CN102136872B - 超声波载波信息通讯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属煤矿井下通讯系统领域，尤其涉及一种煤矿井下 超声波载波信息通讯系统，包括主叫控制部分、 超声波能量传输系统及 被叫控制部分；主叫控制部分包括模拟信号处理模块、A/D转换模块、数字/图像信息处理模块、FPGA模块及超声波功率放大器模块； 所述 被叫控制部分包括 频率跟踪/数字解码模块、 D/A 转换模块、音频信号处理模块及数字/图像信息输出模块； 本发明能够在井下发生事故后，在一切通讯手段失效后，不受爆炸、塌方等环境因素影响的 超声波载波信息通讯系统。 该系统不仅在爆炸、塌方等事故后能够满足井上、井下双向通讯，而且能自动传递氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、温度等传感器的数字信号。

Description

超声波载波信息通讯系统
技术领域
本发明属应急通讯系统领域，尤其涉及一种矿业超声波载波信息通讯系统。
背景技术
目前，随着能源问题的突出，煤矿事故攀升，煤矿救援设备突显出来。煤矿发生事故后井上井下通讯问题已成为一个世界难题。瓦斯爆炸、塌方、水、火事故发生后，所有的通讯手段全部失去效力，在能源问题突出，矿难无法遏制的形式下，强化救援、救生设备的同时，井下事故后的通讯保障系统早已摆在煤炭、矿业、国家安全监管、煤炭科研部门面前。井下事故后的通讯困难在于有线系统的线路遭到破坏而信号中断，无线系统、小灵通系统的信号在巷道堵塞、中继站破坏、电源中断等任何一种情况下都会造成通讯系统瘫痪。时有线系统中断、无线信号无法传递的情况下，如何进行井上井下双向通讯问题一直困扰了科研部门几十年。解决井下事故后的通讯，已经想尽了一切办法，但是收效甚微。
现在井下通讯手段有有线电话、无线电话、小灵通系统、读卡器人员井下定位系统等等，在正常生产中使用是没有问题的。一但发生事故,特别是瓦斯爆炸事故，上述设备难以抵御爆炸力的摧毁，使得通讯全部中断。在事故后的应急通信手段目前应用的如：电磁感应通讯、长波通讯等。电磁感应通讯是依靠已经被事故后破坏的残余电缆，利用原有的通讯设备感应通讯，这种方法并不是100%可靠。长波通讯以美国为例，美国投入巨资，建立大功率长波通讯发射装置，虽然信号能够穿透到地下1000多米深处，但是在井下仅仅是单向接受，而不能向地上传递信息。恰恰相反，事故发生后，不是井下要了解井上的信息而是井上急切想知道井下的信息。另外建立大功率长波电台，地面上需要架设数十以至数百公里的天线才能够达到穿透到地下几百米深处的井下。因此,美国的大功率长波单向通讯也不是最佳解决办法。
在井下事故发生后，一切通讯手段都瘫痪的情况下，井下情况不明，待救人员数量、位置，事故发生位置、井下各处的空气质量都是救援前必须了解清楚的事项，冒然救援有可能发生再次事故，花费时间了解井下情况则延误救援的宝贵时间，事故后的井下通讯一直是井下事故救援的首要问题。为了有效的降低煤矿井下发生灾害时的死亡人数，寻求解决一种能够抗御井下事故的通讯技术是目前世界各国都没有解决的问题。急需研制出具有有效抵御井下灾害事故对通讯系统的破坏，能够双向通讯的事故后通讯保障系统，这对我国煤矿生产安全将产生积极的作用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种能够在矿业和其它行业突发事故后，在一切通讯手段失效后，不受爆炸、塌方等环境因素影响的超声波载波信息通讯系统。该系统不仅在爆炸、塌方等事故后能够满足井上、井下双向通讯，而且能自动传递氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、温度等传感器的数字信号和图片图像信号。
为达到上述目的，本发明是这样实现的：超声波载波信息通讯系统，其包括主叫控制部分、超声波能量传输系统及被叫控制部分；所述主叫控制部分包括模拟信号处理模块、A/D转换模块、数字/图像信息处理模块、FPGA模块及超声波功率放大器模块；所述模拟信号处理模块的输出端口经A/D转换模块与FPGA模块的输入端口相接；所述数字/图像信息处理模块的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口经超声波功率放大器模块与超声波能量传输系统的超声波发射传感器的端口相接；所述被叫控制部分包括频率跟踪/数字解码模块、D/A转换模块、音频信号处理模块及数字/图像信息输出模块；所述超声波能量传输系统的超声波接收传感器的端口接频率跟踪/数字解码模块的端口；所述频率跟踪/数字解码模块的输出端口一路接数字/图像信息输出模块，另一路经D/A转换模块接音频信号处理模块的输入端口。
作为一种优选方案，本发明所述超声波能量传输系统包括超声波传递介质、超声波发射传感器及超声波接收传感器；所述超声波发射传感器与超声波接收传感器的端口分别与超声波传递介质的端口固定相接。
作为另一种优选方案，本发明所述超声波传递介质可选择金属。
进一步地，本发明所述超声波发射传感器包括发送端本体；在所述发送端本体的一端固接发送端超声波振子；在所述发送端本体的另一端固接超声波传递介质；所述超声波接收传感器包括接收端本体；在所述接收端本体的一端固接接收端超声波振子；在所述接收端本体的另一端固接超声波传递介质。
更进一步地，本发明在所述发送端超声波振子及接收端超声波振子的端部依次分别固接发送端匹配器及接收端匹配器。
另外，本发明所述超声波传递介质根据需要可选择圆柱型，其横截面的直径为4mm～70mm。
本发明所述发送端超声波振子所发射的超声波为纵波；所述接收端超声波振子所接收的超声波为纵波。
本发明系统采用能够抵御爆炸、塌方、冒水、燃烧等强井下事故，即使扭曲、掩埋、高温、水浸不影响正常通讯的钢质材料为信号通道，传递超声波信号。在井下发生矿难事故后，在一切通讯装置瘫痪的情况下，本发明系统会发挥重要的应急通讯作用。本系统不仅在爆炸、塌方等事故后能够满足井上、井下双向通讯，而且能自动传递氧气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、温度等传感器的数字信号。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明发送端换能器结构示意图。
图3为本发明接收端换能器结构示意图。
图4为本发明的系统结构原理框图。
图中：1为超声波传递介质；2为超声波发射传感器；3为超声波接收传感器；401为发送端超声波振子；402为接收端超声波振子；501为发送端本体；502为接收端本体；601为发送端匹配器；602为接收端匹配器；701为振子极片；702为振子极片。
具体实施方式
如图所示，超声波载波信息通讯系统，其特征在于，包括主叫控制部分、超声波能量传输系统及被叫控制部分；所述主叫控制部分包括模拟信号处理模块、A/D转换模块、数字/图像信息处理模块、FPGA模块及超声波功率放大器模块；所述模拟信号处理模块的输出端口经A/D转换模块与FPGA模块的输入端口相接；所述数字/图像信息处理模块的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口经超声波功率放大器模块与超声波能量传输系统的超声波发射传感器的端口相接；所述被叫控制部分包括频率跟踪/数字解码模块、D/A转换模块、音频信号处理模块及数字/图像信息输出模块；所述超声波能量传输系统的超声波接收传感器的端口接频率跟踪/数字解码模块的端口；所述频率跟踪/数字解码模块的输出端口一路接数字/图像信息输出模块，另一路经D/A转换模块接音频信号处理模块的输入端口。
模拟信号处理模块主要处理音频信号。A/D转换模块主要将音频信号转换成数字信号。数字/图像信息处理模块与仪表输出接口相匹配。FPGA模块为执行处理模拟信号、数字信号、信号编码、压缩、解调、纠错、运算的系统。超声波功率放大器模块对载波信号提供推动功率。
频率跟踪/数字解码模块具有接收超声波频率变化跟踪功能并可对接收的数字信号进行解码还原。D/A转换模块主要将解码还原的音频数字信号转换成模拟信号。音频信号处理模块对还原的音频信号进行放大。数字/图像信息输出模块将仪表信号数码显示，将图形/图像信号还原为可视信号。
本发明所述超声波能量传输系统包括超声波传递介质1、超声波发射传感器 2及超声波接收传感器3 ；所述超声波发射传感器2与超声波接收传感器3的端口分别与超声波传递介质1的端口固定相接。
本发明所述超声波传递介质1为金属。
本发明所述超声波发射传感器2包括发送端本体501；在所述发送端本体501的一端固接发送端超声波振子401；在所述发送端本体501的另一端固接超声波传递介质1；所述超声波接收传感器3包括接收端本体502；在所述接收端本体502的一端固接接收端超声波振子402；在所述接收端本体502的另一端固接超声波传递介质1。
本发明在所述发送端超声波振子401及接收端超声波振子402的端部依次分别固接发送端匹配器601及接收端匹配器602。
本发明所述超声波传递介质1为圆柱型，其横截面的直径为4mm～70mm。
目前应用压电陶瓷电转力特性的有：测距、探伤、清洗、焊接、医疗B超等；应用力转电特性的有：压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置等。但是这些都是单一的利用压电陶瓷的电转力或者力转电单一特性。本发明是利用压电陶瓷的电转力，力转电综合电特性，采用超声波电转力特性使产生超声波机械振动，这些特性已经被广泛的应用到测距、探伤、焊接、电火、鱼群探测、医疗B超等各个领域。因为超声波的频带相对较窄，不适宜做音频和数据载波，在应用于通讯领域认为不可能，所以不予考虑，没有被应用到通讯领域。
本发明利用超声波的综合特性应用于信息通讯，传输音频信号和图像、图形、数据等新领域。
本发明方法是：将拾音器音频信号经过A/D转换和数据信号进行编码压缩，经超声波功率放大载波，推动安装在金属介质一端的超声波发射/接收换能器，输出到金属介质。因为金属介质的超声波传输速度快、损耗低，所以可以传输到1000米到10000米的距离，如果延长传输距离可以采用中继站的方式无限加长。在接收端同样安装超声波发射/接收换能器接收通过金属介质传输过来的机械振动波。经过解压缩解码、纠错、输出数字数据信号，还原数据或者图像、图形。经过D/A转换将音频信号还原，经放大后由扬声器输出。
本发明通过金属介质的一端将产生的载有经处理信息信号的超声波机械振动传输到远距离的另一端，在另一端经超声波换能器（超声波接收传感器）将接收到载有信息的超声波机械振动能量经还原转换为信息信号，达到远距离金属导体超声波载波输送信息的目的。而且发射/接收是互换的，所以可以单工双向通讯。如果双工双向通讯要敷设两条金属介质线。
超声波传递介质为金属体，传递速度最快，效率最高。金属体传递纵波能量集中，远距离传输中损耗小是传输载体的最佳选择，金属体更具有良好的机械强度。传输金属体可以通往地下矿井、海底深水、燃烧的火焰、行驶各种车辆的路面、塌方岩石掩埋，在爆炸现场只要不炸断任何扭曲和变型都不会影响正常传输超声波纵波功能。
金属体的两端分别连接发送端与接收端（超声波发射传感器及超声波接收传感器），发送端通过换能器（超声波发射传感器）将电磁波转换为机械波，机械波在金属体内向接收端传输，接收端将机械波再转换为电磁波。这种方法在传输电能的同时，信息信号通过编码由超声波载波传递，经解码还原信息信号达到通讯目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.超声波载波信息通讯系统，其特征在于，包括主叫控制部分、超声波能量传输系统及被叫控制部分；
所述主叫控制部分包括模拟信号处理模块、A/D转换模块、数字/图像信息处理模块、FPGA模块及超声波功率放大器模块；所述模拟信号处理模块的输出端口经A/D转换模块与FPGA模块的输入端口相接；所述数字/图像信息处理模块的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口经超声波功率放大器模块与超声波能量传输系统的超声波发射传感器的端口相接；
FPGA模块为执行处理模拟信号、数字信号、信号编码、压缩、解调、纠错、运算的系统；超声波功率放大器模块对载波信号提供推动功率；模拟信号处理模块主要处理音频信号；A/D转换模块主要将音频信号转换成数字信号；
所述被叫控制部分包括频率跟踪/数字解码模块、D/A转换模块、音频信号处理模块及数字/图像信息输出模块；所述超声波能量传输系统的超声波接收传感器的端口接频率跟踪/数字解码模块的端口；所述频率跟踪/数字解码模块的输出端口一路接数字/图像信息输出模块，另一路经D/A转换模块接音频信号处理模块的输入端口；
所述频率跟踪/数字解码模块具有接收超声波频率变化跟踪功能并可对接收的数字信号进行解码还原；D/A转换模块主要将解码还原的音频数字信号转换成模拟信号；音频信号处理模块对还原的音频信号进行放大；数字/图像信息输出模块将仪表信号数码显示，将图形/图像信号还原为可视信号；
所述超声波能量传输系统包括超声波传递介质（1）、超声波发射传感器（2）及超声波接收传感器（3）；所述超声波发射传感器（2）与超声波接收传感器（3）的端口分别与超声波传递介质（1）的端口固定相接。
2.根据权利要求1所述的超声波载波信息通讯系统，其特征在于：所述超声波传递介质（1）为金属。
3.根据权利要求2所述的超声波载波信息通讯系统，其特征在于：所述超声波发射传感器（2）包括发送端本体（501）；在所述发送端本体（501）的一端固接发送端超声波振子（401）；在所述发送端本体（501）的另一端固接超声波传递介质（1）；所述超声波接收传感器（3）包括接收端本体（502）；在所述接收端本体（502）的一端固接接收端超声波振子（402）；在所述接收端本体（502）的另一端固接超声波传递介质（1）。
4.根据权利要求3所述的超声波载波信息通讯系统，其特征在于：在所述发送端超声波振子（401）及接收端超声波振子（402）的端部依次分别固接发送端匹配器（601）及接收端匹配器（602）。
5.根据权利要求1～3之任一所述的超声波载波信息通讯系统，其特征在于：所述超声波传递介质（1）为圆柱型，其横截面的直径为4mm～70mm。
6.根据权利要求5所述的超声波载波信息通讯系统，其特征在于：所述发送端超声波振子（401）所发射的超声波为纵波；所述接收端超声波振子（402）所接收的超声波为纵波。
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