多地分布在光纤以外的临近区域内，高阶模场与甲烷分子有更强的相互作用，能够获得更高的传感灵敏度。

45、3.本发明对光信号放大，获得具有更高信号强度的光信号，通过滤除所述布里渊散射光以外的光，能够减少干扰，获得更高信噪比的信号；

46、4.本发明采用的笼形分子材料对甲烷分子具有特异吸附性，对甲烷以外的其他气体几乎无吸收，且所述笼形分子材料的折射率随吸收的甲烷浓度线性变化，在提高所述分布式微芯光纤对甲烷分子的传感灵敏度的同时，降低了传感过程中的交叉敏感性引起的测量误差。

47、5.本发明所述分布式微芯光纤，相较于传统单模光纤，具有较小芯层半径和包层半径，能让光纤模场更容易泄漏到光纤周围并感知环境化学成分的变化，提高传感灵敏度。

48、6.本发明所述布里渊增益谱的峰值频率与所述甲烷浓度呈现较强的线性关系，通过测量布里渊频移即可准确、快速地获知矿道内甲烷气体的浓度。