专利名称：防爆地质雷达采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种防爆地质雷达采集系统，尤其设计一种用于煤矿开采中，工作面前方地质预报和残余煤厚探测，为煤矿高产、高效的安全生产服务的雷达采集系统。
地质雷达探测是近些年发展起来的一项高新技术，由于具有快速、精度高、无损探测等优点，这种方法在工程水文地质、工程无损检测、环境和地下水调查等诸多领域得到广泛的应用。
在我国，煤炭是主要的能源，煤矿能否安全生产直接影响到国民经济的发展。由于井中地质构造不明，造成的煤矿事故年年都有发生。具统计，2000年事故中的人员死亡就达5798人，造成的直接和间接损失不可估量。尤其近年发展起来的放顶煤技术，其设计、施工和煤层及围岩的地质构造、残余煤厚度、底层煤厚度等有着密切的关系。煤矿井中物探经历了几十年的发展和探索，先后出现了直流电法、电磁波透射、槽波地震等方法，这些方法在实践应用中都取得了一定的成果。井中探测是一种特殊的勘探领域，首先井下环境恶劣，除受巷道的空间条件限制外，还要受潮气、粉尘和瓦斯气的侵害；其次井中物探是一种近距离、小构造探测，因此井中物探的设备和方法必需具有使用方便、高精度等特点。以往井中探测技术正是由于探测设备应用上的不方便和精度低等因素，制约着它们在矿井下的应用；同时，这些方法也不能对放顶开采过程中残余煤的厚度进行有效探测。目前，在煤矿开采领域里，迫切需要轻便、高精度的探测设备及方法与之配合。
地质雷达是集地质、高频电子、计算机、电磁场理论、信息处理等学科为一体的高新技术。早在1970年，美国地球物理仪器公司生产出了第一台商用地质雷达，随电子技术的发展，先后开发了SIR-8、SIR-3、SIR-10、SIR-10A、SIR-2、SIR-10H等不同时期不同型号的产品。正是由于它的快速、无损、高精度等特点，世界上其他国家也加入研制地质雷达的行列，如德国、英国、瑞士、挪威和加拿大等。其中1989年加拿大Sensors&Software公司成功生产出Pulse EKKO-IV型商用雷达，近些年又开发出频率较高的EKKO-1000连续探测雷达。瑞士RAMAC公司在90年代初也开发研制成RAMAC地质雷达，1997年又开发出第二代产品。近5年来，地质雷达的应用在我国也得到了迅速的发展，具统计，目前国内进口的地质雷达设备总数不少于100台，这些设备几乎涵盖了全国各类建、工、矿、企事业。国内公路研究院、电子所、一些大学等单位也开始从事公路地质雷达研究工作。
进口设备从勘探的精度和深度来看，仍然存在以下主要缺点(1)硬件上天线内部的信号振动干扰较大。尤其对于深部反射弱信号而言，由于其信噪较低，使用者易于产生错误的解释。(2)软件上仍然采用地震信号处理的模式，没有考虑电磁波本身的具体特性。总体来看，国外设备的未防爆和国内设备功能的单一、不防爆等特点，均不能满足在煤矿井中的使用。目前来看，地质雷达在煤矿开采中的应用仍是个“盲点”。
本发明的目的在于利用地质雷达高分辨率等特点，把地质雷达这一先进的技术用于煤矿开采中，通过及时、快速地探测煤矿工作面前方小断层、陷落柱、火成岩入侵带以及煤层顶底板厚度、隔层煤厚度、煤层夹矸厚度及分布、围岩中的岩溶分布等地质构造，指导煤矿的开采和设计。为煤矿的高产、高效、高安全生产服务。
本发明是这样实现的它包括工控机、数据采集器、信号控制器、发射控制器、接收控制器、发射及接收天线。其中数据采集器分别连工控机、信号控制器、接收控制器；信号控制器分别连发射、接收控制器；发射控制器连发射天线；接收控制器连接收天线；数据采集器由接口及地址译码电路连接前置放大及A/D转换电路组成；信号控制器又称叫时基电路，它包括译码锁存、A/D数模转换、恒流源及快斜波产生器、比较器、高速开关、触发脉冲延时器、电源变换器组成。其中电源变换器分别与A/D数模转换、高速开关、恒流源及快斜波产生器和触发脉冲器连接后再相连，比较器和译码锁存器相连后分别连A/D数模转换器、电源变换器；接收控制器包括高压电源、反馈电路、积分器、触发器、电源变换器、延长门、采样双脉冲产生器、采样头及高放组成，其中电源变换器分别连触发电路、延长门、反馈电路、高压电源、积分器、采样头、采样双脉冲产生器、高放，高压电源分别连采样双脉冲产生器、积分器，反馈电路分别连采样头、积分器，延长门分别连积分器、触发电路、高放，采样双脉冲产生器分别连触发电路、高放、采样头，高放连采样头组成。
本发明与现有技术相比，具有的优点在于本发明研制具有时实剖面监测、连续探测的防爆地质雷达，即可进行连续扫描探测，也可进行单点探测，叠加次数最高可达到32767次；本发明采用天线全兼容的主控单元；采用低功耗、宽动态范围设计，在保证高分辨率的前提下，延迟内部电源的使用时间；本发明采用控制电路和主机的一体化设计，缩小了体积，为矿井下的使用提供了方便；本发明把触摸屏技术应用在雷达设备上，在操作上提高了使用者的灵活性和安全可靠性；本发明配备了厚度的现场人机交互提取技术，为现场的时实处理和解释提供了方便。
以下结合附图对本发明的实施例加以详述
图1为本发明技术方案的方框图。
图2为本发明数据采集器电路结构图。
图3为本发明数据采集器线路图。
图4为本发明信号控制电路结构方框图。
图5为本发明信号控制电路电路图。
图6为本发明接收控制电路结构方框图。
图7为本发明接收控制电路电路图。
图8为本发明处理、采集软件流程图。
如图1所示第一步由工控机给数据采集器传送数据采集信号和采集参数。
第二步由数据采集器给控制信号单元传送数据采集的启动脉冲和采集参数，同时，控制信号单元给数据采集器传送A/D启动脉冲。
第三步由信号控制单元根据采集参数生成发射脉冲和接收脉冲，分别将它们传送给发射控制器和接收控制器。
第四步发射控制器生成窄脉冲信号，并将其传送给发射天线；与此同时，接收控制器生成延迟信号，使发射信号和接收信号同步，并将从天线收到的信号传送给数据采集器，由数据采集器对模拟信号进行数字化。
第五步由数据采集器将生成的模拟信号传送给工控机。
第六步由工控机对采集的数据进行处理、显示和存储。
如图2和图3所示数据采集器是由接口及地址译码电路和前置放大及A/D转换电路组成。
(1)接口及地址译码电路目的与其它控制部件进行通讯；实施74HC574集成片通过26针扁平电缆与图4控制信号单元相连；74HC688集成片通过ISA总线与工控机相连。
(2)前置放大及A/D转换电路目的将模拟信号进行放大及模数转换。
实施通过A/D620集成片、7722集成片与外部电路相连。
如图4和图5所示控制信号单元又称时基电路，由以下七部分组成译码锁存、A/D数模转换、恒流源与快斜波产生器、比较器、高速开关、触发脉冲延时器、电源变换。
(1)译码锁存目的将从主机来的数据进行译码锁存，送到A/D变换器进行延时控制，或送到A/D变换器进行步进控制，或送到恒流源进行换档控制。
实施由74LS138集成片、74LS373集成片、74LS04集成片等连接而成。
(2)A/D数模转换目的将译码锁存的数据进行A/D变换，两路A/D数模转的输出与快速斜波在比较器中比较，输出的两路脉冲触发信号。因而这两路脉冲信号的延时或步进得到十分精确的控制。
实施由AD-DAC85-V集成片连接而成。
(3)恒流源与快斜波产生器目的用恒流源对电容充电，从而产生线性度非常好的快速斜波，这对精确控制延时或步进是十分必要的。换档就是对不同斜率的快速斜波进行切换。
实施由多个2N5401器件连接而成。
(4)比较器目的将两路A/D数模转的输出与快速斜波在进行比较，输出的两路脉冲触发信号。这两路脉冲触发信号有十分严格的时间关系。
实施由AD790AQ集成片连接而成。
(5)高速开关目的从主机送来的一个触发信号TRIG，在触发信号TRIG的同步下，产生一个5微妙的开关信号，其脉冲前沿小于20纳秒。
实施由LM7171集成片、74LS04集成片和2N5401等器件连接而成。
(6)触发脉冲延时器目的比较器输出的两路脉冲触发信号，一路送至发射机触发发射机工作，一路送至接收机触发接收机工作。由于接收机机部分比发射机部分的延时大(50纳秒左右)，因而存在一个系统延时。触发脉冲延时器的作用就是将这部分延时补偿掉。
实施由AD9501集成片、74LS123集成片和2N2219等器件连接而成。
(7)电源变换目的从输入单一+12V电压，产生+12V，-12V，+5V输出电压。
实施由CJ12D12电源模块、LM7805CT集成片等连接而成。
如图6和图7所示接收控制单元由以下九部分组成电源变换、高压电源、触发电路、采样双脉冲产生器、采样头、高放、延长门、积分器、反馈电路。
(1)电源变换目的从输入单一+12V电压，产生+12V，-12V输出电压。
实施由CJ12D12电源模块连接而成。
(2)高压电源目的从输入单一+12V电压，产生+200V输出电压给采样双脉冲产生器使用。
实施由多个NR12D12电源模块串联而成。
(3)触发电路目的从时基电路送来的一个接收触发信号，在此触发信号的同步下，产生一个适应于采样双脉冲产生器需要的触发信号。
实施由LM7171集成片等连接而成。
(4)采样双脉冲产生器目的在此触发信号的同步下，产生一个适应于采样头需要的采样双脉冲信号，此采样双脉冲信号的脉宽0.3纳秒，幅度2v，正负对称。
实施由2N3905器件、2N5551器件及同轴电缆等连接而成。
(5)采样头目的采样头包括采样门、采样门偏置和前放等。用以采集高速微弱的电信号。
实施由HSMS-2828、2N5486等器件连接而成。
(6)高放目的将采样头拾取的信号进行放大。
实施由AD844集成片连接而成。
(7)延长门目的对高放的输出信号进行二次取样。
实施由二极管、变压器等器件连接而成。
(8)积分器目的对经延长门二次取样的高放的输出信号进行积分并输出。
实施由AD845集成片等连接而成。
(9)反馈电路目的将积分输出信号反馈至采样头偏置电路，从而将采样头、高放、延长门、积分器和反馈电路等构成闭合回路，从而构成一个差分取样接收机。
实施由AD845集成片等连接而成。
如图8所示采集软件流程由以下几部分组成文件管理、参数设置、数据采集、数据处理、退出采集系统。
(1)文件管理对硬盘上的所有进行管理。
(2)参数设置设置采集参数和图形的显示参数。
(3)数据采集进入采集状态，读取数据、显示、存盘。
(4)数据处理对采集来的数据进行分析和处理。
(5)退出采集系统退出采集环境。
发明达到如下的技术指标(1) 工控标准的计算机主板586主板，CPU为奔腾233，16兆或32兆内存可选，硬盘可选。(2) 时基控制为三档可调，最大时间窗分别为64纳秒、512纳秒、1024纳秒。(3) 采样长度64-4096个样点，可任选。(4) 采样方式单点测试和连续扫描可选。(5) 触发方式为计算机内部和外触发两种。(6) 信号发射频率最大为100KHz。(7) 瞬间发射脉冲电压100兆天线为400伏、500兆天线96伏、1000兆天线24伏。(8) 发射脉冲的宽度1纳秒、2纳秒、5纳秒和10纳秒。(9) 模数转换为16位。(10)动态范围140db。(11)显示方式波形、彩色图形。(12)增益控制2db、4db、8db、16db、32db。(13)电压输入9-16伏。(14)天线50MHz、100MHz、250MHz、500MHz、1000MHz。
发明主要包括如下内容主机、发射机、接收机、天线、其它部件。(1) 主机主机外壳的设计与制作、雷达信号控制板、数据采集板。(2) 发射机1纳秒、2纳秒、5纳秒、10纳秒发射机板。(3) 接收机全天线兼容接收机板。(4) 天线100兆天线及外壳、50兆天线及外壳、250兆天线及外壳、500兆天线及外壳、1000兆天线及外壳。(5) 其它部件电池及电池盒、大线及高频信号接头。
权利要求
1.一种防爆地质雷达采集系统，它包括工控机、数据采集器、信号控制器、发射控制器、接收控制器、发射天线和接收天线，其特征在于数据采集器分别连工控机、信号控制器、接收控制器；信号控制器分别连发射控制器、接收控制器；发射控制器连发射天线，接收控制器连接收天线；数据采集器由接口及地址译码电路连前置放大及A/D转换电路组成；信号控制器由电源变换器分别与A/D数模转换器、高速开关、恒流源与快斜波产生器和触发脉冲延迟器连接后再相连接，译码锁存器和比较器相连后分别连A/D数模转换器、电源变换器。
2.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于所述的接收控制器是由电源变换器分别连触发电路、延长门、反馈电路、高压电源、积分器、采样头、采样双脉冲产生器、高放；高压电源与采样双脉冲产生器、积分器相连；延长门分别连积分器、触发电路、高放；采样双脉冲产生器分别连触发电路、采样头；采样头连高放、反馈电路组成。
3.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于所述的数据采集器的接口及地址译码电路是由74HC574集成片通过26针扁平电缆与信号控制器连、由74HC688集成片通过ISA总线与工控机连；前置放大及A/D模数转换电路通过A/D620集成片和7722集成片与外部电路相连。
4.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于所述的信号控制器的译码锁存器是由74LS138、74LS373、74LS04集成片连接而成；A/D数模转换由AD-DAC85-V集成片连接而成；恒流源与快斜波产生器由多个2N5401器件连接而成；比较器由AD790AQ集成片连接而成；高速开关由LM7171集成片、74LS04集成片、2N5401器件连接而成；触发脉冲延迟器由AD9501集成片、74LS123集成片、2N2219器件连接而成；电源变换由CJ12D12电源模块、LM7805CT集成片连接而成。
5.根据权利要求1或2所述的采集系统，其特征在于所述的接收控制电路，其电源变换器由CJ12D12电源模块连接而成，由输入+12V产生+12V、-12V输出电压；高压电源由多个NR12D12串联而成产生200V电压；触发电路由LM7171连接而成；采样双脉冲产生器由2N3906、2N5551器件及同轴电缆组成，产生宽0.3纳秒、幅度2V的正负对称脉冲信号；采样头由HSMS-2828集成片、2N5486器件连接而成；高放由AD844集成片连接而成；积分器和反馈电路由AD845集成片连接而成。
6.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于工控机的主板为586、CPU为奔腾233；16M或32M内存可选；时基控制为三档可调；最大时窗分别为64纳秒、512纳秒、1024纳秒；采样长度为64-4096样点可调；采样方式单点测试和连续扫描可选；触发方式为计算机内部触发和外部触发可选；信号发射频率最大为100KHz；瞬时发射脉冲电压100兆天线400V，500兆天线96V，1000兆天线24V；发射脉冲的宽度1纳秒、2纳秒、5纳秒、10纳秒；模数转换为16位，动态范围140db；增益控制1db、2db、4db、8db、16db、32db、64db、128db可选；采集数据的显示方式有波形、彩色图可选；软件运行环境WINDOWS95、WINDOWS98或WINDOWS2000；配备天线50MHz、100MHz、250MHz、500MHz、1000MHz。
全文摘要
一种防爆地质雷达采集系统由数据采集器分别连工控机、信号控制器相连、接收控制器,信号控制器分别连发射、接收控制器,发射、接收控制器分别连发射天线和接收天线组成。在煤矿开采中,掌子面前方地质预报和残余煤厚探测至关重要,这也是煤矿开采过程急待解决的难题。本发明研究和开发防爆地质雷达采集系统、系列天线和处理解释分析软件,为煤矿安全生产服务。本发明是集地质、高频电子、电磁场理论、信息处理等学科为一体的高新技术,通过研究和开发,也将促进这些学科在地球物理领域中的应用和发展。
文档编号G01V3/12GK1357769SQ01109040
公开日2002年7月10日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者彭苏萍, 杨峰, 苏红旗 申请人:彭苏萍