CN1086474C - 矿井地质雷达仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种本质安全型防爆矿井地质雷达仪，它由发射机、接收机、采样器、主控微机、收发天线和打印机及相应控制软件组成；该仪器不仅适用于地面工程地质之类的探测，而且适用于有瓦斯、粉尘等爆炸危险性的场合，如煤矿井下探测回采工作面和掘进巷道前方隐伏的地质小构造，探测距离达60m以上，具有抗干扰性强、快速机动、无损探测、探测精度高等优点，是一种新型的防爆物探仪器。

Description

矿井地质雷达仪

本发明涉及的是一种本质安全型物探仪器，具体的讲，本发明涉及的是一种矿井地质雷达仪，特别适用于探测矿井下的地质小构造。

在煤矿中，诸如小断层、岩溶裂隙、陷落柱、冲刷带等地质小构造普遍发育，常常是诱发煤矿水害和瓦斯突出等灾害的重要因素。因此，生产部门迫切需要一种能探测这些地质体，特别是能预测掘进工作面前方隐伏小构造的物探仪器。70年代以来，基于电磁波反射原理的地质雷达仪，越来越受到国内外的关注，并开始进入实用化阶段。

现有技术中比较有代表性的同类技术或产品是美国地球物理勘探设备公司(GSSI)研制的SIR系列地质雷达和加拿大A-Cubed公司研制的EKKO系列地质雷达。这两种产品的共同点是：信号均为高压单脉冲；软件处理功能较强，能实时成图；既可点测，也可连续探测。但二者也有其不足：一是不防爆，无法用于煤矿井下等具有爆炸危险的场所；二是探测距离太近，实际探测深度只有几米到20米左右，不能满足生产实际的要求。

本发明的研究人员从70年代中期开始地质雷达的研制，1988年，研制出了KDL-2型矿井防爆地质雷达仪，具体内容可见CN87211945，该仪器的主要特点是全套仪器防爆，探测距离平均可达40m左右，但信号终端处理采用人工照相录取的落后方式，系统操作和资料处理尚未实现数字化和微机程控，探测方式只能点测，且系统部分单元采用隔爆方式防爆，使仪器体积较大，较笨重。

基于现有技术所存在的缺陷，特提出本发明。

本发明的主要目的在于提供一种适用于有爆炸危险性的、煤矿或类似矿井下探测地质小构造的地质雷达仪，使其探测距离提高到60m以上，且系统实现小型化和微机程控，既能点测，也能连续探测。

本发明的目的可以通过以下手段得以实现：一种矿井地质雷达仪，由发射机、发射天线、接收机、接收天线、采样器、采样器电源、笔记本微机、打印机及相应系统控制软件组成；所述发射机和接收机分别与所述采样器相联，所述采样器与所述微机相连，所述采样器电源接所述采样器，所述微机输出端接所述打印机；其特征在于：仪器发射能量采用脉冲调制形式，接收机对目标回波进行变频处理后，由高速采样器数字化，并在微机程控下进行软件迭加和信号解调；接收机采用分布参数滤波和集中参数滤波相结合的滤波方式，前者为四单元方腔螺旋滤波器，用于接收机前端高频段，后者为LC滤波器，用于后端中频段，接收机前端还采用无源电调器，同时高放、变频、中放及采用电子衰减器进行增益控制；接收机直接输出调制中频信号到采样器，经数字化后在微机中以软件方式进行叠加处理，并得到解调后的信号。

优选地，发射信号采用脉冲调幅且调制脉宽可变的形式。

所述的天线采用收、发分置的平面螺旋天线。

所述的发射机电路屏蔽盒用整体分格结构，接收机电路采用分体单盒组装结构或整体分格结构，发射机、接收机均采用本质安全型内嵌式直流电池供电。

采样器采用高速ECL A/D器件，两路分频，交替采集，取样速率为100、200、500MSPS，采样器采用本安型可充电电池组单独供电。

采样器内还设有微机总线驱动器和微机并行口控制转换接口，数据采集时，直接由微机标准并行打印口控制信号和数据的传输。

主控微机采用标准的Compaq486或586笔记本微机，经防爆处理后变为本质安全型。

系统控制软件均以汉字方式操作，采用菜单式、窗口式和模拟按键式操作，既适用于间断点测，也适用于连续探测。

发射机通过发射天线向地层定向发射电磁能量，当电磁波在传播途中遇到两种物性不同的介质界面即发生反射，反射信号通过接收天线接收，馈送到接收机进行滤波、变频、放大，然后经采样器数字化后送到主控微机进行信号处理，得出信号波形时间剖面，根据信号电磁波的往返时间和各种介质中的传播速度，即可得出反射目标所在深度，再根据目标回波的特征来判断不同的地质目标。

下面结合附图对本发明的矿井地质雷达仪组成及各分机的结构性能作进一步说明。

本发明所述的矿井地质雷达仪组成方框图如图1所示，包括发射机1(内嵌式直流供电)、接收机2(内嵌式直流供电)、采样器3、采样器电源4、主控微机5(内嵌式直流供电)、发射天线6、接收天线7、打印机8及系统软件等几部分组成。

下面是本发明所述的矿井地质雷达仪的附图说明，通过如下的说明并结合以后的详细阐述，能更好的理解本发明。

图1是本发明所述的系列矿井地质雷达仪组成方框图；

图2是本发明所述的矿井地质雷达仪中的发射机电路的方框图；

图3是本发明所述的矿井地质雷达仪中的发射机电路图；

图4是本发明所述的矿井地质雷达仪中的发射机面板控制器的示意图；

图5是本发明所述的矿井地质雷达仪中的接收机电路方框图；

图6是本发明所述的矿井地质雷达仪中的接收机面板控制器示意图；图7是本发明所述的矿井地质雷达仪中的接收机电路图；

图8是本发明所述的矿井地质雷达仪的接收机中的螺旋滤波器示意图；

图9是本发明所述的矿井地质雷达仪的接收机中的振荡器电路图；

图10是本发明所述的矿井地质雷达仪的接收机中的检波器电路图；图11是本发明所述的矿井地质雷达仪中的采样器电路方框图；

图12、13是本发明所述的矿井地质雷达仪的采样器在板控制器示意图；

上述组成中，除打印机外，系统的各部分均匀为本质安全型防爆，可直接进入有爆炸危险性的场合工作，探测结果可回到室内用打印机输出。可直接进入有爆炸危险性的场合工作，探测结果可回到室内用打印机输出。

下面对本发明所述的矿井地质雷达仪系统各分机组成及性能进行详细描述。

本发明所述的矿井地质雷达仪中的发射机的技术性能如下：发射机中心频率为160MHz、220MHz、300MHz；发射机的调制脉冲宽度为25ns、50ns、80ns；发射机的调制脉冲重复频率为500～625KHz；

其峰值功率为5～10W；发射机所用的电源为+30V、+12V、+6V、-3.6V共四组，各组电源均加限流电阻，用环氧树脂灌封；

发射机的工作环境：温度-5℃～+40℃、大气压力：8×10⁴～1.1×10⁵pa相对湿度：95％(+25℃时)；

本发明所述的矿井地质雷达仪发射机可连续工作使用3小时，其外型尺寸：290×193×80mm，质量为5kg。

本发明所述的矿井地质雷达仪发射机详细电路图可见图3。

本发明的一个特点是：发射机电路组装在一个整体分格结构的屏蔽盒内，各分格分别与图2中的单元电路相对应，屏蔽盒材料为镀银黄铜板，这种结构能有效抑制各种噪声和分布参数的相互影响，便于仪器调试，在图2中：

主振级9是LC振荡电路，工作电压+12V，产生160MHz(220MHz、300MHz)正弦载波信号。

9’为放大器。

方波发生器10，由一个74LS04非门集成块和电阻电容组成，产生一个脉宽50ns(可调)，重复频率500～625KHz的调制脉冲和相应的同步脉冲信号。供电电源为+6V，用一间单稳压电路稳定在+5V左右，以满足与非门的要求。本发明的一个特点是，通过改变电容参数，可改变调制脉冲的宽度，以实现不同距离分辨率和不同发射功率的需要。

10’为整形器。

调制级11，将9产生的160MHz(220MHz、300MHz)载波通过10产生的50ns(或25～80ns可调)的调制脉冲调制成钟形脉冲信号，改变调制管的负偏压可改变输出功率大小和抑制噪声，供电电压为+12V。

12、13、14为三级功率放大电路，功放均采用效率较高的丙类谐振放大器，供电电压为+30V，以期将发射信号逐级放大和抑制杂散干扰，使输出到发射天线15的信号具有所需求的钟形脉冲和足够的发射功率。

16为内嵌式直流电源，电源开关由一钮子开关和小型继电器并联组成，钮子开关用于手动开启发射机电源，继电器用于微机程控开启发射机电源。

发射机面板控制器的结构及其作用，可参见图4，其中，17为电源/充电插座，可外接供电电源，也可对发射机内嵌式电池组充电；18为同步输出插座，输出625KHz的发射同步脉冲，通过电缆与采样器“同步输入”端相联；19为手动负偏压调节电位器，旋转电位器可改变调制级负偏大小，以调整发射功率到最佳状态；20为末级功放电源指示器，以指示功放级工作状态和发射功率大小；21为断/控制/手动转换开关，置于“断”时发射机电源切断；置于“控制”时，发射机电源可通过微机程控开启，负偏压可通过微机进行人机交互式调节；置于“手动”时则发射机电源接通，负偏压则通过19调节；22为微机程控插座，该插座通过电缆与采样器面板上“控制发射机”端联接。当21置于“控制时”，微机对采样器中的接口控制电路发出控制命令，控制发射机电源的开关和负偏压的调节；

23是射频输出插座：为L16高频插座，经Φ6同轴电缆与发射天线相联。

24是脉宽调节开关，有三个位置：上为25ns、中为50ns、下为80ns。

本发明所述的矿井地质雷达仪中的接收机的技术性能如下：

接收中心频率：160MHz、220MHz、300MHz；本振频率：220MHz(200MHz)、160MHz(180MHz)、240MHz(260MHz)；

中频：60MHz(40MHz)；

整机带宽：±10MHz；

灵敏度：3～10uV；

增益：75～100dB；

衰减器：60dB；

工作环境：温度-5℃～+40℃，大气压力8×10⁴～1.1×10⁵pa；

电源：+12V，加限流电阻，用氧树脂灌封；

工作时间：连续使用3小时；

外形尺寸：304×218×130mm；

质量：6.5kg；

本发明所述的矿井地质雷达仪中的接收机的详细电路图可参见图7。

本发明的接收机电路方框图(图5)中各单元电路，分别组装7个屏蔽盒内，各屏蔽盒之间采用高频插座和同轴电缆联接(或采用整体电路组装在一个整体分格结构的屏蔽盒中)。在图5中：

25为PIN管组成的电调器，这是本发明的一个特点，由接收天线37收到的目标回波，其强度首先通过PIN管自动调节。

26为螺旋滤波器，32为中频滤波器，前者为宽带分布参数滤波器，用镀银铜板制成方腔形屏蔽盒，内含四单元螺旋谐振器，外有7个用螺母锁紧的螺杆，用来调节电感电容等参数；后者为LC集中参数滤波器，对变频后的中频信号作进一步滤波，以提高整机信号噪声比。本发明的一个特点是，在接收机前端采用无源的螺旋波器直接对其高频反射信号滤波后，再进行高频放大，结合后端LC中频滤波器，使整机灵敏度和信噪比得到大大提高。

27为高频放大器，由三支高频低噪声管组成。

28为LC本机振荡器，产生220MHz本振信号送至混频级。

29为混频器，由两支高频低噪声管组成平衡式混频器，将27输出的160MHz信号与28输出的220MHz本振信号混频后，输出60MHz(或40MHz)的中频信号，经匹配网络送至中放级。

30为前中放大器，由三支高频小功率管组成共发共基级联电路和射随器，以隔离后级衰减器的动态变化。

31为有源衰减器，衰减范围40dB，通过转换开关，可手控也可微机程控其衰减量。

33为第一级主中放大器，由三对三级管组成共发共基极联电路和串联放大电路，其间的电位器和二极管组成20dB手动衰减器。

34为第二级主中放大器，亦是由共发共基级联电路和串联放大电路组成，共发共基级联电路的优点是频带宽且不易自激。

35为末级放大器，由一块集成中频放大器组成，增益为20dB，本发明的一个特点是，直接将放大后的中频信号作为接收机输出，送到采样器，信号解调则由软件实现，这样就避免了在较高频率下制作高效率解调器的困难，有利于提高整机灵敏度。

36为内嵌式电源，其开关类似发射机的电源开关，亦是由手动的钮子开关和程控的小型继电器并联组成。

37为减波仪。

37’为终端显示器。

接收机面板控制器的结构及其作用可参见图6，其中：

38为电源/充电插座：可对接收机内含电源充电，也可外接供电电源。

39为信号输入插座：经Φ6同轴电缆与接收天线相联。

40为微机控制插座：经一多芯电缆与采样器“控制接收机”端连接，以实现对接收机电源开关和有源衰减器的程控。

41为电源指示器：电源接通后，指针应指示在0.5mA处，若小于此值，则表示电源电压不足，应进行充电。

42为增益控制I旋钮：由一有源衰减器组成，既可手控，也可程控，衰减范围为0～40dB。

43为增益控制II旋钮，为一手控衰减，衰减范围为0～20dB。

44为控制/手动转换开关，当置于“控制”时，接收机电源开关和增益控制I均由微机控制；当置于“手动”时则均匀手动控制。

45为信号输出插座：它将中频信号经Φ6同轴线联到采样器的“信号输入”端。

本发明所述的地质雷达仪中的采样器性能参数如下：

采样器速率：200MSPS；

采样时钟：200MHz；

采样器的分辩率：8bit；

采样器的存贮量：512×8bit；

本发明所述的采样器的输入动态范围：0～2V；

采样器的外触发：电平触发；

采样器的工作环境：温度-5℃～40℃，大气压力8×10⁴～1.1×10⁵Pa；相对湿度：95％(+25℃时)；

本发明所述的采样器的外形尺寸：326×315×80mm；

其质量：4.5kg；

本发明所述的采样器所用的电源：±6V，±12V组装在一个电源箱中，各组电源均加限流电阻并用有机硅凝胶灌封；

采样器的工作时间：连续工作80分钟；

采样器电路结构可参见图11。

本发明的一个突出特点是，利用ECL逻辑的高速A/D器件，对60MHz(或40MHz)中频信号直接取样，通过两路分频交替采集的方式，将数据传输速率降为实际采样速率的一半，以便于高速采样器与微机之间的接口设计。

46为ECL逻辑的高速A/D转换器，在来自发射机的外同步信号作用下，直接将来自接收机的中频模拟信号取样、量化、编码为8bit的数字信号。

47为ECL为数据采集、传输和控制逻辑，在数据采集时，以ECL电平方式，控制A/D和数据存贮器的时序。

48为ECL数据存贮器，将A/D采集的数字信号暂存。

49为ECL和TTL电平转换器，实现数据和控制信号在ECL逻辑和TTL逻辑之间的相互转换。

50为TTL控制逻辑，以TTL电平方式，控制高速A/D的采集时序及其和微机之间的数据传输。

51为总线驱动器和控制器，本发明的一个特点是采样器中设置了一块微机总线驱动电路和数据并行传输转换接口板，前者是增大主控微机的带负载能力，补偿控制信号和数据在传输线上的衰减；后者是直接利用主控微机的标准并行打印口，实现控制信号和数据的并行传输。

52为取样器电源，是一个独立的直流电源箱，供给采样器各单元所需要的电压。

采样器面板控制器及其作用可参见图12、图13，其中：53为电源插座，接采样器电源。

54为工作选择钮：置于“开”或“风扇”位置时，所有电源接通，置于“断”时电源关闭。

55为信号输入插座：输入来自接收机的中频模拟信号。

56为同步输入插座：输入来自发射机的同步信号，作为采样器的外触发信号。

57为控制接收机插座：将微机发出的控制命令传递到接收机“微机控制”端，控制接收机的电源开关和增益大小。

58为控制发射机插座：将微机发出的控制命令传递到发射机的“微机控制”端，控制发射机的电源开关和发射功率大小。

59为总线插座，在采样器背面板上，通过25芯扁平线与主控微机背面的并行口相连，以实现控制信号和数据信号的传输。

本发明采用目前流行的Compaq486或586采色笔记本微机作为系统的主控器，以控制数据的采集、存贮和处理，并通过加限流电阻、喷涂抗静电材料等防爆措施，使其具有本安型防爆型式，能在具有爆炸危险性的煤矿井下使用。在专用系统软件的控制下，微机通过标准并行口与采样器、发射机、接收机交换信息。其主要技术性能如下：

其中，CPU：80486或80586；工其时钟频率是33MHz/75MHz；内存为8Mb；硬盘的容量为256Mb(可变)；实际使用的软盘是1.44Mb；

另外，使用的显示器是TFT彩色液晶显示屏，标准VGA，640×480像素，256种彩色；

本发明所采用的计算机的定位装置是内嵌式跟踪球或外接鼠标器；键盘为标准笔记本微机键盘；机壳抗静电，其表面电阻小于1×10⁹Ω；其工作环境为温度：0～+40℃，相对湿度：95％(+25℃)，大气压力8×10⁴～1.1×10⁵Pa；外形尺寸：255×185×45mm；质量：3kg；电源：交直流两用，直流用内嵌式镍氢电池供电。

本发明中的收发天线采用收发分置的双天线体制，目的在于增强收发之间的隔离度，减少杂波干扰，天线结构采用平面螺旋天线，其主要性能如下：方向性：60～90°；

增益：5dB；

质量：每个10kg；

本发明配置的是便携式小型喷墨打印机，质量1.5kg，体积为508×274×165mm，交直流两用，直流可用电池供电，很便于野外操作。该机未作防爆处理，只供室内作探测资料硬拷贝之用。

考虑目前现场与EPSON系列兼容的打印机很普及，本发明控制软件的硬考贝程序作了相应扩充，使凡是和EPSON系列兼容的打印机皆可并入本系统使用。

本发明的系统控制软件分为点测和连续探测两套，其主要功能有：控制发射功率和接收机增益的大小；控制数据的采集、存贮和传输；控制数据的迭加、放大、硬拷贝等操作。

本发明系统控制软件的一个特点是：通过软件上的迭加处理，既提高了整个系统的信噪比，又实现了非相参中频信号的解调。另外，整个操作过程均在汉字环境中进行，以菜单形式、窗口形式和模拟按键形式进行人机交互，既可以用键盘操作，在窗口环境中还可用鼠标或内嵌式跟踪球操作，用户界面美观、友好，很便于现场操作人员学习掌握。

Claims (8)

1、一种矿井地质雷达仪，由发射机、发射天线、接收机、接收天线、采样器、采样器电源、笔记本微机、打印机及相应系统控制软件组成；所述发射机和接收机分别与所述采样器相联，所述采样器与所述微机相连，所述采样器电源接所述采样器，所述微机输出端接所述打印机；本发明的特征是：

仪器发射能量采用脉冲调制形式，接收机对目标回波进行变频处理后，由高速采样器数字化，并在微机程控下进行软件迭加和信号解调；

接收机采用分布参数滤波和集中参数滤波相结合的滤波方式，前者为四单元方腔螺旋滤波器，用于接收机前端高频段，后者为LC滤波器，用于后端中频段，接收机前端还采用无源电调器，同时高放、变频、中放及采用电子衰减器进行增益控制；

接收机直接输出调制中频信号到采样器，经数字化后在微机中以软件方式进行叠加处理，并得到解调后的信号。

2、根据权利要求1所述矿井地质雷达仪，其特征是：发射信号采用脉冲调幅且调制脉宽可变的形式。

3、根据权利要求1所述矿井地质雷达仪，其特征是：天线采用收、发分置的平面螺旋天线。

4、根据权利要求1或2或3其中任一项所述矿井地质雷达仪，其特征是：发射机电路屏蔽盒采用整体分格结构，接收机电路采用分体单盒组装结构或整体分格结构，发射机、接收机均采用本质安全型内嵌式直流电池供电。

5、根据权利要求1所述矿井地质雷达仪，其特征是：采样器采用高速ECL A/D器件，两路分频，交替采集，取样速率为100、200、500MSPS，采样器采用本安型可充电电池组单独供电。

6、根据权利要求1或5所述矿井地质雷达仪，其特征是：采样器内还设有微机总线驱动器和微机并行口控制转换接口，数据采集时，直接由微机标准并行打印口控制信号和数据的传输。

7、根据权利要求1所述矿井地质雷达仪，其特征是：主控微机采用标准的Compaq486或586笔记本微机，经防爆处理后变为本质安全型。

8.根据权利要求1所述矿井地质雷达仪，其特征是；系统控制软件均以汉字方式操作，采用菜单式、窗口式和模拟按键式操作，既适用于间断点测，也适用于连续探测。

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