CN105513332A - 一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统；包括：输入模块、处理模块、发射模块和接收模块；所述输入模块用于进行交流电压信号的输入和通信信号的输入；所述处理模块用于对输入的所述交流电压信号和所述通信信号进行信号格式转换和处理以得到适用于传输的格式的信号，并将进行格式转换和处理后得到的信号发送至所述发射模块；所述发射模块与所述接收模块通过磁耦合谐振的方式完成电能与通信信号的发送与接收工作，进而实现电能的传输以及实现信息的交互；具有能够为在环境恶劣条件下的地震勘探器件进行无线供电以及同步获取采集的地质信息的积极效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统。
背景技术
地震勘探是人们了解和认识地下矿产资源的重要途径之一，是一个比较完备的系统工程，需要采集、处理和解释三个环节的密切配合。其中，野外数据采集是整个地震勘探中重要的基础性工作，是指在野外进行地震数据收集工作，处在地震勘探诸环节的首位，是整个环节的核心部分，原始地震数据采集质量的好坏直接决定了室内数据处理和资料解释成果的质量。
在地震勘探的野外数据采集中，地震勘探野外采集系统是接收记录地震波必不可少的工具，是一种集精密传感技术、电子技术和计算机技术为一体的组合转置。采集系统装置中包含大量的接收和传播数据仪器，以便于进行信息及数据的接收及传播，各仪器相互配合，协调进行，共同完成数据采集工作，其中，最主要的为检波器、交叉站和采集系统工作站。
通常情况下，勘探区块较大，数据采集时间较长，为了信息及数据接收的可靠性，在进行信息传输的同时，检波器等数据接收及传播仪器均需要进行持续供电；并且，目前在野外施工过程中，蓄电池是常用的充电设备，但蓄电池过于沉重，携带不便，且需要有线设备进行连接，其安装操作及运输工作过于繁琐，且电能传输效率和信息保真度较低，影响地震采集数据质量，给地震勘探工作带来不便，同时地震勘探经常需要在一些条件比较恶劣的环境中展开，为数据信息的采集及传输工作也带来了诸多不便。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，达到实现电能和信息同时传输、方便地震勘探工作展开的目的。
为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，包括：输入模块、处理模块、发射模块和接收模块；
所述输入模块用于进行交流电压信号的输入和通信信号的输入；
所述处理模块用于对输入的所述交流电压信号和所述通信信号分别进行信号格式转换和处理以得到适用于传输的格式的信号，并将进行格式转换和处理后得到的信号发送至所述发射模块；
所述发射模块与所述接收模块通过磁耦合谐振的方式完成电能与通信信号的发送与接收工作，进而实现电能的传输以及实现信息的交互。
所述处理模块包括：第一逆变电路单元；
所述第一逆变电路单元用于将所述交流电压信号变换为第一电磁波频率信号。
所述处理模块，还包括：信息编码与处理单元；
所述信息编码与处理单元用于将所述通信信号进行编码得到编码信号，并将所述编码信号进行处理得到第二电磁波频率信息号。
所述处理模块，还包括：频率调制单元；
所述频率调制单元用于将其接收到的第一电磁波频率信号调制到电能传输适用的频率段；
所述频率调制单元还用于将其接收到的第二电磁波频率信号调制到通信信号传输适用的频率段；
所述频率调制单元将其调制后得到的频率信号发送至所述发射模块。
所述发射模块包括：源线圈与发射线圈；
所述接收模块包括：接收线圈和负载线圈；
所述发射线圈与所述接收线圈之间设置有左手材料介质基板。
所述发射线圈与所述接收线圈均具有双谐振频率点，所述双谐振频率点包括：高频率谐振点和低频率谐振点；
其中，所述高频率谐振点用于通信信号的传输，所述低频率谐振点用于电能的传输。
优选的，所述频率调制单元用于：
将所述第二电磁波频率信号调制到与所述高频率谐振点相匹配的高频段；将所述第一电磁波频率信号调制到与所述低频率谐振点相匹配的低频段。
优选地，所述输入模块包括：阻抗匹配网络单元；
所述阻抗匹配网络单元位于源线圈前端；
所述阻抗匹配网络单元包括：无源匹配网络，所述无源匹配网络包括：电容和电感；
或者，
所述阻抗匹配网络单元包括：有源匹配网络，所述有源匹配网络包括：由有源、无源器件组成的源极跟随器、射极跟随器和缓冲器。
所述接收模块，还包括：相干解调单元；
所述相干解调单元用于将接收模块接收到的第二电磁波频率信号进行处理得到编码信号，并将所述编码信号进行相干解调，得到原始通信信号。
所述接收模块，还包括：第二逆变电路单元；
所述第二逆变电路单元用于将所述第一电磁波频率信号转换为交流电压信号。
本发明实施例所提供的一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，发射模块与接收模块之间通过磁耦合谐振的方式实现电能的传输以及实现信息的交互，为在环境恶劣条件下的地震勘探器件进行无线供电以及同步获取采集的地质信息，具有能够极大方便地震勘探工作展开的积极效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明一个实施例提供的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统结构示意图；
图2a示出了本发明一个实施例提供的左手材料介质基板的结构示意图；
图2b示出了本发明另一个实施例提供的左手材料介质基板的示意图；
图3a示出了本发明一个实施例提供的发射线圈与接收线圈的等效电路示意图；
图3b示出了本发明一个实施例提供的发射线圈与接收线圈的等效电路的阻抗频谱图；
图4示出了本发明另一个实施例提供的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的实施例，本发明实施例提供了一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，包括：输入模块110、处理模块120、发射模块130和接收模块140；
其中，上述输入模块110用于进行交流电压的输入和通信信号的输入；
上述处理模块120用于对输入的所述交流电压信号和所述通信信号进行信号格式转换和处理以得到适用于传输的格式的信号，并将进行格式转换和处理后得到的信号发送至发射模块130；
该处理模块120包括：第一逆变电路单元，该第一逆变电路单元用于将交流电压信号变换为第一电磁波频率信号，以为实现电能的无线传输提供准备条件；进一步的，上述处理模块120还包括：信息编码与处理单元；该信息编码与处理单元用于将通信信号进行编码得到编码信号，并将所述编码信号进行处理得到第二电磁波频率信号，同样为实现信息的无线传输提供准备条件。
上述将信息进行编码得到编码信号，并由编码信号得到第二电磁波频率信号的过程，可以是由编码器、单片机以及频率产生器实现，编码器将通信信号按照一定规则进行编码得到编码信息，并将编码信息进行传输到单片机，单片机进行处理后引脚会输出控制信号，控制频率产生器产生震荡，得到第二电磁波频率信号。
进一步的，上述的处理模块120还设有：频率调制单元；上述第一逆变电路单元将交流电压信号转换得到第一电磁波频率信号以后，以及信息编码与处理单元将通信信号进行编码得到第二电磁波频率信号以后，第一逆变电路单元和信息编码与处理单元分别将第一电磁波频率信号、第二电磁波频率信号发送至频率调制单元，由该频率调制单元将其接收到的第一电磁波频率信号调制到电能传输适用的频率段，并将其接收到的第二电磁波频率信号调制到通信信号传输适用的频率段；进一步的，该频率调制单元将经过其调制后的第一电磁波频率信号、第二电磁波频率信号发送至发射模块130，由发射模块130进行传输。
发射模块130与接收模块140通过磁耦合谐振的方式完成电能与信息(通信信号)的发送与接收工作，进而实现电能的传输以及实现信息的交互。
上述发射模块包括：源线圈与发射线圈；
上述接收模块包括：接收线圈和负载线圈；
并且，发射线圈与所述接收线圈之间设置有左手材料介质基板。
左手材料(left-handedmetamaterial)是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的材料。
如图2a所示的实施例，本实施例中的左手材料介质基板由空白介质基板220构成，并且该空白介质基板220的两侧面上分别设置有Σ形金属条210，并且该空白介质基板两侧的Σ形金属条210呈反向对称布置；∑形金属条是采取覆铜技术刻蚀在介质基板两侧的，覆铜厚度为优选为0.035mm，空白介质基板采用介电常数为9.7的氧化铝陶瓷制作而成。
本实施例中的左手材料介质基板，在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下，同时实现负介电常数和负磁导率，拓宽了电磁波的入射角度，并且在传输距离不变的情况下能够显著的提高传输效率，能够有效地解决传输效率受到传输距离约束的问题。
如图2b所示，上述左手材料介质基板每一侧的单个∑形金属条210可以看作是一个∑形金属条结构单元,该结构单元可以通过周期排列的方式形成阵列，比如3×3型、4×4型等，此处优选∑形金属条结构单元为3×3型周期排列的左手材料介质基板，并优选左手材料介质基板尺寸设计为360mm×360mm，介质基板厚度为0.49mm，此时，在使其传输距离不变的情况下，加入上述的左手材料介质基板以后，能够使电能的传输效率提高高达29％。
本发明实施例利用现有左手材料的特性，提高了信息和能量传输的可靠性及效率。
并且，此实施例中的上述发射线圈与接收线圈均具有双谐振频率点，该双谐振频率点包括：高频率谐振点f2和低频率谐振点f1；
其中，高频率谐振点f2用于通信信号的传输，低频率谐振点f1用于电能的传输。
图3a示出了发射线圈或者接收线圈的等效电路图，如图3a所示，其等效电路由一个LC串联电路与一个LC并联谐振电路构成，其阻抗特性为其中，L、C分别代表LC串联电路的电感与电容，La、Ca分别代表LC并联谐振电路中的电感与电容。
发射线圈和接收线圈分别利用其自身在高频或者低频下的等效电阻、电容和自身的电感组成谐振电路，发射线圈与接收线圈具有相同的谐振频率。
如图3b所示，该图是上述等效电路的阻抗频谱图，由图可以得到，上述等效电路包括两个串联谐振点f1和f2，以及一个阻抗无穷大的并联谐振点f3，因为本实施例中的激励源为电压源，因此仅采用f1和f2作为电路的两个谐振频率，在谐振频率处电路总阻抗最小，呈纯阻性。
谐振频率点f1的频率小于谐振频率点f2的频率，此实施例中使用低频率谐振点f1用来传输能量，使用高频率谐振点f2用来传输信息。
本发明实施例所提供的一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，电能传输与通信信号的传输在调制到发射线圈之前两个工作流程是独立的，由于发射线圈有两个谐振点，并且经过频率调制单元的频率调制后，逆变后的电磁波频率为与低频率谐振点相匹配的低频段，编码信号调制到与高频率谐振点相匹配的高频段，所以能够实现将电能和信息一起发送出去。
因此，上述频率调制单元，进一步是用于：
将编码信号调制到与所述高频率谐振点相匹配的高频段；将所述第一电磁波频率信号调制到与所述低频率谐振点相匹配的低频段。
此处的高频谐振点与低频率谐振点的频率并无明显的严格界限，即在这个电路中高、低频是相对而言的，至于低频率谐振点f1和高频率谐振点f2是可以通过改变LC串联电路与LC并联谐振电路中的各自的电感和电容来调节其工作频率的，以此增加了系统的灵活性；并允许在充分考虑到周围环境中电磁干扰的情况下，根据实际情况选择合适的工作频率，保持一定的频率间隔以规避频间干扰，并增强系统的整体抗干扰能力。
传统的谐振线圈(即发射线圈和接收线圈)只有一个谐振频率点，故而只能用来传递能量或者是信息，但本实施例所使用的谐振线圈有两个谐振频率点，可以实现频域的复用；从而实现地震勘探过程中的电能与信息的同步传输，并且在一定的程度上大大方便了地震勘探工作。
所述的输入模块，包括：阻抗匹配网络单元；该阻抗匹配网络单元位于源线圈前端；
所述阻抗匹配网络单元包括：无源匹配网络，所述无源匹配网络包括：电容和电感；
或者，
所述阻抗匹配网络单元包括：有源匹配网络，所述有源匹配网络包括：由有源、无源器件组成的源极跟随器、射极跟随器和缓冲器。
本实施例中，源线圈和发射线圈的间距与接收线圈和负载线圈的间距始终是保持相等的，源线圈和负载线圈的电参数相同，发射线圈和接收线圈也具有相同的电参数，即线圈的电感、高频寄生电容、等效电阻和空载品质因数都是相同的，同时发射线圈和接收线圈具有相同的双频谐振频率。
所述的接收模块，还包括：相干解调单元；该相干解调单元用于将接收模块接收到的编码信号进行相干解调，得到原始通信信号。所述接收模块，还包括：第二逆变电路单元；该第二逆变电路单元用于将所述第一电磁波频率信号转换为交流电压信号，进而可以提供供电工作。
本实施例中，上述相干解调单元还可以包括有：检波器；该检波器用于从信息中检出最终要得到的地震勘探的信息。
发射模块和接收模块均是由具有双频谐振点的螺旋线圈构成；能量通过磁耦合谐振在所述的发射模块和接收模块低频谐振点传输，信息通过所述的发射模块和接收模块高频谐振点传输，二者同步传输；同时在所述发射和接收模块间加入左手材料介质基板，所述左手材料介质基板具有放大消逝波的特性，可提高系统的整体能量和信息传输性能。
本实施例中，发射线圈通过电磁感应从源线圈处得到第一逆变电路单元产生的第一电磁波频率信号，再以非辐射近场电磁波的形式发送出去，接收线圈通过线圈间的磁耦合共振的低频率谐振点收到发射线圈传送的第一电磁波频率信号，再经过电磁感应将能量供给负载线圈。
同样的，发射线圈通过电磁感应从源线圈处得到信息编码与处理单元产生的编码信号，再以非辐射近场电磁波的形式发送出去，接收线圈通过线圈间的磁耦合共振的高频率谐振点收到发射线圈传送的编码信号，再经过电磁感应将信息提供给负载线圈，进一步的由负载线圈发送到相干解调单元，由相干解调单元将其接收到的编码信号进行相干解调，得到原始通信信号，并通过检波器筛选出最终想要得到的地震勘探的有效信息(或者通信信号)。
并且，上述信息是可以进行双向传输的，因此对于信息传输而言发射模块与接收模块是相对而言的。
上述实施例中，源线圈、发射线圈、接收线圈以及负载线圈均由铜线绕制而成，对齐在同轴方向。
源线圈和发射线圈的间距、发射线圈和接收线圈间距、接收线圈和负载线圈的间距是可调的，随着发射线圈和接收线圈间距的改变，即传输距离的变化，当所述系统偏离临界耦合状态时，同时调节源线圈和发射线圈的间距、接收线圈和负载线圈的间距，并保持源线圈和发射线圈的间距与接收线圈和负载线圈的间距相等，进而可以改变它们的耦合系数，系统满足临界耦合条件，工作在临界耦合状态，以确保系统的传输效率始终取得最大值、传输距离达到最优，以提高电能的利用效率和通信信号的传输过程中的准确度。
上述实施例中，不相邻线圈之间没有磁耦合，系统中源线圈和负载线圈都是单匝线圈，发射线圈和接收线圈是有相同匝数的多匝线圈。
如图4所示，在该实施例中，上述系统中还设置有外加激励源信号发生器310，该信号发生器310发出信号脉冲，经过阻抗匹配网络单元320将能量信号传给源线圈330，发射线圈340利用电磁感应从源线圈330处得到信号发生器310所发出的振荡信号，再以非辐射近场电磁波的形式传送出去，所述系统的接收线圈350通过线圈间的磁耦合共振收到发射线圈340传送的振荡信号，再通过电磁感应将能量供给负载线圈360以及负载设备370等，进而实现电能的传输。
本发明实施例所提供的一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，能够同时实现电能与通信信号的传输，其中发射线圈与接收线圈的高频谐振点用于通信信号的传输，高频谐振点可增加系统抗干扰性和编码效率；低频谐振点用于能量的传输，低频谐振点可降低系统设计的复杂度。
并且本发明实施例提供的一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，改变了现有技术中地震勘探的模式，节省了人力物力，大大降低了现有的地震勘探技术受环境条件的制约性，同时本发明实施例也非常适用于地下矿井的检测以及地下救援等工程。
本发明具有电能传输效率较高，保真度较强，操作简单，适用于三维地震野外数据采集，工作效率高的积极效果。
进一步的，本发明实施例所提供的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统具有以下优点：
1、在地震勘探或者矿用传感器数据采集过程中，能够实现同时进行电能与信息的无线传输，避免了在环境条件不允许的情况下展开工作需要携带蓄电池或者需要安装太阳能设备进行供电所带来的不便；
2、通过设计具有双谐振点的线圈结构来同步实现点能与通信信号的传输，提高了传输距离和传输效率；
3、通过加入左手材料介质基板来拓展系统的工作带宽，提高信息传输的可靠性和吞吐量；并利用左手材料放大消逝波的特性，提高信息传输的可靠性和能量传输的效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，包括：输入模块、处理模块、发射模块和接收模块；
所述输入模块用于进行交流电压信号的输入和通信信号的输入；
所述处理模块用于对输入的所述交流电压信号和所述通信信号分别进行信号格式转换和处理以得到适用于传输的格式的信号，并将进行格式转换和处理后得到的信号发送至所述发射模块；
所述发射模块与所述接收模块通过磁耦合谐振的方式完成电能与通信信号的发送与接收工作，进而实现电能的传输以及实现信息的交互。
2.根据权利要求1所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述处理模块包括：第一逆变电路单元；
所述第一逆变电路单元用于将所述交流电压信号变换为第一电磁波频率信号。
3.根据权利要求2所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述处理模块，还包括：信息编码与处理单元；
所述信息编码与处理单元用于将所述通信信号进行编码得到编码信号，并将所述编码信号进行处理得到第二电磁波频率信息号。
4.根据权利要求3所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述处理模块，还包括：频率调制单元；
所述频率调制单元用于将其接收到的第一电磁波频率信号调制到电能传输适用的频率段；
所述频率调制单元还用于将其接收到的第二电磁波频率信号调制到通信信号传输适用的频率段；
所述频率调制单元将其调制后得到的频率信号发送至所述发射模块。
5.根据权利要求4所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述发射模块包括：源线圈与发射线圈；
所述接收模块包括：接收线圈和负载线圈；
所述发射线圈与所述接收线圈之间设置有左手材料介质基板。
6.根据权利要求5所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈均具有双谐振频率点，所述双谐振频率点包括：高频率谐振点和低频率谐振点；
其中，所述高频率谐振点用于通信信号的传输，所述低频率谐振点用于电能的传输。
7.根据权利要求6所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述频率调制单元用于：
将所述第二电磁波频率信号调制到与所述高频率谐振点相匹配的高频段；将所述第一电磁波频率信号调制到与所述低频率谐振点相匹配的低频段。
8.根据权利要求7所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述输入模块包括：阻抗匹配网络单元；
所述阻抗匹配网络单元位于源线圈前端；
所述阻抗匹配网络单元包括：无源匹配网络，所述无源匹配网络包括：电容和电感；
或者，
所述阻抗匹配网络单元包括：有源匹配网络，所述有源匹配网络包括：由有源、无源器件组成的源极跟随器、射极跟随器和缓冲器。
9.根据权利要求8所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述接收模块，还包括：相干解调单元；
所述相干解调单元用于将接收模块接收到的第二电磁波频率信号进行处理得到编码信号，并将所述编码信号进行相干解调，得到原始通信信号。
10.根据权利要求9所述的用于地震勘探的无线电能与信息同步传输系统，其特征在于，所述接收模块，还包括：第二逆变电路单元；
所述第二逆变电路单元用于将所述第一电磁波频率信号转换为交流电压信号。
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