ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Является результатом выполнения научно-исследовательской работы.

Экспериментальные исследования фотонной эмиссии горных пород в лабораторных и натурных условиях, а вместе с тем промышленные испытания датчиков для регистрации информации в оптическом диапазоне частот и измерительных приборов типа ИФЭ-1 и ИФЭ-2 позволили создать представление о величинах и закономерностях свечения пород в шахтах и разработать схему автоматического контроля опасной по динамическому проявлению краевой части массива пород в подземных выработках.

Задача по созданию «Системы контроля геомеханического состояния массива горных пород вокруг подземных выработках требует сбора и оперативной обработки информации от множества датчиков, размещенных в наиболее опасных с точки зрения динамического проявления горных массивов». В качестве центра по сбору информации может быть использована ЭВМ, находящаяся на поверхности.

Для передачи сигналов от датчиков использование традиционных (симметрических или коаксиальных) кабелей нежелательно. Это обусловлено следующими причинами: во-первых, велика агрессивность среды в местах прокладки кабелей и, во-вторых, большой уровень помех радиочастотного диапазона. Поэтому более перспективным, на наш взгляд, является применение волоконно-оптических кабелей, обладающих рядом существенных достоинств: широкополосностью, низким затуханием, малыми габаритами и массой, невосприимчивостью к электромагнитным помехам, устойчивостью к повышенной влажности и температуре. Информацию от датчиков необходимо передавать в цифровом виде . Это обусловлено использованием квантованной информации - фотонной эмиссии, применением ЭВМ, а также повышением достоверности, что, в свою очередь, позволит снизить мощность светоизлучающего диода.

Одним из важнейших узлов фотоприемника цифровой системы передачи является корректирующий усилитель. 'Оптимизация характеристик корректирующего усилителя позволяет либо уменьшить вероятность ошибки при заданной длине волоконно-оптического кабеля, либо увеличить длину кабеля при заданной вероятности ошибки.

Все известные методики оптимизации корректирующего усилителя предназначены для цифровых систем передачи, работающих по коаксиальному кабелю. Поэтому в настоящей работе рассматривается задача по разработке методики оптимизации параметров корректирующих усилителей фотоприемников для систем, работающих с использованием волоконно-оптического кабеля.

Предлагаемая методика использует модель, представляющую собой последовательное соединение передаточных функций волоконного световода, входной цепи фотоприемника, корректирующего усилителя и волоконного световода. В модели учитывается влияние шумов (дробового, теплового и усилителя). Предполагается, что импульсный отклик волокна имеет гауссову форму. Передаточная функция корректирующего усилителя представляется в виде произведения передаточных функций усилительных инерционных звеньев (предполагается, что полоса пропускания корректирующего усилителя снизу не ограничена). Это позволяет обеспечить физическую реализуемость корректирующего усилителя с рассчитанными параметрами.

В качестве критерия оптимизации выбирается отношение сигнал-шум, значение которого связано монотонной зависимостью с вероятностью ошибки. В соответствии с этим выражение для целевой функцииjпредставляет собой отношение разности между напряжением сигналаsи напряжением межсимвольных помех к среднеквадратическому значению шумаv_ш, учитывающему дробовый шум фотодетектора, тепловой шум резистивных элементов, шум усилителя:

Разработанный алгоритм оптимизации корректирующего усилителя реализует метод покоординатного спуска (рис.1). Исходными данными расчета, являются: А - коэффициент заполнения тактового интервала; В - параметр дисперсии оптического волокна; v - скорость передачи информации; С,r- параметры входной цепи фотоприемника;r₁- количество активных звеньев корректирующего усилителя;r₂- количество инерционных звеньев корректирующего усилителя; Т ₁ (i) - постоянные времени активных звеньев; Т ₂ (i) - постоянные времени инерционных звеньев;dТ - минимальный шаг изменения постоянной времени;dj- предельная точность вычисления полевой функции; М,f- параметры используемого фотодиода (для р-i-п фотодиода М =j,f= 1).

Выбор данного метода обусловлен его простотой, возможностью наблюдения в ходе оптимизации, как влияет изменение каждого оптимизируемого параметра на величину целевой функции, и высокой вероятностью достижения глобального экстремума при заданной точности оптимизируемых параметров. При оптимизации корректирующего усилителя для заданных параметров входной цепи фотодетектора и заданного количества усилительных и инерционных звеньев корректирующего усилителя максимизируется значение целевой функции путем изменения постоянных времени усилительных и инерционных звеньев.

Для проведения оптимизации составлена программа на языке БЭЙСИК. Выполненные расчеты на ЭВМ СМ 1420 показывают эффективность алгоритма. В результате оптимизации появляется возможность при той же мощности светоизлучающего диода увеличить длину оптического кабеля между датчиком и фотоприемником. А это, в свою очередь, приводит к возрастанию площади контроля напряжения в горных породах.

Обоснованием предложения служат натурные опыты.

Одновременные измерения эффективного электрического сопротивления и фотонной эмиссии горных пород вокруг горных выработок, находящихся в разных горно-геологических и горнотехнических условиях, показывают, что регистрируемые параметры зависят от изменения расстояний до очистного фронта. С уменьшением расстояний от точек регистрации информации до очистного фронта по мере проведения массовых взрывов наблюдается уменьшение эффективного сопротивления и увеличение мощности излучения и интенсивности фотонной эмиссии.

Заметное увеличение средних параметров фотонной эмиссии, характеризующее повышение концентрации геомеханических напряжений, начинается с расстояния 130-140 м. Результаты такого эксперимента приведены на рис. 2. Измерения выполнены с поверхности скважины, пробуренной по руде в забое орта.

Рис.1. Блок-схема алгоритма

Рис. 2. Зависимость интенсивности фотонной эмиссии
от величины среднего расстояния между участком регистрации информации

и приближающимся фронтом очистной зоны.

Измерения выполнены с поверхности скважины, пробуренной по руде в забое орта гор. -210: i - 2.12.87; 2 - 13.02.88; (1-ая категория); 3 - 18.03.88;
(1-ая категория).

Оптимизация характеристик корректирующего усилителя повышает рентабельность использования систем контроля с применением волоконных световодов. Система, включающая информативные оптические датчики и нечувствительные к помехам световодные линии передачи сигналов при эксплуатации в удароопасных шахтах, будет представлять наиболее экономичный вариант контроля состояния массивов по сравнению с известными системами.

Устройство позволяет увеличить длину волоконно-оптического кабеля при заданной вероятности ошибки.