专利名称：基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿井巷道超前探测仪所需要的嵌入式软件系统体系结构，更具体地说，本发明涉及基于嵌入式Linux操作系统的矿井巷道超前探测仪软件系统体系结构的装置及其实现方法。按本发明体系结构所构建的软件系统可以直接嵌入式到基于32位处理器的矿井巷道和道路隧道地质超前探测仪器中。
背景技术：
道路隧道和矿井巷道超前探测是工程地球物理工作者所面临的一个难题，此问题是由于大量道路隧道施工地质超前预报，以及矿产资源开采特别是煤矿资源开采中的巷道地质超前预报问题而延伸出来。从原理上讲，凡是能够进行隧道和巷道掌子面超前地质勘探的所有地质和地球物理方法都能用来进行隧道和巷道超前探测。
目前，可以用于隧道和巷道施工阶段的地质超前预报方法有如下几种地质分析法(包括断层参数预测法、地质体投影法和掌子面编录预测法等)、超前钻探法(包括超前水平岩芯钻探法、工作面浅孔钻探法和超前导坑法等)、地球物理勘探方法(包括地震负视速度法、地震横排列法、隧道地震预报法、隧道地震层析成像法、真反射层析成像法、高频地震反射波法、瑞利面波法、地质雷达法、红外探水法、电法和电磁法等)和地质物探综合分析法。
目前，国内外先进的隧道施工地质超前预报仪器有瑞士安伯格测量公司制造的TSP203隧道超前地震预报系统和北京水电物探技术研究所开发的TGP12隧道地质预报仪。
TSP203隧道超前地震预报系统采用地震数据采集系统与主机系统分体组合结构。主机系统硬件平台采用防撞击型便携式计算机(Panasonic Toughbook CF-29)，主机系统软件平台采用Windows操作系统，配套的应用软件为TSPwin地震软件系统。
TGP12隧道地质预报仪采用地震数据采集系统和主机系统一体化的全密封防水抗震结构，主机系统硬件平台采用IBM便携式计算机(其配置为DOTH(750)1.8G/256MB/40G/WINXPPRO/ATI RADEN*300 64MB DDR2/指纹识别系统)，主机系统软件平台采用Windows操作系统，配套的应用软件为TGPwin隧道地质超前预报处理系统。
TSP203隧道超前地震预报系统和TGP12隧道地质预报仪具有技术先进、功能强大、预报距离长、精确度高、地质解释直观和形象等优点，但也存在不少缺陷，如TSP203不仅价格高并且耗材贵。TGP12隧道地质预报仪针对TSP203价格高和耗材贵等缺点进行了不少改进。但是，由于TSP203和TGP12都采用便携式计算机作为仪器的主机系统，整个系统的功耗非常大，难以满足煤矿本安型产品对功耗要求。
因此，如何充分利用目前隧道地质超前预报仪器和系统的先进技术，并结合当今嵌入式系统及其低功耗设计技术，研究与开发可在煤矿井下使用的低功耗本安型先进的矿井巷道地质超前预报仪，是保证煤矿巷道掘进的施工地质安全迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服目前隧道地震超前预报系统采用便携式计算机作为主机系统硬件平台所导致仪器功耗大的问题。
本发明提供一种基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，采用此体系结构的装置不仅可以解决操作系统占用仪器的存储空间大的问题，而且能够较理想地实现数据采集和处理软件一体化集成及其维护和升级问题。
为了实现以上所述目的，本发明装置的软件体系结构包括引导加载程序模块层、嵌入式Linux操作系统内核模块层、应用组件模块层、应用程序模块层及应用数据库层五个不同层次、相互关联的模块第一层为引导加载程序模块层，其由板级驱动程序、引导加载程序和监控程序组成的，采用遵循GPL条款的开放源码项目的通用引导加载程序U-Boot，通过配置和移植构成适合于矿井巷道超前探测仪器主机硬件系统平台的引导加载程序，编译后烧写到硬件系统平台上Flash存储器的引导区中；第二层为嵌入式Linux操作系统内核模块层，由板级支持包、进程调度系统、文件系统、存储系统、设备系统和网络系统组成的，采用开放源码的嵌入式Linux操作系统MontaVistaLinux、BlueCat Linux、EDLK或RTLinux，根据矿井巷道超前探测仪器主机硬件系统平台修改其板级支持包中的相关驱动程序，配置和编译成小型嵌入式Linux操作系统内核，通过以太网和仪器主机硬件系统平台上的引导加程序写到仪器主机硬件系统平台上Flash存储器的Linux内核存储区中；第三层为应用组件模块层，其是由系统应用程序、C链接库、图形用户界面平台和三维地震数据处理算法库组成的，其中，SA存放在根文件系统的目录下；CLib存放在根文件系统的目录下；GUI和SLIB存放在根文件系统的目录下；第四层为应用程序模块层，其是由现场探测软件、文件管理软件、波形显示软件、编辑处理软件、分析处理软件、滤波处理软件、解释处理软件、向导解释软件、常用工具软件和使用帮助软件模块组成的矿井巷道超前探测仪器专用的应用软件系统，存放在根文件系统的目录下；第五层为应用数据库层，其是由图形界面图像库、系统参数库、地震记录波形数据库、默认参数库和说明书文本库组成的，作为应用程序定制的专用数据库，在仪器主机硬件系统平台Flash存储器中专门开辟一个大容量数据存储区作为其存储空间。
三维地震波数据处理算法库采用具有可裁剪处理算法模块组件的层次化体系结构，所依据的技术原理如下在地质超前预报处理系统中，基本上都是基于地震波数据处理的基本顺序设计其每一个处理工具模块，而处理工具模块通常都是由处理参数设置、处理算法和结果显示三个模块组成的。其中，处理算法模块是核心，因此完全可以独立出来组建成为专用处理算法库。这样，即使仪器界面因不同硬件平台而改变，但是处理算法库可以不动。此外，地质超前预报系统中的地震数据处理与解释流程通常都是按编辑处理、分析处理、滤波处理和解释处理顺序进行的，完全可以将其所涉及到处理算法模块划分成编辑处理、分析处理、滤波处理和解释处理四大处理算法模块，并按地震波数据处理程序的顺序分成不同的层次，以便与仪器应用软件系统相应层次的处理工具模块相对应。由于每个处理算法模块都可能集成有针对特定处理工具的多种处理算法子模块，并且这些子模块中的处理算法随着地质超前预报技术与方法发展而变化。为了使仪器的地震数据处理算法能够及时吸收地质超前预报技术与方法发展的最新先进优秀的成果，同时也为了仪器的应用软件系统的修改、维护和升级的需要，必须将其构建成具有可裁剪处理算法模块组件的层次化体系结构。
本发明采用具有开源、可裁剪和自由等特性嵌入式Linux操作系统替代Windows操作系统作为主机系统软件平台。嵌入式Linux操作系统的优势在于其开源和可裁剪性，可以通过配置和移植构成适合于主机系统嵌入式硬件平台的小型操作系统，从而达到降低代码容量及软件平台成本方面的开销的目的；此外，为了进一步降低此嵌入式系统硬件平台功耗，其存储系统通常采用固态盘(即Flash盘)代替传统的硬盘。
本发明的显著优点是，采用模块化层次化设计思想与方法，可以构成一套完整的、模块层次结构清晰的、地震波探测与处理一体化的嵌入式隧道和巷道地质超前预报软件系统，并且模块组件是可裁剪的，系统开发、维护和升级都非常方便。
图1是本发明基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪器软件系统总体结构其中，第一层(引导加载程序层)是运行在仪器硬件平台上板级初始化加载引导程序系统；第二层(Linux内核层)是由引导加载程序加载到仪器硬件平台内存中运行的嵌入式Linux操作系统内核；第三层(应用组件层)是架设在嵌入式Linux操作系统之上的仪器通用软件平台和算法库；第四层(应用程序层)是利用应用组件资源开发的在操作系统调度和管理之下的隧道和巷道地质超前探测仪器专用软件系统；第五层(应用数据库层)是应用程序所使用的各种类型数据库。
图2是本发明基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪器图形用户界面(GUI)平台总体结构其中，第一层(硬件设备层)是位于仪器硬件平台上的人机接口设备硬件系统；第二层(设备驱动层)是硬件设备层的各种人机接口设备软件驱动程序；第三层(图形引擎层)是架设在设备驱动层之上的屏幕绘制核心函数集；第四层(图形显示器层)利用图形引擎层的屏幕绘制核心函数集开发的仪器通用的图形显示器与文本编辑器；第五层(用户接口层)是图形引擎层和图形显示器层的应用程序接口。
图3是本发明基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪器三维地震数据处理算法库总体结构其中，第一层(编辑处理层)为地震波形数据编辑与预处理算法模块层；第二层(分析处理层)为地震波形数据分析处理算法模块层；第三层(滤波处理层)为地震波形数据数字滤波处理算法模块层；第四层(解释处理层)为隧道和巷道地质超前探测的地震波形数据解释处理算法模块层。
图4为本发明基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪器应用软件系统总体结构其中，第一层(现场探测层)是仪器现场地震波形数据采集软件系统；第二层(文件管理层)是地震记录波形数据库的地震记录文件管理软件系统；第三层(波形显示层)是仪器地震记录波形数据显示控制软件系统；第四层(编辑处理层)是地震记录波形数据编辑与预处理软件系统；第五层(分析处理层)是地震记录波形数据分析处理与结果显示软件系统；第六层(滤波处理层)是地震记录波形数据滤波处理软件系统；第七层(解释处理层)是隧道和巷道地质超前预报的地震记录波形数据解释处理软件系统；第八层(向导解释层)是基于流程图的隧道和巷道地质超前预报向导解释处理软件系统。此外，在图4中还提供有两种仪器使用与操作的辅助工具，即常用工具和使用帮助工具。
具体实施例方式在图1中，本发明装置的软件体系结构包括引导加载程序模块层、嵌入式Linux操作系统内核模块层、应用组件模块层、应用程序模块层及应用数据库层五个不同层次、相互关联的模块第一层为引导加载程序层，其是由板级驱动程序(Board Driver)、引导加载程序(BootLoader)和监控程序(Monitor)组成的，主要功能是完成仪器硬件平台启动到嵌入式Linux操作系统启动的过渡。具体地讲，初始化仪器主机硬件系统平台(包括CPU、堆栈、存储系统、监控串口、以太网口、键盘和显示器等)，建立内存映射表，给嵌入式Linux操作系统内核提供仪器主机硬件平台资源信息，加载嵌入式Linux操作系统内核到仪器主机硬件平台的内存中并引导嵌入式Linux操作系统内核运行。嵌入式Linux操作系统常用的引导加载程序有armboot、redboot、blob和U-Boot等。其中，U-Boot是目前嵌入式Linux操作系统最为常用的通用引导加载程序(Universal Boot Loader)，其是遵循GPL条款的开放源码项目，可以支持各种不同体系结构的硬件系统平台，包括基于x86、ARM、PowerPC、MIPS和Xscale等体系结构的硬件系统平台(目前所支持硬件参考板高达上百种)，所支持的目标嵌入式操作系统包括OpenBSD、NetBSD，、FreeBSD、4.4BSD、Linux、SVR4、Esix，、Solaris、Irix，、SCO、Dell、NCR、VxWorks、LynxOS、pSOS、QNX、RTEMS和ARTOS。由于U-Boot是一种通用免费的引导加载程序，因此必须根据仪器主机硬件系统平台上的嵌入式处理器体系结构和类型、存储器系统类型和容量，以及串口和以太网接口等硬件资源对U-Boot进行移植，并且重新编译后通过代码烧写装置将其写到仪器主机硬件系统平台上Flash存储器的复位向量地址起始单元区中。固化有移植后的U-Boot代码的仪器主机硬件系统平台，一加电就可以自举。
第二层为嵌入式Linux内核层，由板级支持包(BSP)、进程调度系统(PSS)、文件系统(FS)、存储系统(MS)、设备系统(DS)和网络系统(NS)和应用程序接口(API)组成的，其是仪器主机软件系统的核心，负责管理整个软件系统的运行与操作。目前，常用的嵌入式Linux操作系统有RT-Linux、uClinux、MontaVista Linux、BlueCat Linux和EDLK等。这些嵌入式Linux操作系统都是开放源代码的通用操作系统，因此需要根据仪器主机硬件系统平台资源对其板级支持包(BSP)中的驱动程序进行必要修改，然后利用其集成开发环境所提供的开发工具进行裁减、配置与编译形成小型的、矿井巷道超前探测仪器专用的嵌入式Linux操作系统内核，最后通过以太网口以及固化在仪器主机硬件系统平台上的引导加载程序写到硬件平台Flash存储器中的嵌入式Linux内核存储区中，这样仪器加电后就可以由引导加载程序启动其运行。
第三层为应用组件层，其是由系统应用程序(SA)、C链接库(CLib)、图形用户界面(GUI)平台和三维地震数据处理算法库(3DLIB)组成，其主要功能是为应用程序提供通用程序模块。其中，系统应用程序(SA)包括mount、bash、ifconfig、init、roote等工具软件，通常放置在根文件系统的/usr/bin目录下；C链接库(CLib)为应用程序的运行库，通常都放在根文件的/usr/lib目录下；用户图形界面(GUI)平台和三维地震数据处理算法库(3DLIB)是仪器应用软件系统专用的通用应用组件，其与应用程序一起放置在根文件系统的/usr/src目录下。
第四层为应用程序层，其是由仪器现场探测、文件管理、波形显示、编辑处理、分析处理、滤波处理、解释处理和向导解释系统的定制应用程序(IIA)组成的，其集成有现场探测软件、文件管理软件、波形显示软件、编辑处理软件、分析处理软件、解释处理软件、向导解释软件、常用工具软件和使用帮助软件，主要功能是完成浅层地震勘探仪器的现场探测与地震记录波形数据的处理。应用程序层与应用组件层中的GUI和3DLIB一起放置在根文件系统的/usr/src目录下。
第五层为应用数据库层，由图形界面图像库、系统参数库、地震记录波形数据库、默认参数库和说明书文本库组成的，其是应用程序定制的数据库。通常，需要在仪器主机硬件平台Flash存储系统中开辟一个存储区作为其存储空间。
完成了第三层(应用组件层)、第四层(应用程序层)和第五层(应用数据库层)软件系统构建后，就可以将其组建成嵌入式Linux操作系统的根文件系统，然后通过嵌入式Linux操作系统集成开发环境提供的工具生成一个压缩的根文件系统映像。得到了操作系统内核映像和根文件系统映像后，需要使用嵌入式Linux操作系统的集成开发环境所提供的工具制作一个可下载的内核映像文件，并将其与根文件系统映像合并成一个文件，然后将其烧写到仪器主机硬件系统平台的Flash存储器中。这样，通过适当地配置图1第一层中的引导加载程序，系统就可以启动了。启动后，引导加载程序首先将内核和根文件系统镜像复制到仪器主机系统的内存中，然后跳转到内存中继续执行。待嵌入式Linux内核完全启动后，启动各种应用程序。
图1第三层中的图形用户界面(GUI)平台的体系结构如图2所示，其是本发明为矿井巷道超前探测仪器专门创建的一种GUI系统架构，与其他GUI平台系统的最大差别在于增加了一个专用图形显示器层。
图2所示GUI平台体系结构从原理上仍然采用的是分层设计方法，以便针对仪器的嵌入式硬件平台多变的外部设备。采用这种分层设计方法的优势在于，每一层次都完成某一特定功能，并且能够在不影响其它层次的基础上针对不同的应用进行改编或重写。图2的每一层组成结构及功能如下第一层是硬件设备层，是由位于仪器主机硬件系统平台上的硬件设备组成的。具体地讲，是由键盘、鼠标、触摸屏和彩色LCD显示屏及其接口电路组成的。硬件设备层随仪器主机硬件系统平台变化而变化。
第二层是设备驱动程序层，是由键盘驱动程序、鼠标驱动程序、触摸屏驱动程序和显示驱动程序组成的。此层是直接与仪器主机硬件系统平台中的物理设备打交道的层，因此是GUI平台软件系统的最底层，其随着仪器主机硬件系统平台的变化而变化，一旦硬件系统平台改变就必须修改相关的驱动程序。显示驱动程序是整个仪器GUI平台中最为复杂的部分，但是其复杂性却带来了移植方便性。显示驱动程序中有几个接口和硬件直接打交道，其它程序都是提供核心的绘图操作，例如读取像素、绘制像素、绘制水平线和绘制直线等。这些绘图操作对系统映射的内存直接操作，从映射的内存中读取像素点的信息。显示驱动程序可以采用支持Linux 24.xx内核的FrameBuffer(帧缓存)显示系统，FrameBuffer技术是使底层的图形绘制函数通过直接使用显示设备显存在屏幕上绘制图形的一项技术。Linux操作系统下的FrameBuffer系统使用设备文件——/dev/fdo作为输出，并且利用mmap()函数的系统调用将显示缓存映射到系统内存空间中。仪器GUI平台下的FrameBuffer驱动程序通常可以支持1、2、4、8位灰度和8、15、16、32位彩色显示。若在显示中使用了调色版技术，则必须在显示驱动程序中增加一个特殊的例程，当然也可以使用静态的调色板映射技术。屏幕驱动程序在系统启动时告诉GUI平台屏幕的大小、支持的色彩模式等。
第三层是图形引擎层，是由键盘信息处理函数、鼠标信息处理函数、触摸屏信息处理函数、基本图形绘制函数、剪裁操作函数、布尔操作函数、调色板映射处理函数、灰度映射处理函数、各种格式图形显示操作函数、各种格式文本显示操作函数、不同字体字符显示操作函数和不同字体汉字显示操作函数组成的屏幕绘制核心函数。此层是一种与设备无关的基本图形层，其提供包括画点、画直线、画圆弧、画多边形、区域填充等基本的图形函数。所有的键盘、触摸屏和鼠标动作、文字显示、位图显示都在图形引擎层上实现。
第四层是图形显示器层，是由双相波形显示器、单相波形显示器、平均振幅谱显示器、频率-波数谱显示器、τ-p谱显示器、偏移速度谱显示器、深度偏移成像图形显示器、反射剖面图形显示器、二维地质剖面图像显示器、三维地质剖面图像显示器、向导解释流程图显示器、菜单显示器、地震记录文件浏览器、文本浏览器、图文浏览器、简单文本编辑器和高级文本编辑器组成的矿井巷道超前探测仪器专用的图文显示与编辑系统。此层是专门根据矿井巷道超前探测仪器数据采集、波形显示、文件管理、编辑处理、分析处理、滤波处理、解释处理、向导解释和参数设置的需要设计的，其主要功能是为仪器图形用户界面开发提供通用的图形显示器和图文编辑器。其中，双相波形显示器是为地震记录波形数据显示设计的；单相波形显示器是为一维频谱显示设计的；平均振幅谱显示器是为三维地震记录波形数据的三分量平均振幅谱显示设计的；频率-波数谱显示器是为F-K谱显示设计的；τ-p谱显示器是为τ-p谱显示设计的；偏移速度谱显示器是为偏移速度谱显示设计的；深度偏移成像图形显示器是为深度偏移图像显示设计的；二维地质剖面图像显示器是为隧道和巷道二维地震地质剖面显示设计的；三维地质剖面图像显示器是为隧道和巷道三维地震地质剖面显示而设计的；向导解释流程图显示器是为隧道和巷道地质超前预报向导解释系统的向导解释流程显示设计的；文件浏览器是为仪器地震记录波形数据库中的地震记录文件目录显示设计的；菜单显示器是为仪器界面菜单显示与操作设计的；文本浏览器是为仪器图形用户界面纯文字文本显示设计的；图文浏览器是为仪器使用说明书、快速入门指南和技术应用指南等图文并茂的文本显示而设计的；简单文本编辑器是为仪器探测参数、分析参数、滤波参数、解释参数、显参、头参、和道参等设置设计的；高级文本编辑器是为文本编辑而设计的一套文字处理系统。因此，图形层中的图文显示与编辑器都是针对矿井巷道超前探测仪器图形用户界面实际需要设计的。
第五层是用户接口层(是GUI平台的最顶层)，是第三层(图形引擎层)和第四层(图形显示器层)的各种图形应用程序的应用编程接口(API)函数组成的。仪器应用程序系统中的应用程序通过这些接口函数调用GUI平台内的资源。
图1第三层中的三维地震数据处理算法库(SLIB)的体系结构如图3所示，其是本发明为矿井巷道超前探测仪器专门创建的一种地震记录波形数据处理算法系统架构。
图3所示三维地震数据处理算法库(SLIB)从原理上仍然采用的是分层设计方法，以便针对仪器的地震记录数据处理程序中的每个操作流程。采用这种分层设计方法的优势在于，每一层次算法模块都完成某一特定处理功能，并且能够在不影响其它层次的基础上针对不同的应用进行改编或重写。图3的每一层组成结构及功能如下第一层为编辑处理算法模块层，是由波形编辑算法模块、波形预处理算法模块和抽道与叠加合成算法模块组成的。其中，波形编辑算法模块内嵌有道充零、道复制、道移动、道叠加及其取消、道重排、道反相、道逆序、道切除和道删除算法子模块，其主要功能是为仪器的当前地震记录波形数据编辑处理工具提供编辑处理算法；波形预处理算法模块内嵌有零飘校正、切除背景噪声、道内振幅平衡、道间振幅平衡、自动与手动倍数浮点放大、自动和手动对数浮点放大、线性与抛物线插值二次采样、波组增强、微分和积分算法子模块，其主要功能是为仪器的当前地震记录波形数据编辑处理工具提供预处理算法；抽道与叠加合成算法模块内嵌有手工和自动抽道合成算法、手动和自动叠加合成算法子模块，其主要功能是为仪器的当前地震记录波形数据编辑处理工具提供抽道合成和叠加合成算法。
第二层为分析处理算法模块层，是由一维谱分析算法模块、平均振幅谱分析算法模块、二维谱分析算法模块、τ-p变换分析算法模块和偏移速度分析算法模块组成的，其主要功能是为仪器的当前地震记录波形数据分析处理工具提供各种谱分析算法，并且为后续的滤波处理算法提供基础。其中，一维谱分析算法模块内嵌有FFT分析正与逆变换算法模块；平均振幅谱算法模块内嵌的是一维、二维和三维地震数据均振幅谱分析算法；二维谱分析算法模块内嵌有F-K谱分析正与逆变换算法模块；τ-p变换分析算法模块内嵌有τ-p谱分析正与逆变换算法模块；偏移速度分析算法模块内嵌有基于网格的偏移速度谱分析算法模块。
第三层为滤波处理算法模块，是由一维时域滤波算法模块、一维频域滤波算法模块、无限冲激响应滤波算法模块、二维滤波算法模块、τ-p变换滤波算法模块、分段时变滤波算法模块、相关滤波算法模块、Q值计算模块和反Q滤波算法模块组成的，其主要功能是为仪器的当前地震记录波形数据滤波处理工具提供各种数字滤波算法。其中，一维时域滤波算法模块内嵌有理想、线性镶边、余弦镶边和三角波镶边四种褶积滤波算法子模块；一维频域滤波算法模块内嵌有理想、线性镶边、余弦镶边和三角波镶边四种频域滤波算法子模块；无限冲激响应滤波算法模块内嵌的是一种零相位IIR滤波算法；二维滤波算法模块内嵌的是频率-波数(F-K)域滤波算法；τ-p变换滤波算法模块内嵌的是τ-p域倾角滤波算法；分段时变滤波算法模块内嵌的是频率滤波算法(包括一维时域滤波算法、一维频域滤波算法和无限冲激响应滤波算法)；相关滤波算法模块内嵌的是一种零相位地震子波互相关算法；Q值计算模块内嵌的是基于频域的分时段Q值计算算法；反Q滤波算法模块内嵌的是基于分时段Q值的反Q滤波算法。此外，一维时域滤波算法模块、一维频域滤波算法模块、无限冲激响应滤波算法模块和二维滤波算法模块都集成有低通、高通、带通和带组四种滤波方式算法。
第四层为解释处理算法模块层，是由三维地震波形数据解释处理流程中所需要的全部算法模块组成的，其内集成有三维地震波形数据解释处理流程中所需要的数据奇异切除、解释窗口选取、零漂校正、背景噪声滤除、带通滤波、初至拾取、初至校成直线、直达波速计算、能量均衡、Q值计算、反射波提取(包括二维滤波、τ-p变换滤波和反Q滤波)、纵横波分离、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、隧道巷道二维地质剖面计算和隧道巷道三维地质剖面计算十六个模块组成的。此层是专门针对三维地震数据处理而设计的，因此其内嵌有与底层(图3中的第一层和第二层相同)相同名称的算法是在它们的基础上专门针对三维地震数据处理设计的。
图1的第四层应用程序层的体系结构如图4所示，其是本发明为矿井巷道超前探测仪器专门创建的一种三维地震波数据采集与处理解释应用软件系统架构，其主要特征是应用模块化设计思想构建可裁剪组件的层次化体系结构。
图4所示的仪器应用软件系统架构是一种集成有现场探测、文件管理、波形显示、编辑处理、分析处理、滤波处理、解释处理和向导解释的隧道和巷道地震数据采集与处理解释软件系统架构，其在原理上仍然采用分层设计方法，以便为仪器应用软件系统版本升级和维护时增减模块提供一个理想的体系结构架构。采用这种分层设计方法的优势在于，每一层次都是针对隧道和巷道地震波形的探测、管理、显示、编辑、分析、处理与解释的每一步骤，并且完成某一特定功能。每个层次能够在不影响其它层次的基础上针对不同的或新的隧道和巷道超前地质预报技术与方法的应用进行改编或重写。图4的每一层结构、功能和实现方法如下第一层为现场探测模块层，由巷道超前探测、保存默认探参、读取默认探参、读取厂商默认探参、保存探测记录和退出探测状态六个辅助工具模块组成的。其中，巷道超前探测模块内嵌有施工方法提示模块、现场背景噪声显示模块、探测参数设置模块、共激发点数据采集与显示模块、测点地震记录保存模块、测线地震记录显示和保存模块；后五个模块是现场探测使用的辅助工具模块。因此，此层的主要功能是完成地震波数据采集、显示和存储，所提供的现场探测工具是矿井巷道超前探测仪器必备的地震数据采集与存储工具，也是矿井巷道超前探测仪器的地震数据采集与处理工作必须进行的第一步操作所使用的工具。此层所提供的现场探测工具模块界面开发都是基于GUI平台(见图2)，由于采用了可裁剪组件的模块化结构，因此可以根据实际需要随时添加或删除现场探测工具模块。在现场探测工具模块编程的具体实施时，应该规范每一种施工方法和探测方法流程，并将每一种施工方法所使用的探测参数规范到同一探测参数设置标签中，这样可以使现场探测工具模块编程方法获得统一，从而为现场探测工具模块的添加、改编或重写提供方便。
第二层为文件管理模块层，由文件操作与转储模块、文件浏览器和文件参数编辑器组成的。文件操作与转储模块是由文件夹管理、常规文件管理、文件转储操作和操作撤销四个模块组成的。其中，文件夹管理模块内嵌有地震记录文件夹的创建、删除、复制、移动和改名子模块，其主要功能是对仪器地震记录波形数据库中的地震记录文件夹进行管理；常规文件管理模块内嵌有地震记录文件的打开、关闭、保存、另存、复制、删除、恢复、清除、改名、移动和拼接子模块，其主要功能是对仪器地震记录波形数据库中的地震记录文件进行管理；文件转储操作模块内嵌有U盘挂载和卸载模块，其主要功能是挂载插接在仪器上的通用U盘，并且将U盘的存储空间当作仪器地震记录波形数据库一部分，这样就可以利用文件夹管理模块和文件管理模块中的复制和移动工具模块实现地震记录文件转储；操作撤销模块的主要功能是实现当前操作的回退和前进，以便回到上一步或下一步的操作结果。文件浏览器内嵌的是地震记录波形数据库地震记录文件目录的图形化树状层次结构文件浏览器，可以讯速浏览和打开保存在地震记录波形数据库中的地震记录文件。文件参数编辑器内嵌有地震记录文件的显示参数编辑器、文件头参和道参编辑器三个子工具模块，可以快速地修改当前地震记录文件的显参、头参和道参。因此，此层次所提供的文件管理工具主要功能是对存储在仪器地震记录波形数据库或U盘中的地震记录文件进行管理。此层次所提供的文件管理工具是矿井巷道超前探测仪器必备的，也是隧道和巷道地质超前预报地震数据的采集与处理工作必须进行的第二步操作所使用的工具。存储在地震记录波形数据库中的地震记录文件可以是来自现场探测工具模块的原始记录，也可以是原始记录经过预处理和数字滤波处理后新地震记录。由于所提供的大部分工具模块都是针对地震记录波形数据库，因此在实际开发时应该先建立仪器的地震记录波形数据库。此层次的所有文件管理工具模块的界面开发都基于GUI平台(见图2)。
第三层为波形显示模块层，由波形显示参数设置工具、波形显示控制工具、波形显示浏览工具和默认工具模块组成的。其中，波形显示参数设置工具模块内嵌有当前地震记录波形显示参数设置工具，此参数设置工具可以设置与当前地震记录波形数据显示相关的参数，包括屏幕显示、刻度显示、标度显示、重叠显示、波形显示、光标显示、道选显示、段选显示、点选显示和单位显示十种参数，其主要功能是通过参数设置的方式来控制显示在波形窗中的当前地震记录波形显示方式与显示颜色；波形显示控制工具模块内嵌有当前地震记录波形显示的样点显示控制、道数显示控制、全屏显示控制和全屏正常显示四个模块，其主要功能是控制波形窗中的地震记录波形显示的道数和样点数；波形显示浏览工具内嵌有当前地震记录波形显示的光标移动、翻屏、道选、段选和点选操作与显示模块，其主要功能是浏览显示在波形窗中地震记录波形并且选择波形数据道、段和点，以便为后续的地震记录波形数据处理提供基础；默认工具模块内嵌有读取厂商默认显参、保存用户默认显参和读取用户默认显参模块，其主要功能是通过保存在仪器默认参数库中显示参数快速控制波形窗中的地震记录波形显示方式和显示颜色。因此，此层次所提供的波形显示工具主要功能是控制与浏览显示在波形窗中的地震记录波形数据。此层所提供的波形显示工具是矿井巷道超前探测仪器必备的，是隧道和巷道地质超前预报地震数据的采集与处理工作必须进行的第三步操作所使用的工具。波形显示模块的界面开发是完全基于GUI平台(见图2)。具体地讲，是基于GUI平台中的双相波形显示器、简单文本编辑器和菜单显示器(见图2中的第四层图形显示器层)。
第四层为编辑处理模块层，是由选择取消模块、波形编辑模块、波形预处理模块和抽道与叠加合成模块组成的。其中，选择取消模块内嵌有当前地震记录波形的道选择取消、道全部选择和取消选择工具模块，其主要功能是为显示在波形窗中地震记录波形提供快速道选工具；波形编辑模块内嵌有当前地震记录波形的道充零、道复制、道移动、道叠加及其取消、道重排、道反相、道逆序、道切除和道删除工具模块；其主要功能是为显示在波形窗中地震记录波形数据不正常的道、道序和数据段提供编辑工具；波形预处理模块内嵌有零飘校正、切除背景噪声、道内振幅平衡、道间振幅平衡、浮点放大、二次采样、波组增强、微分与积分工具模块，其主要功能是为显示在波形窗中的地震记录波形数据提供预处理工具；抽道与叠加合成模块内嵌有当前地震记录波形的手动和自动抽道合成工具模块以及手动和自动叠加合成工具模块，其主要功能是为显示在波形窗中的地震记录波形数据提供抽道合成和叠加合成为一个或数个新的地震记录文件的合成工具。因此，此层次所提供的编辑处理工具主要功能是对所显示的当前地震记录波形数据进行编辑和预处理。此层所提供的编辑处理工具是隧道和巷道地质的探测与处理工作必须进行的第四步操作所使用的工具。此层次的所有工具模块及其界面开发都是基于GUI平台(见图2)和波形数据处理算法库(见图3)。
第五层为分析处理模块层，是由一维谱分析模块、平均振幅谱分析模块、二维谱分析模块、τ-p变换分析模块和偏移速度分析模块组成的。每个谱分析模块都是由分析参数设置工具模块、分析处理算法模块和相应的谱显示器模块组成的。其中，一维谱分析模块的主要功能是为后续一维频率滤波处理模块(包括一维时域滤波、一维频域滤波和无限冲激响应滤波处理工具模块)提供最佳的滤波参数；平均振幅谱分析模块的主要功能是也是为后续一维频率滤波处理模块提供最佳的滤波参数，只不过所显示频谱是多道叠加的平均振幅谱；二维谱分析模块的主要功能是为后续二维滤波处理工具模块提供最佳的滤波参数；τ-p变换分析模块的主要功能是为后续的τ-p变换滤波处理工具模块提供最佳的滤波参数；偏移速度分析模块的主要功能是为后续深度偏移成像工具提供最佳的偏移速度。因此，此层次所提供的分析处理工具主要功能是为后续的滤波处理和解释处理提供最佳的滤波参数和速度参数。显然，此层所提供的分析处理模块是进行隧道和巷道地质超前预报地震数据滤波处理和解释处理前必须使用的工具，也是隧道和巷道地质超前预报地震数据的采集与处理工作必须进行的第五步操作所使用的工具。此层次的分析处理算法开发是完全基于波形数据处理算法库第二层所提供的分析算法模块(见图3)，分析参数设置工具模块和分析处理结果显示模块开发是基于GUI平台第四层中的图形显示器(见图2)。
第六层为滤波处理模块层，是由一维时域滤波、一维频域滤波、无限冲激响应滤波、二维滤波、τ-p变换滤波、分段时变滤波和相关滤波、Q值计算和反Q滤波处理工具模块组成的，前四类滤波处理工具模块都集成有低通、带通、高通和带阻四种滤波方式。每个滤波处理工具模块都内嵌有滤波参数设置模块、滤波算法模块和滤波结果显示模块。其中，一维时域滤波工具模块内嵌有理性、线性镶边、余弦镶边和三角波镶边四种褶积滤波工具模块；一维频域滤波工具模块内嵌有理性、线性镶边、余弦镶边和三角波镶边四种频域滤波工具模块；分时段滤波工具模块内集成有一维时域滤波、一维频域滤波和无限冲激响应分段滤波算法模块。此层次所提供的一维时域滤波、一维频域滤波和无限冲激响应滤波模块都属于频率滤波工具模块，其主要功能是压制地震信号中在频谱上可以分离干扰波并突出有效地震波；二维滤波工具模块的主要功能是压制地震信号中在频率-波数谱上可以分离干扰波并突出有效地震波；τ-p变换滤波工具模块的主要功能是压制地震信号中在τ-p谱上可以分离的干扰波突出有效地震波；分段时变滤波工具模块的主要功能是对地震记录各道波形数据进行分时间段滤波处理，以便分段压制干扰波突出有效波；相关滤波处理工具模块的主要功能是滤除地震记录波形数据中的随机干扰波；Q值计算工具模块的主要功能是为反Q滤波处理工具提供分时段的Q值表；反Q滤波处理工具的主要功能是提高位于续至区的反射波幅度。因此，此层次所提供的滤波处理工具模块的主要功能是提取当前地震记录波形数据中的有效波压制影响后续解释处理结果的干扰波。此层所提供的滤波处理软件模块是地震数据处理的关键工具，也是隧道和巷道地质超前预报地震数据的采集与处理工作必须进行的第六步操作所使用的工具。此层次的滤波处理算法开发是完全基于波形数据处理算法库第三层所提供的滤波算法模块(见图3)，滤波参数设置工具模块和滤波处理结果显示模块是开发基于GUI平台第四层中的图形显示器(见图2)。
第七层为解释处理模块层，是由数据奇异切除、解释窗口选取、零漂校正、背景噪声滤除、带通滤波、初至拾取、初至校正成线、直达波速计算、能量均衡、Q值计算、反射波提取(包括二维滤波、τ-p变换滤波和反Q滤波)、纵横波分离、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、二维地质剖面和三维地质剖面十七个工具组成的。每个工具都是为巷道和隧道地质超前预报三维地震数据解释处理流程中每一个环节所需要的处理与显示手段设计的，这些工具集成在一起形成了完整的巷道和隧道地质超前预报三维地震数据解释处理系统。其中，数据奇异切除工具主要功能是切除位于三维地震数据记录道上的明显奇异数据(如管道波数据等)；解释窗口选取工具主要功能是选取进行解释处理的地震记录有效数据段以便节约后续处理的运算时间；零漂校正工具主要功能是校正地震波形数据的直流偏移；背景噪声滤除工具主要功能是压制地震记录上随机噪声信号；带通滤波工具主要功能是限制地震记录信号的频率将有用信号从干扰信号中分离出来，此处的带通滤波内嵌的是一种三维地震数据带通滤波算法；初至拾取工具主要功能是确定每道纵波初至时间；初至校正成线工具主要功能是将所拾取的初至点校正成一条直线；直达波速计算工具主要功能是计算直达纵波和横波的速度，以便为围岩石参数计算和后续的偏移速度分析提供基础；能量均衡工具主要功能是补偿各道由于每炮放炮的能量不同而造成的地震波能量的差异；Q值计算工具主要功能是获得被测地质体分时段品质因子参数表，以便为反Q滤波处理工具提供基础；反射波提取工具主要功能是提取地震记录信号中有效的反射波，其内嵌有三维地震数据的二维滤波、τ-p变换滤波和反Q滤波工具，其中二维滤波和τ-p变换滤波工具主要功能是滤除地震记录波形中的干扰波(包括面波、直达波和折射波等)提取有效的反射波，反Q滤波工具主要功能是补偿被测地质体滤波作用所造成的反射波振幅和频率的衰减；纵横波分离工具主要功能是将三维地震数据中的纵波和横波的转换波分离，以便保证后续的成像效果和超前预报精度；偏移速度分析工具主要功能是获得纵波和横波的偏移速度谱，以便确定最佳的偏移速度参数，从而为深度偏移提供基础；深度偏移成像工具主要功能是基于偏移纵横波速画出深度偏移成像剖面；反射界面提取工具主要功能是利用图像处理分隔算法从深度偏移成像结果中提取较强的纵波和横波反射界面；二维地质剖面工具主要功能是根据反射界面确定隧道和巷道掌子面前方异常地质体界面的位置与倾角，并且绘制其二维地质剖面；三维地质剖面工具主要功能是根据纵横波反射界面确定隧道和巷道掌子面前方异常地质体界面的空间位置与倾角，并且绘制其三维地质剖面。因此，第七层所提供的解释处理工具主要功能是对当前地震记录波数据进行解释处理并获得最终结果。此层所提供的解释处理工具是隧道和巷道地质超前预报地震数据的采集与处理工作必须进行的第七步也是最后一步操作所使用的工具。此层所提供的各种解释处理工具模块的算法开发是完全基于波形数据处理算法库第四层所提供的各种解释处理算法模块(见图3)，解释参数设置工具模块和解释处理结果显示模块开发是基于GUI平台第四层中的图形显示器(见图2)。
第八层为向导解释模块层，是由第四层(编辑处理)、第五层(分析处理)、第六层(滤波处理)和第七层(解释处理)工具集成到一个流程图中而形成的一种完整解释处理系统。流程图中的每个工具模块都按照隧道和巷道地质超前预报地震数据处理与解释流程所需要的工具制作的。此层内嵌有三维地震数据奇异切除、解释窗口选取、零漂校正、背景噪声滤除、平均振幅谱分析、带通滤波、初至拾取、初至校正成线、直达波速计算、能量均衡、Q值计算、二维谱分析与滤波、τ-p变换分析与滤波、反Q滤波、纵横波分离、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、二维地质剖面和三维地质剖面等二十二个工具模块提示节点框图，每个节点框图对应一个集成有参数设置模块(若有的话)、处理算法模块和处理结果显示模块的工具模块。解释处理流程图模块中的解释处理算法是完全基于波形数据处理算法库第四层所提供的各种解释处理算法模块(见图3)，解释参数设置模块和解释处理结果显示模块开发是基于GUI平台的第三层和第四层(见图2)。由于向导解释工具是将隧道和巷道地质超前预报地震数据处理与解释过程中所需要的显示、编辑、预处理、分析、滤波与解释工具按一定的程序规则集成到一个全图形化的流程图中，用户只需要根据此流程图按顺序进行操作就可获得最终正确的解释结果，从而大大简化了隧道和巷道地质超前预报解释处理工作，也为非专业地震勘探工作者提供了一个明确清晰的解释流程，解决了用户在地震勘探资料解释处理方面难题。
本发明所述应用软件系统体系结构除了提供上八层次的探测与处理模块外，还提供有两个仪器操作和使用辅助工具模块，包括常用工具模块和使用帮助工具模块。常用工具模块是由常用辅助工具模块、仪器自检测试工具模块、仪器参数设置工具模块和常用速度换算工具模块。其中，常用辅助工具模块内嵌有简单计算器和记事本，简单计算器主要是为现场探测计算方便设计的，记事本主要是为现场踏勘和现场探测资料记录方便设计的；仪器自检测试工具模块内嵌有地震记录波形数据库容量检测、电池电量检测、键盘测试等工具；仪器参数设置工具模块内嵌有机内实时时钟设置等工具；常用速度换算工具模块内嵌有地震记录解释处理中常用几种速度换算工具。使用帮助工具模块内嵌有快速入门手册、使用说明书、技术应用指南和关于制造商四个图文浏览器，其主要功能是为用户提供在线使用帮助文本，以方便用户使用与操作仪器。无论是常用工具模块还是使用帮助工具模块开发都是基于GUI平台(见图2)。
权利要求
1.一种基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，其特征在于该装置的软件体系结构包括引导加载程序模块层、嵌入式Linux操作系统内核模块层、应用组件模块层、应用程序模块层及应用数据库层五个不同层次、相互关联的模块第一层为引导加载程序模块层，其由板级驱动程序、引导加载程序和监控程序组成的，采用遵循GPL条款的开放源码项目的通用引导加载程序U-Boot，通过配置和移植构成适合于矿井巷道超前探测仪器主机硬件系统平台的引导加载程序，编译后烧写到硬件系统平台上Flash存储器的引导区中；第二层为嵌入式Linux操作系统内核模块层，由板级支持包、进程调度系统、文件系统、存储系统、设备系统和网络系统组成的，采用开放源码的嵌入式Linux操作系统MontaVistaLinux、BlueCat Linux、EDLK或RTLinux，根据矿井巷道超前探测仪器主机硬件系统平台修改其板级支持包中的相关驱动程序，配置和编译成小型嵌入式Linux操作系统内核，通过以太网和仪器主机硬件系统平台上的引导加程序写到仪器主机硬件系统平台上Flash存储器的Linux内核存储区中；第三层为应用组件模块层，其是由系统应用程序、C链接库、图形用户界面平台和三维地震数据处理算法库组成的，其中，SA存放在根文件系统的目录下；CLib存放在根文件系统的目录下；GUI和SLIB存放在根文件系统的目录下；第四层为应用程序模块层，其是由现场探测软件、文件管理软件、波形显示软件、编辑处理软件、分析处理软件、滤波处理软件、解释处理软件、向导解释软件、常用工具软件和使用帮助软件模块组成的矿井巷道超前探测仪器专用的应用软件系统，存放在根文件系统的目录下；第五层为应用数据库层，其是由图形界面图像库、系统参数库、地震记录波形数据库、默认参数库和说明书文本库组成的，作为应用程序定制的专用数据库，在仪器主机硬件系统平台Flash存储器中专门开辟一个大容量数据存储区作为其存储空间。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，其特征在于所述的第三层中的波形数据处理算法库是由编辑处理算法模块层、分析处理算法模块层、滤波处理算法模块、解释处理算法模块层这四个不同层次、相互关联的处理算法模块组成的可裁剪组件的层次化体系结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，其特征在于所述的第四层的应用程序模块层是由现场探测模块层、文件管理模块层、波形显示模块层、编辑处理模块层、分析处理模块层、滤波处理模块层、解释处理模块层及向导解释模块层这八个不同层次、相互关联的工具模块组成的可裁剪组件的层次化体系结构。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，其特征在于所述的第四层的应用程序模块层还提供有两种辅助工具模块，即常用工具模块和使用帮助模块，其中，常用工具模块内嵌有常用辅助工具模块、仪器自检测试工具模块、仪器参数设置模块和常用速度换算模块；使用帮助工具模块内嵌有快速入门指南、使用说明书、技术应用指南和关于制造商图文浏览器，两种辅助工具模块界面都是基于GUI平台开发的。
全文摘要
本发明提供一种基于嵌入式Linux的矿井巷道超前探测仪软件体系结构的装置，该装置的软件体系结构包括引导加载程序模块层、嵌入式Linux操作系统内核模块层、应用组件模块层、应用程序模块层及应用数据库层五个不同层次、相互关联的模块，采用该软件体系结构的装置不仅可以解决操作系统占用仪器的存储空间大的问题，而且能够较理想地实现数据采集和处理软件一体化集成及其维护和升级问题。
文档编号G06F17/00GK101082677SQ20071000918
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者林学龙 申请人:福州华虹智能科技开发有限公司