基于单兵作战的多功能腕表的制作方法
【专利摘要】本发明涉及穿戴式设备领域，公开了一种基于单兵作战的多功能腕表。本发明的基于单兵作战的多功能腕表包含时钟和显示屏，多功能腕表还包含内置于多功能腕表的壳体内部的中央处理器CPU和高能射线探测模组；CPU与高能射线探测模组相连；高能射线探测模组包含PIN探测器、基板和屏蔽罩；PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口；多功能腕表的壳体上预留有开口，探测窗口的位置与开口的位置对应；PIN探测器用于检测从探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。本发明与现有技术相比，使得能够检测核辐射，并且具有较低的成本。
【专利说明】
基于单兵作战的多功能腕表
技术领域
[0001]本发明涉及穿戴式设备领域，特别涉及一种基于单兵作战的多功能腕表。
【背景技术】
[0002]目前，核科学技术已广泛应用于国防、工业、能源、医疗等领域，并带来了巨大的经济效益和社会效益，但同时人们接触各种辐射并受其威胁的机会也在不断增加。因此，辐射安全的问题一直备受关注。
[0003]辐射检测技术的快速发展使得人们可以快速识别出辐射的强度，便于采取有效的安全防护措施。但是传统的盖革计数器、光电倍增管以及闪烁探测器设备体积较大，操作复杂，价格昂贵，极大地限制了其推广应用。
[0004]随着科技的发展，多功能腕表等穿戴式设备逐渐出现，多功能腕表在单兵作战时能够为人员提供极大的便利。然而，现有的多功能腕表无法满足核辐射的探测。
[0005]有鉴于此，人们迫切希望能够进一步减小高能射线探测设备的体积，并且进一步降低高能射线探测设备的制造成本，使得高能射线的检测能够更加方便。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于单兵作战的多功能腕表，使得能够检测核辐射，并且具有较低的成本。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于单兵作战的多功能腕表，包含时钟和显不屏，所述多功能腕表还包含内置于所述多功能腕表的壳体内部的中央处理器CPU和高能射线探测模组;所述CPU与所述高能射线探测模组相连;所述高能射线探测模组包含PIN探测器、基板和屏蔽罩;所述PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，所述屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口；所述多功能腕表的壳体上预留有开口，所述探测窗口的位置与所述开口的位置对应;所述PIN探测器用于检测从所述探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。
[0008]本发明实施方式相对于现有技术而言，多功能腕表包含内置于多功能腕表的壳体内部的中央处理器CPU和高能射线探测模组。CPU与高能射线探测模组相连。高能射线探测模组包含PIN探测器、基板和屏蔽罩。PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口，多功能腕表的壳体上预留有开口，探测窗口的位置与所述开口的位置对应。PIN探测器用于检测从探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。通过在多功能腕表中集成高能射线探测模组，使得多功能腕表具有核探测能力，从而可以帮助使用人员及时了解所处环境的核辐射情况，有利于人员采取安全防护等的措施。并且，高能射线探测模组通过集成PIN探测器，利用其将检测到的高能射线转换成电流信号，从而使得可以通过较小的空间占用实现高能射线的检测，提高了使用的便利性。本实施方式中，通过将PIN探测器置于屏蔽罩内，可极大程度地屏蔽掉干扰射线(例如:可见光)，由于在屏蔽罩上预留探测窗口，使得PIN探测器通过预留的探测窗口捕获高能射线，从而实现对高能射线的准确检测。
[0009]另外，所述高能射线探测模组还包含ASIC处理芯片；所述ASIC处理芯片用于对所述PIN探测器输出的电流信号进行放大，并转换成电压信号;将所述电压信号进行脉冲成形和滤波处理，并对脉冲幅度进行甄别，输出数字信号。通过集成ASIC处理芯片，对PIN探测器输出的电流信号进行放大，极大地提高了信噪比，再将放大的电流信号转换成电压信号，进而对得到的电压信号进行脉冲成形和滤波处理，然后对脉冲幅度进行甄别，可十分有效地提取高能射线强度信号，最后经数模转换，输出高能射线辐射强度的数字信号，从而极大地提高了探测模组的实用性。
[0010]另外，所述PIN探测器对应探测窗口的正上方贴合有一介质层，所述介质层的上表面与所述屏蔽罩保持一致的高度。通过在探测窗口的正上方贴合一介质层，可有效透过高能射线，并进一步屏蔽掉可见光，从而提尚尚能射线检测的准确性。
[0011]另外，所述多功能腕表还包含用于检测所述多功能腕表当前所处姿态和运动信息的惯性导航模组;所述惯性导航模组包含:三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计、全球定位系统GPS和数据处理模块;数据处理模块用于从所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计和全球定位系统GPS获取传感器数据，进行数据融合，解算得到人体的运动检测数据。因此，本多功能腕表不仅能够进行高能射线中的α、β、γ等射线的检测，同时还可以辅助获取人体当前姿态位置，比如在特殊领域(比如飞行训练)执行任务时可以应用于单兵升沉运动检测或步态分析，可以精确地捕捉腕表载体(一个人)的运动状态及其所有的信息数据(比如:行军途中倾斜度、角速度、线性加速度和方向)。再比如在有辐射环境的模拟训练仓中进行模拟驾驶和操作练习，可以实时获取姿态数据进行后端分析和训练评估。
[0012]另外，所述多功能腕表还内置有以下任一功能模组及任意组合:温度探测模组、湿度探测模组、指南针、血压探测模组和心跳探测模组。通过在多功能腕表中集成生命特征等的传感器模组，可以实现自动驾驶功能，使得多功能腕表在单兵行使过程中可以检测人体心率，温度，血压，同时实时计算姿态数据，实时与云端进行交互，根据在云端规划好的线路获取即时的方位信息，同时纠正行驶偏差，同时还可以迅速进行新的线路规划。此外，人员的参数，比如心率，温度，血压，辐射剂量值都可以实时上传到云端，便于进行分析和统一调度。因此，本实施方式可以较为系统的检测人员的生命体征情况并对辐射剂量做出评估，结合运动数据分析人体的姿态行为，和生命信息，同时也可以指导单兵人员的运动路径和模式，从而有利于提高单兵作战能力。
[0013]另外，所述多功能腕表内还设有用于存储士兵基本信息的存储器，从而便于利用多功能腕表对使用人员加强管理。
[0014]另外，所述多功能腕表的表带上设有用于毒气检测的试纸，从而便于使用人员检测环境的毒性，提高使用人员的有毒环境识别能力。
[0015]另外，所述多功能腕表内置有以下任意一种无线通信功能模块或任意组合:ZigBee、WIFI，从而便于使用人员进行近距离通信，便于使用人员进行协同作战。
[0016]另外，所述多功能腕表采用内部保密的非标准的无线协议与外部设备进行通讯。从而可以保证使用人员通信的安全性。
【附图说明】
[0017]图1是根据本发明第一实施方式的基于单兵作战的多功能腕表的高能射线探测模组的结构示意图；
[0018]图2是根据本发明第一实施方式的对光电二极管施加反向偏置电压时PN结内建电场形成暗电流的结构示意图；
[0019]图3是根据本发明第一实施方式的光电二极管在高能射线照射时形成光电流的结构示意图；
[0020]图4是根据本发明第一实施方式的基于单兵作战的多功能腕表的高能射线探测模组的电路图；
[0021]图5是根据本发明第二实施方式的基于单兵作战的多功能腕表惯性导航模组的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0023]本发明的第一实施方式涉及一种基于单兵作战的多功能腕表，包含:时钟、显示屏、内置于多功能腕表的壳体内部的中央处理器CPU和高能射线探测模组。CPU与高能射线探测模组相连。该高能射线探测模组采用PIN探测器进行高能射线检测。
[0024]如图1所示，高能射线探测模组包含PIN探测器1、基板2和屏蔽罩LPIN探测器I位于屏蔽罩4与基板2形成的空间内。屏蔽罩4在PIN探测器所在位置预留有探测窗口，多功能腕表的壳体上预留有开口，探测窗口的位置与开口的位置对应。PINl探测器用于检测从探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。
[0025]具体地说，基板2上设有PIN探测器I，PIN探测器2呈阵列排列，基板2上布置有PIN探测器I的一侧设有屏蔽罩4，屏蔽罩4用于将PIN探测器I与外界隔离。并且，屏蔽罩4在PIN探测器I所在位置预留有探测窗口，使得穿过该探测窗口的高能射线直接入射到PIN探测器
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[0026]值得一提的是，屏蔽罩4例如可以采用不锈钢材质制作成矩形罩体焊接于基板2上。屏蔽罩4用于屏蔽电磁干扰和周围的各种热噪声干扰，使得检测结果更精确。然而，此种举例仅是帮助理解，任何可以实现本发明的屏蔽罩及其安装方式均在本发明的保护范围内。
[0027]此外，PIN探测器I对应探测窗口的正上方贴合有一介质层3，该介质层3的上表面与屏蔽罩4保持一致的高度。本实施方式类似于在屏蔽罩4上开了一个窗口，在实际应用中，该介质层的材料可以采用钹或铝。也就是说，在屏蔽罩4上开设钹窗口或铝窗口，从而可以屏蔽一般的可见光，更好地通过高能射线，使得高能射线的收集更精确。
[0028]需要说明的是，PIN探测器I可以采用光电二极管。该光电二极管实际上是加了反向偏置电压的PN结。而高能射线探测模组还可以包含电源管理电路，其可以为PIN探测器提供反向偏压。
[0029]以下描述光电二极管的工作流程，来说明光电二极管是如何将接收到的高能射线转换成电流信号的。本实施方式通过对光电二极管做特殊处理，使其可灵敏地响应于高能射线，而屏蔽一般的可见光，保证了检测的准确性。如图2所示，在无射线条件下，若给光电二极管的PN结施加一个适当的反向电压，则该反向电压加强了内建电场，使得PN结的空间电荷区拉宽，势皇增大，流过PN结的电流(亦称反向饱和电流或暗电流)很小，因为暗电流是由少数载流子的漂移运动形成的。
[0030]如图3所示，当光电二极管吸收了一定量的高能射线，则在PN结结区内产生由射线激发的载流子(称作光生载流子)，光生载流子将PN结的内建电场E拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，于是在外加电场的作用下形成了以少数光生载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无射线时的暗电流大得多。并且射线剂量越大，在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流亦越大;反之，则光电流愈小。因此，当高能射线入射到光电二极管的敏感表面上时，会在PN结的整个耗尽区附近引起受激跃迀现象，从而产生电子空穴对。产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流。
[0031]此外，该高能射线探测模组还包含ASIC处理芯片5，ASIC处理芯片用于对PIN探测器输出的电流信号进行放大，并转换成电压信号。将电压信号进行脉冲成形和滤波处理，并对脉冲幅度进行甄别，输出数字信号。电源管理模块PMU连接于ASIC，用于对其提供电能。具体而言，ASIC处理芯片包括硅衬底，硅衬底上制作有电流放大器、电流电压转换器、脉冲成形和比较器。通过采用超大规模集成电路技术(Very Large Scale Integrat1n，简称VLSI)，使得整个ASIC处理芯片的封装体积可以极大地减小，而批量化生产更可使得硬件成本极低。并且，高能射线探测模组可以采用邮票孔或球型封装BGA形式引出信号线。邮票孔封装以及球型BGA封装形式均十分适用于模块封装，并且该两种引脚封装形式生产效率高。具体地说，电流放大器CSA用于对PIN探测器输出的电流信号进行放大，电流电压转化器将放大后的电流信号转换成电压信号，而脉冲成形PS滤波器用于将转换得到的电压信号进行脉冲成形、滤波处理，比较器COMP通过对得到的脉冲幅度进行甄别，最后A/D模数转换器将比较后的模拟信号转换成数字信号输出。
[0032]高能射线探测模组还包含处理器M⑶7，通过M⑶对ASIC处理芯片输出的数字信号进行标定，从而可以输出有效的射线粒子剂量数据。
[0033]如图4所示，高能射线探测模组包含:PIN探测器1、基板2、ASIC处理芯片5、PMU电源管理电路6、以及MCU7。其中，光电PIN探测器、ASIC处理芯片以及PMU电源管理电路的结构及用途同第一实施方式，在此不再赘述。M⑶连接于ASIC处理芯片和PMU电源管理电路。PMU电源管理电路用于给MCU提供电源。MCU用于对ASIC处理芯片输出的高能射线辐射强度的数字信号进行标定，并输出有效的射线粒子剂量数据。通过输出高能射线粒子剂量数据可以给予用户更清晰的提醒，便于用户采取更合适的防护措施。
[0034]值得一提的是，本实施方式中的基于单兵作战的多功能腕表还可以包含报警器。显示屏和报警器分别连接于M⑶和PMU电源管理模块。PMU电源管理模块用于给显示屏和报警器提供电源，而MCU用于输出控制信号给显示屏和报警器，该控制信号用于控制显示屏显示检测出的经标定的高能射线粒子剂量，或者用于控制报警器根据检测出的高能射线粒子剂量发出报警信号。
[0035]值得一提的是，本实施方式中，可以在多功能腕表的背面，设置与探测窗口一致的高能射线入射口，从而将高能射线探测模组整体置入多功能腕表壳体内部。为了更好地保护探测窗口的介质层，还可以在介质层的表面贴附一层高透光防水保护层，例如石墨烯层。通过将高能射线探测模组集成至多功能腕表，用户无论走到哪里，均可根据实际需要，利用多功能腕表的显示屏和报警器提醒当前环境中的高能射线粒子剂量。
[0036]本实施方式多功能腕表的高能射线探测模组的基板可以采用柔性基板，其可使得该高能射线探测模组整体能够良好地贴附于起伏的表面。比如，具有柔性基板的高能射线探测模组整体可以安装于多功能腕表内。由此可见，本实施方式具有极强的便携性，随身携带，使用非常方便。
[0037]本实施方式相对于现有技术而言，通过在多功能腕表中集成采用PIN探测器进行尚能射线探测的尚能射线探测t旲组，从使得尚能射线探测器件的尺寸大幅缩小，而且在腕表中添加高能射线探测功能，使用方便、成本低，可提高单兵作战时的性能。
[0038]本发明的第二实施方式涉及一种基于单兵作战的多功能腕表，第二实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，在第二实施方式中，多功能腕表还包含用于检测多功能腕表当前所处姿态和运动信息的惯性导航模组。
[0039]如图5所示，惯性导航模组包含:三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计、全球定位系统GPS和数据处理模块。数据处理模块用于从三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计和全球定位系统GPS获取传感器数据，进行数据融合，解算得到人体的运动检测数据。作为优选，运动检测数据包括:三维全姿态数据，三维加速度，三维角速度，三维地磁场强度。
[0040]在实际应用中，惯性导航模组可以采用航姿参考系统AHRSt3AHRS比如包括基于MEMS的三轴陀螺仪，加速度计和磁强计，GPS系统等。并且AHRS与惯性测量单元頂U有区别，AHRS还包括嵌入式姿态数据解算单元与航向信息，惯性测量单元頂U仅仅提供传感器数据，并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。而本实施方式通过在多功能腕表中加入数据梳理模块，采用硬件方式实现用于对传感器数据进行融合的航姿解算单元，其采用卡尔曼滤波算法实现，对各种传感器数据进行融合之后实现欧拉角和四元数的输出。输出数据比如包括:三维全姿态数据(四元数，欧拉角，旋转矩阵，原始数据)，三维加速度，三维角速度，三维地磁场强度。需要说明的是，本实施方式克服了经典四元数和欧拉角之间的转换算法普遍是3个轴的欧拉角都在±90°之间赋值，或者2个轴的欧拉角在±180°之间，另一个轴在土90°之间赋值，无法实现全角度的四元数与欧拉角之间的换算的问题。本实施方式提出的转换算法，能在3个轴的欧拉角都在±180°之间进行四元数与欧拉角的转换。因此，本实施方式能够通过多功能腕表实时地输出特殊场合训练的士兵和运动专业人员的姿态和运动信息。本实施方式对用于无人机的姿态导航坐标体系和算法进行改良，可以实现任意方位的航姿数据参考，适用于人体的运动检测，能够比较精确的体现人体的任意运动形式和趋势。
[0041]综上所述，本实施方式的多功能腕表由于集成了惯性导航模组，从而利用惯性导航模组解算出载体的三维全姿态数据，三维加速度等的运动数据，可以实时地输出飞行人员的俯仰、横滚、航向，以及经度、维度、高度、温度、速度等的信息，因此可同时满足陆地、空中等各种复杂环境中的作战需求，为用户提供全面的运动信息分析功能。
[0042]本发明的第三实施方式涉及一种基于单兵作战的多功能腕表，第二实施方式在第一或者第二实施方式的基础上做出改进，在第三实施方式中，多功能腕表还内置有以下任一功能模组及任意组合:温度探测模组、湿度探测模组、指南针、血压探测模组和心跳探测模组。
[0043]对于单兵作战而言，其生存环境复杂多变。温湿度等均可能发生剧烈变化，因此，本实施方式的多功能腕表中进一步集成温度探测模组、湿度探测模组，便于使用人员及时掌握所处环境的温湿度，从而做出适当的应对措施。指南针可以帮助使用人员掌握方向，对于作战而言，也是不必可少的，本实施方式将指南针集成于多功能腕表，便于用户的使用。血压探测模组和心跳探测模组一并集成与多功能腕表，则可以实时地对于使用人员的身体机能进行检测并作出报警。
[0044]需要说明的是，本实施方式的多功能腕表的表带上设有用于毒气检测的试纸，从而便于使用人员对于环境中是否存在危险气体等进行检测。并且，将试纸设置表表带上，即使使用者处在高度警戒状态，也可伺机查看试纸的检测结果，使用十分方便。
[0045]在实际应用中，多功能腕表内置有以下任意一种无线通信功能模块或任意组合:ZigBee、WIFI。多功能腕表采用内部保密的非标准的无线协议与外部设备进行通讯。通过在多功能腕表中集成ZigBee、WIFI等的通信模块，便于将功能腕表中的数据传输至智能终端等的通信设备中。多功能腕表通过采用内部保密的非标准的无线协议与外部设备进行通讯，有利于确保数据的安全性。
[0046]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种基于单兵作战的多功能腕表，包含时钟和显示屏，其特征在于，所述多功能腕表还包含内置于所述多功能腕表的壳体内部的中央处理器CPU和高能射线探测模组;所述CPU与所述高能射线探测模组相连； 所述高能射线探测模组包含PIN探测器、基板和屏蔽罩;所述PIN探测器位于屏蔽罩与基板形成的空间内，所述屏蔽罩在PIN探测器所在位置预留有探测窗口；所述多功能腕表的壳体上预留有开口，所述探测窗口的位置与所述开口的位置对应； 所述PIN探测器用于检测从所述探测窗口进入的高能射线，转换成电流信号。2.根据权利要求1所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述高能射线探测模组还包含AS IC处理芯片； 所述ASIC处理芯片用于对所述PIN探测器输出的电流信号进行放大，并转换成电压信号;将所述电压信号进行脉冲成形和滤波处理，并对脉冲幅度进行甄别，输出数字信号。3.根据权利要求1所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述PIN探测器对应探测窗口的正上方贴合有一介质层，所述介质层的上表面与所述屏蔽罩保持一致的高度。4.根据权利要求1所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表还包含用于检测所述多功能腕表当前所处姿态和运动信息的惯性导航模组； 所述惯性导航模组包含:三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计、全球定位系统GPS和数据处理模块； 数据处理模块用于从所述三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三轴磁力计、气压高度计和全球定位系统GPS获取传感器数据，进行数据融合，解算得到人体的运动检测数据。5.根据权利要求4所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述运动检测数据包括:三维全姿态数据，三维加速度，三维角速度，三维地磁场强度。6.根据权利要求1至4任一项所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表还内置有以下任一功能模组及任意组合: 温度探测模组、湿度探测模组、指南针、血压探测模组和心跳探测模组。7.根据权利要求1至4任一项所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表内还设有用于存储士兵基本信息的存储器。8.根据权利要求1至4任一项所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表的表带上设有用于毒气检测的试纸。9.根据权利要求1至4任一项所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表内置有以下任意一种无线通信功能模块或任意组合: ZigBee^ffIF110.根据权利要求9所述的基于单兵作战的多功能腕表，其特征在于，所述多功能腕表采用内部保密的非标准的无线协议与外部设备进行通讯。
【文档编号】G04G21/04GK106094503SQ201610326019
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】纪新明, 窦宏雁
【申请人】复旦大学