CN110244345A - 三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法，包括：主机控制终端、主站、采集站和触发站；主站作为站点的管理单元，通过无线WiFi与采集站、触发站和主机控制终端通信传输采样数据，并通过无线通信方式管理触发站和采集站触发时间同步。主站电源管理单元包括充放电管理模块、电量计和锂离子电池。优点为：所有数据交互均通过无线传输，相对于需要大量线缆、现场布线困难的传统有线数据采集系统，本装备无需大量线缆，安装方便、小型便携、现场布置简单。实现多个采集器同步采样时间误差范围在1‑3个采样点，满足隧道地质超前预报仪对时间精度的要求。

Description

三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法

技术领域

本发明属于隧道地质超前预报技术领域，具体涉及一种三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法。

背景技术

伴随着大量隧道工程的建设，地质超前预报作为隧道施工中的一个重要环节，发挥着越来越重要的作用。隧道地质超前预报技术能够从时间和距离上提前了解隧道围岩地质情况，以便对后续施工提供可靠的指导，减少施工的盲目性，降低施工的风险性。弹性波法隧道地质超前预报是目前最为常用最有效的方法之一，能够更准确的预报出工作面前方地质情况，对不良地质体的空间定位更准确、精度更高、成果也更加直观。该技术作为当前一种比较先进的探测技术，将在我国铁路、公路、水利、水电、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用。在隧道施工前，通过超前地质预报，提前掌握隧道掌子面前方的地质情况，为隧道施工的安全进行起到至关重要的作用。同时对我国国防地下工程的安全高效建设也能够起到积极的指导作用。

目前市面上的超前地质预报产品，主要为国外进口产品，但具有体积庞大、价格昂贵，且使用有线方式连接，具有布线复杂的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种三维成像隧道地质超前预报仪，包括：主机控制终端、主站、采集站和触发站；

其中，所述主机控制终端采用加固笔记本电脑或加固平板电脑；

所述主站作为站点的管理单元，通过无线WiFi与所述采集站、所述触发站和所述主机控制终端通信传输采样数据，并通过无线通信方式管理所述触发站和所述采集站触发时间同步；

所述主站包括主站无线通信单元、主站电源管理单元和主站MCU控制单元；所述主站MCU控制单元分别与所述主站无线通信单元和所述主站电源管理单元连接；

其中，所述主站无线通信单元包括主站433无线通信模块、WIFI模块和以太网PHY控制器；所述主站MCU控制单元通过所述主站433无线通信模块与各个所述采集站和所述触发站无线连接，通过所述主站433无线通信模块，向各个所述采集站和所述触发站发送时间同步广播和触发信号广播；所述主站MCU控制单元通过所述WIFI模块与所述采集站和所述主机控制终端连接，通过所述WIFI模块，实现所述采集站到所述主站的采样数据快速传输，以及实现所述主站到所述主机控制终端的采样数据快速传输；所述主站MCU控制单元内部的MAC控制器通过所述以太网PHY控制器与所述WIFI模块连接，使用独立的以太网接入WiFi模块构成无线通信方式，满足无线WiFi和以太网有线通信需求；

所述主站电源管理单元包括充放电管理模块、电量计和锂离子电池；外部DC电源依次通过所述充放电管理模块和所述电量计后，连接到所述主站MCU控制单元；所述锂离子电池和所述电量计双向连接；

所述触发站，用于对触发信号进行采样，判断触发信号的激发时刻，将激发时刻记录并广播给各个采集站；所述触发站支持速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路及爆破触发信号多种触发信号的触发；其中，爆破触发信号独立为一个接口，速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路的触发信号统一使用同一个BNC接口；触发类型可选择；

所述触发站，包括触发单元、触发站无线通信单元、触发站MCU控制单元和触发站电源管理单元；

其中，所述触发单元包括并行的三种触发单元，分别为第一触发单元、第二触发单元和第三触发单元；所述第一触发单元包括模拟触发输入模块和第一信号调理电路；所述模拟触发输入模块通过所述第一信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第二触发单元包括引爆触发输入模块和电流检测电路；所述引爆触发输入模块通过所述电流检测电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第三触发单元包括IO触发输入模块和第二信号调理电路；所述IO触发输入模块通过所述第二信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元；

所述触发站无线通信单元采用触发站433无线通信模块；

所述采集站包括模拟采集单元、采集站无线通信单元、采集站电源管理单元、采集站缓存单元和采集站MCU控制单元；

其中，所述模拟采集单元用于进行4路模拟信号的采集和调理，包括4路模拟采集通道、ADC同步采样模块和采样控制模块CPLD；各路所述模拟采集通道均连接到所述ADC同步采样模块的一端；所述ADC同步采样模块的另一端通过所述采样控制模块CPLD连接到所述采集站MCU控制单元；

其中，所述4路模拟采集通道分别为：X分量采集通道、Y分量采集通道、Z分量采集通道和预留采集通道；所述X分量采集通道包括串联的X分量传感器接口和X分量调理电路；所述Y分量采集通道包括串联的Y分量传感器接口和Y分量调理电路；所述Z分量采集通道包括串联的Z分量传感器接口和Z分量调理电路；所述预留采集通道包括串联的预留的传感器接口和预留的调理电路；

所述采集站无线通信单元包括采集站433无线通信模块、采集站WIFI模块和采集站以太网PHY控制器；所述采集站433无线通信模块、所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器均连接到所述采集站MCU控制单元，并且，所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器相互连接。

优选的，所述模拟触发输入模块包括加速度传感器、前置放大器、恒流源、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；所述加速度传感器的输出端连接到所述前置放大器的第一输入端；所述前置放大器的输出端依次通过所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口；同时，所述触发信号中断接口的输出端通过所述恒流源连接到所述前置放大器的第二输入端。

优选的，所述加速度传感器为PE加速度传感器或IEPE加速度传感器。

优选的，所述引爆触发输入模块包括爆破传感器、爆破输入接口、分流电阻、模拟放大器、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；

所述爆破传感器的输出端依次通过所述爆破输入接口、所述分流电阻、所述模拟放大器、所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口。

优选的，所述X分量调理电路、所述Y分量调理电路、所述Z分量调理电路和所述预留的调理电路，均包括串联的数字可编程增益仪表放大器和ADC驱动电路。

优选的，所述采集站缓存单元采用2MB的SRAM外部缓冲单元。

本发明还提供一种三维成像隧道地质超前预报仪的预报方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道掌子面均匀布置多台采集站；在隧道掌子面布置触发站；各个所述采集站和所述触发站均无线连接到主站；所述触发站分别与各个所述采集站无线连接；所述主站和主机控制终端无线连接；

步骤2，当需要进行三维成像隧道地质超前预报时，震源在隧道掌子面产生振动波，并触发所述触发站进行振动波的采集；

所述触发站进行振动波的采集方法包括：

1)如果采用模拟触发模式，当铁锤作为震源敲打隧道掌子面时，打开内部恒流源，加速度传感器采集振动波信号，输出变化电荷信号形式的振动波信号，并与恒流源输入的恒流电流叠加后输入到前置放大器；前置放大器对叠加后的信号进行放大处理后，输入到ADC转换器；ADC转换器再将转换后的ADC采样值发送到模拟看门狗比较器；模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

2)如果为爆破触发模式，爆破输入接口连接爆破传感器的输出端，爆破传感器检测爆炸机和电子雷管的线缆电流变化，当爆炸机引爆雷管时，线缆上的电流突变，爆破传感器检测到电流变化，感应出一定比例的电流信号，感应到的比例电流通过输出端流向分流电阻转化为电压信号，再经过模拟放大器放大和ADC转换器采样后，发送给模拟看门狗比较器；所述模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

步骤2，触发站MCU控制单元在检测到中断产生的触发信号后，通过433无线通信模块向各个所述采集站发送同步触发命令，其中，同步触发命令中携带同步计时器的时间戳；

步骤3，对于每个所述采集站，共设置有4个采样通道，并且，每个采样通道设定4096个点的预采集深度；在所述采集站进行一定的预采集后，接收到所述触发站MCU控制单元下发的同步触发命令；

所述采集站接收到所述同步触发命令后，继续进行采样，并通过比较触发站MCU控制单元下发的时间戳、本地同步时间值、采样间隔时间和采样长度，计算出同步采样数据在预采样数据的起始位置以及采样数据的结束位置，从而得到采样数据段，并将所述采样数据段缓存在本地缓存中；

步骤4，在所述采集站采样结束后，所述主站通过无线通信读取所述采集站本地缓存存储的所述采样数据，并上传给主机控制终端；

步骤5，所述主机控制终端对所述采样数据进行分析，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模，实现三维成像隧道地质超前预报。

本发明提供的三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法具有以下优点：

(1)所有数据交互均通过无线传输，相对于需要大量线缆、现场布线困难的传统有线数据采集系统，本装备无需大量线缆，安装方便、小型便携、现场布置简单。

(2)无线多站点分布式的采集系统最关键的技术问题就是各个站点的采集时间同步问题，本方案利用20MHz/0.5ppm高精度高稳定晶振作为本地的时钟参考源，及通过433无线模块发布时间同步命令，实现多个采集器同步采样时间误差范围在1-3个采样点，满足隧道地质超前预报仪对时间精度的要求。

附图说明

图1为本发明提供的隧道地质超前预报仪的结构示意图；

图2为本发明提供的主站的结构图；

图3为本发明提供的WiFi组网示意图；

图4为本发明提供的以太网控制器实现原理图；

图5为本发明提供的主站电源管理单元的原理框图；

图6为本发明提供的触发站的原理框图；

图7为本发明提供的触发站的模拟触发信号产生的基本工作原理图；

图8为本发明提供的触发条件判断的工作流程图；

图9为本发明提供的触发站的触发电平灵敏度示意图；

图10为本发明提供的爆破触发的电路原理框图；

图11为本发明提供的采集站的原理框图；

图12为本发明提供的调理电路的组成原理框图；

图13为本发明提供的AD8253仪表放大器的结构图；

图14为本发明提供的增益为1时的电压噪声的示意图；

图15为本发明提供的增益为1000时的电压噪声示意图。

图16为本发明提供的CPLD桥接电路内部逻辑示意图；

图17为本发明提供的ADC采样数据快速缓存的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及传感器、电子科学、信号处理等多门学科技术的综合性课题，可应用于隧道地质超前预报等地质勘探和工程测量等领域。本发明提供一种三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法，为一种基于无线分布式的三维成像隧道地质超前预报仪，三维成像隧道地质超前预报仪是在施工前期在前人地质勘查的基础上，进一步查明隧道掌子面前方一定范围内的地质构造，提前探明前方地层围岩岩性、岩体完整程度、断裂带的位置及宽度、软弱层的位置、围岩富水性等不良地质和施工时可能发生的重大地质问题。

本发明提供的隧道地质超前预报仪，是基于无线网络传输技术、24位模数转换技术、传感器技术等综合学科技术设计的无线数字采集系统。设计中采用大量低功耗、小封装、高集成芯片，硬件、软件多处使用滤波抗干扰技术，整个系统小型便携，适合于随身携带的野外勘探或隧道勘探。该系统主要分为主机控制终端(平板或笔记本电脑)、主站、采集站、触发站等部分。每个采集站具有4路的24位ADC采集功能，能对微弱的地震波信号进行采集、记录、存储、传输等，并能实现不同采集站间精确的同步采样功能。

具体的，本发明提供的三维成像隧道地质超前预报仪，包括：主机控制终端、主站、采集站和触发站。其中，所述主机控制终端采用X86 Windows加固笔记本电脑或加固平板电脑。

所述主站作为站点的管理单元，通过无线WiFi与所述采集站、所述触发站和所述主机控制终端通信传输采样数据，并通过无线通信方式管理所述触发站和所述采集站触发时间同步。因此，主机控制终端、主站、采集站和触发站通过无线通信网络组成的一套检测系统。如图1所示，为隧道地质超前预报仪的结构示意图，下面对主站、采集站和触发站分别详细介绍：

(一)主站

主站支持2.4G无线WiFi，空旷环境，主站与采集站最大传输距离不小于30米；支持433无线，空旷环境，主站与触发站、采集站最大距离不小于50米。

所述主站作为站点的管理单元，通过无线WiFi与所述采集站、所述触发站和所述主机控制终端通信传输采样数据，并通过无线通信方式管理所述触发站和所述采集站触发时间同步。如图2所示，为主站的结构图，所述主站包括主站无线通信单元、主站电源管理单元和主站MCU控制单元；所述主站MCU控制单元分别与所述主站无线通信单元和所述主站电源管理单元连接。

(1.1)433无线通信单元

无线网络的组建是本发明的关键技术之一。随着现代无线通讯技术的快速发展，无线数据的传播理论也在逐步完善，蓝牙技术、ZigBee技术、UWB超宽带技术、RFID射频技术、WiFi技术、433无线等无线网络技术是目前无线数据传输技术的主流，各种无线技术都有各自的优缺点，以下从执行标准、传输速度、通讯范围、安全性、频段和功耗等方面的理论值对几种主流无线传输技术进行比较，如表1所示。

表1几种无线通信技术的对比关系

结合隧道地质超前预报仪开发的要求：系统通信量较小；要求较高的通信速率；系统必须低功耗；通信距离在数十米间；工作站不易架设复杂天线；要求具有微秒级的时间同步精度。因此，选用Silicon Labs的SI4463无线433无线解决方案，以此构成中心频率为433MHz的简易协议网络。433无线通信，具有自由协议，直接对无线底层进行操作，通信延迟固定，实时性高等特点，因此采用433无线通信方式作为各个站点间精准时间同步广播、触发信号广播。同时选用WiFi无线网络作为采集数据的快速传输，WiFi具有组网方便，传输数据快，距离适中等特点，很适合在该设备的采集站到主站、主站到上位机的采样数据快速传输。

因此，主站无线通信单元包括主站433无线通信模块、WIFI模块和以太网PHY控制器；所述主站MCU控制单元通过所述主站433无线通信模块与各个所述采集站和所述触发站无线连接，通过所述主站433无线通信模块，向各个所述采集站和所述触发站发送时间同步广播和触发信号广播；所述主站MCU控制单元通过所述WIFI模块与所述采集站和所述主机控制终端连接，通过所述WIFI模块，实现所述采集站到所述主站的采样数据快速传输，以及实现所述主站到所述主机控制终端的采样数据快速传输；所述主站MCU控制单元内部的MAC控制器通过所述以太网PHY控制器与所述WIFI模块连接，使用独立的以太网接入WiFi模块构成无线通信方式，满足无线WiFi和以太网有线通信需求。

作为一种具体实现方式，主站433无线通信模块，选用E10-433MS1W无线模块。该模块采用基于SiliconLab公司的无线收发芯片Si4463设计，是一款高性能的433无线收发模块，支持多种调制解调方式，使用433.92MHz的国际通用的ISM频段，最高波特率可500Kbps。Si4463的433无线通信解决方案，具有电路设计简单，稳定性高，固定数据延时的特点。

E10-433MS1W具有以下特性及参数：频率范围：425～525M符合国际通用ISM法规；接收灵敏度：-123dBm@1Kbsp；调制解调格式：FSK/GSK/OOK；输出功率：+30dBm@5V；低工作电流:接收Rx模式下22mA，发送TX模式下660mA@30dBm；数据波特率：最大500Kbsp；电源供电：3.3V～5.5V；TX和RX缓存：64字节的FIFO；数据传送所需的发射功率与天线高度、通信距离、比特率等因素相关。网络的有效传输距离可以由下式子表示：

其中，EIRP为等效发射功率；n为介质的等效传播常数，PRXsens是接收机的灵敏度，GRX为接收天线增益；c为光速；f为电磁波频率。由上可知，在同等发射功率的情况下，选择较低的载波频率可以获得较大的传输距离。所以，触发站与主站、触发站与采集站可能距离较远的情况下，采用了E10-433MS1W模块作为触发信号、时间同步信号的无线发射通道，将载波频率设定为433MHz，调制方式选择为GFSK。同时经过理论计算，E10-433MS1W的无线通信距离可达200米以上。

(1.2)WiFi模块

主站充当一个WIFI热点AP的功能，需要支持主控平台、多个采集站的无线WiFi接入，要求具有比较高的数据实时传输要求，具有比较远的接入距离。在该仪器系统中选用的WIFI模块还需具有AP热点功能，支持串口或以太网支持本地高速接入的功能；支持至少4个以上WiFi站点接入；较高的接入带宽，支持采集站到主控平台的实时数据传输；较高的发射功率，支持较远的距离传输；通过以上需求分析，选用USR-WIFI232-B2高性能WIFI模块作为主站的WIFI通信模块。如图3所示，为WiFi组网示意图。

WIFI通信模块具有以下功能特点：支持802.11b/g/n无线标准；支持TCP/IP网络协议栈；支持UART/GPIO/以太网数据通讯接口；支持无线工作在STA/AP/AP+STA模式；支持路由/桥接模式网络构架；支持快速联网协议(usr-link)；支持注册ID、MAC；支持自定义心跳包、套接字分发协议；支持超时重启、定时重启功能；支持串口自由组帧和自动成帧，转发效率更高；支持Websocket功能，实现串口与网页的实时交互；支持网页、串口AT命令、网络AT命令三种参数配置方式；外置天线、3.3V单电源供电；支持透明/协议数据传输模式；提供AT指令集配置；支持心跳信号、WIFI连接指示；灵活的软件平台，提供定制化服务。与其它模块对比，该模块还具有超低功耗的特点：

表2 USR-WIFI232-B2模块参数规格

从以上可见，USR-WIFI232-B2模块不仅功能上满足主站的应用需求，而且相比其它WiFi模块的具有更高的性能，能够支持多达32个站点接入。

(1.3)以太网接入WIFI

主站支持100/10Mbps的以太网方式接入WIFI模块，使用以太网接入方式，可以提高数据传输的实时性和数据的传输效率(客户要求单站点数据波形能实时传输)。主要由单片机内部的MAC控制器，外部的LAN8720Ai作为PHY控制器一起构成的以太网控制器。如图4所示，为以太网控制器实现原理图。其中使用LAN8720Ai做为PHY控制器，LAN8720Ai是一款低功耗10BASE/100BASE-TX物理层PHY收发器，兼容IEEE802.3-2005标准。

该PHY控制器具有以下特性：高性能的10/100以太网收发器；兼容IEEE802.3/802.3u快速以太网；兼容ISO 802-3/IEEE802.3标准；支持HP自动线对侦测和交换；支持RMII接口；有两个LED指示灯输出；3.3V单电源供电；QFN-24(4*4mm)封装；支持-40～85摄氏度工业级温度。

因此，使用独立的以太网接入WiFi模块构成的无线通信方式，满足无线WiFi和以太网有线通信要求。

(1.4)主站电源管理单元

所述主站电源管理单元包括充放电管理模块、电量计和锂离子电池；如图5所示，为主站电源管理单元的原理框图。

外部DC电源依次通过所述充放电管理模块和所述电量计后，连接到所述主站MCU控制单元；所述锂离子电池和所述电量计双向连接。

(1.4.1)锂离子电池

在隧道地质超前预报仪的各个站点，统一使用7.4V@3800mAh的锂离子聚合物电池作为系统的储能供电。下面对站点在不同工作环境下的功耗估计，见表3所示。

表3站点功耗估算

由上表，可知站点在以下几个工作模式下的功耗估计如表4所示。

表4站点在不同工作模式下的功耗估算

由上面数据的评估结果可知，满足客户不小于8小时的工作时间，选用的电池容量应该不小于17.2Wh。考虑到电池在户外环境温度不可预知，选用电池留有80％的余量，可估算电池容量不应小于21.46Wh，即2900mAh/7.4V。因此选用了3800mAh/7.4V的聚合物锂电池组，满足功耗的需求。

该电池的特性：标称电压：7.4V；充满电电压：8.4V；电池容量：3800mAh；标准充电电流：1A；放电电流：标准1A，最大3.8A；工作温度：-20℃～+55℃；尺寸：10×68×90mm；符合CE认证要求。

(1.4.2)电池充电

本发明使用MP2615作为充放电管理，MP2615是一款工作在开关模式，高效的1～2节电池的充电管理方案，最大支持2A的充电电流。

MP2516具有以下特性：支持4.75V～18V的输入；可达到90％以上的充电效率；支持高达2A的充电电流；0.75％的满电控制精度；支持4.1V/C,4.2V/C可选的电池满电电压；内部集成电源开关；内部环路补偿；具有充电指示；具有过流保护。

(1.4.3)电量计

使用MAX17205作为电池的电量计。MAX17205为超低功耗、独立式电量计IC，采用Maxim ModelGaugeTM M5算法，无需主机进行配置。该特性使MAX17205成为优异的电池组电量计。Maxim的ModelGauge M5算法既有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性，又具有电压电量计出色的长期稳定性，而温度补偿还提供业内领先的计量精度。IC在较宽的工作条件下自动补偿老化、温度和放电率并以毫安时(mAh)或百分比(％)提供精确的电量状态(SOC)。IC精确估算剩余工作时间、充满时间、Cycle+老化预测，以及三种报告电池寿命的方法：容量降低、电池电阻增大和充电次数。IC提供精确的电流、电压和温度测量。利用内部温度测量，以及辅助输入支持比例测量，采用外部热敏电阻测量电池组的温度。MAX17205具有使用简单，设计方便的特点。

MAX17205具有以下关键特性：MAXIM独有的ModelGauge m5算法；消除接近空电压时的误差；避免库伦计数器的漂移；电流、温度和老化补偿；不需要空、满或空闲状态；EZ性能无需进行特征分析；Cycle+老化预测功能，检测使用寿命；非易失存储器，用于独立操作；学习参数和历史记录；提供多达75个字的用户数据；精确的测量系统，无需校准；剩余工作时间和充电时间估算；多达两个外部热敏电阻；多节串联电池组操作；低的静态电流；MAX17205：工作模式下耗流为25μA，深度休眠时为12μA；报警指示：电压、SOC、温度、电流和1％SOC电量变化；高速过流比较器；预测理论负载下的剩余容量；SBS 1.1兼容寄存器组。

(1.5)主站MCU控制单元

MCU是主站的核心控制器，选用STM32F407作为主站的控制MCU(同时也是触发站、采集站的控制核心)。STM32F407的是意法半导体基于Cortex-M4设计的高性能ARM单片机。相比其它MCU，其具有以下几个特性及优点：使用ARM32位Cortex-M4内核设计，支持FPU运算，提高数值运算能力；具有ART加速功能，CPU从FLASH和RAM取指令、执行零等待具有168MHz内核运行速度，210MDIPS运算速率，大大降低了指令的时间；196KB的SRAM空间，可存储更多的数据；具有高速的FSMC外部并行口，外部速率高达60MB/S的传输速率，支持外部数据开始缓存到内部SRAM；以太网MAC控制器，可方便的MCU系统快速接入以太网络；支持DMA传输技术，支持数据实时传输；具有快速外部中断响应，能迅速响应外部设备的中断，减小外设的请求执行时间(如无线同步触发)；支持工业级温度-40℃～+85℃。STM32F407在拥有以上特性外，还拥有丰富的外设资源，便于系统的拓展。

正因为STM32F407具有大的SRAM空间、FLASH空间，而且以上优越的特性，可在其上面运行实时操作系统uCOS-III，不仅可保证信号采集的实时性、无线信号的快速响应，同时便于系统嵌入式软件开发，可方便软件的开发的灵活性，提高系统软件的健壮性。将STM32F407应用在超前隧道地质预报系统中，不仅性能、功能满足要求，而且具有极高的性价比。

(二)触发站

触发站，支持433无线，空旷环境，触发站与主站、采集站最大距离不小于50米。

所述触发站，用于对触发信号进行采样，判断触发信号的激发时刻，将激发时刻记录并广播给各个采集站；所述触发站支持速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路及爆破触发信号多种触发信号的触发；其中，爆破触发信号独立为一个接口，速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路的触发信号统一使用同一个BNC接口；触发类型可选择；

如图6所示，为触发站的原理框图，所述触发站，包括触发单元、触发站无线通信单元、触发站MCU控制单元和触发站电源管理单元。

(2.1)触发单元

其中，所述触发单元包括并行的三种触发单元，分别为第一触发单元、第二触发单元和第三触发单元；所述第一触发单元包括模拟触发输入模块和第一信号调理电路；所述模拟触发输入模块通过所述第一信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第二触发单元包括引爆触发输入模块和电流检测电路；所述引爆触发输入模块通过所述电流检测电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第三触发单元包括IO触发输入模块和第二信号调理电路；所述IO触发输入模块通过所述第二信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元。其中，X分量调理电路、所述Y分量调理电路、所述Z分量调理电路和所述预留的调理电路，均包括串联的数字可编程增益仪表放大器和ADC驱动电路。

其中，触发站的模拟触发输入，可直接支持压电式PE加速度传感器和IEPE加速度传感器，完成速度、加速度传感器的触发。触发站的模拟触发信号产生的基本工作原理如图7所示。

模拟触发接口可通过软件打开内部恒流源，支持内置放大器加速度传感器；也可通过软件关闭恒流源，支持压电式加速度传感器或线圈式速度传感器作为触发输入。

a)前置放大器

若触发站使用的加速度传感器为PE压电加速度传感器，该类传感器输出信号为变化电荷信号。假设加速传感器灵敏度Sn为振动波引起的Δt时间内加速度变化Δg，则引起的电荷变化：

ΔC＝Sn×Δg…………………………………………………………(1)

引起的等效电流：

ΔI＝ΔC/Δt＝(Sn×Δg)/Δt……………………………………………(2)

假设传感器接口输入等效阻抗Ri。则在传感器接口引起的电压变化：

ΔU＝ΔI×Ri＝(Sn×Δg×Ri)/Δt………………………………(3)

通过以上公式计算可知前置放大器的输入阻抗直接影响感应信号的电压幅度。PE压电加速度传感器输出信号一般较小，根据该特性，设计时，选用了具有高输入阻抗、低噪声、高精度的仪表放大器PGA112作为前置放大器。

PGA112提供两个模拟输入，一个三引脚SPI接口，提供内部校准通道用于系统级校准，通道分别连接到GND，0.9V CAL，0.1V CAL和V REF。连接到通道0的外部电压V CAL用作系统校准参考。可通过SPI接口在线调节增益，二进制增益为：1,2,4,8,16,32,64和128；十进制增益为：1,2,5,10,20,50,100和200。在单电源供电的情况下，为了能检测正负信号，需给PGA112接一个直流偏置电压，使其在零输入的时候输出为1/2电源电压。

b)触发条件判断

触发站判断触发条件，主要是通过MCU内部ADC模拟看门狗的比较器功能实现。MCU内部ADC根据采样值的大小，判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内。如果ADC采样值超出阈值，将产生中断信号通知MCU发送触发信号。触发条件判断的工作流程图如图8所示。

通过该方式，不仅减少了硬件比较器的设计，而且能灵活调整触发电平范围，增加了设计灵活性。

c)触发灵敏度

触发站的触发灵敏度，主要指的是电压灵敏度。假设触发接口输入电压Vi，前置放大器增益Gp，前置放大器输出电压Voins，则通过(1)(2)公式的介绍可以知：

Vopga＝Gp×Vi……………………………………(4)

软件设置的模拟看门狗阈值±TRIG_LEVE_H(LSB)，即当ADC的输入电压Vtri转化结果超出±TRIG_LEVE_H(LSB)就判断触发。计算可知Vtri的电压值入：

Vtri＝2×TRIG_LEVE_H×3.3/4096(Vpp)

＝1.61×TRIG_LEVE_H(mVpp)…………………………(5)

通过机上计算，可以知道触发站的触发电平灵敏度如图9所示。

模拟触发输入模块包括加速度传感器、前置放大器、恒流源、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；所述加速度传感器的输出端连接到所述前置放大器的第一输入端；所述前置放大器的输出端依次通过所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口；同时，所述触发信号中断接口的输出端通过所述恒流源连接到所述前置放大器的第二输入端。

引爆触发输入模块包括爆破传感器、爆破输入接口、分流电阻、模拟放大器、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；

所述爆破传感器的输出端依次通过所述爆破输入接口、所述分流电阻、所述模拟放大器、所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口。

触发站在爆破触发模式下，爆破输入接口接爆破传感器的输出端，爆破传感器检测爆炸机和电子雷管的线缆电流变化，当爆炸机引爆雷管时，线缆上的电流突变，爆破传感器检测到电流变化，感应出一定比例的电流信号，感应到的比例电流通过输出端流向分流电阻转化为电压信号，再经过前端放大器放大送给MCU，通过MCU判断触发条件。当触发条件满足要求，触发站通过433发出触发成功广播给各个站点。爆破触发的电路原理框图如图10：

爆破触发信号检测主要通过100欧姆的电阻将爆破传感器感应出的电流I转化围为电压信号V＝I*100，再通过一个固定放大倍速的放大电路输出到MCU的ADC采样，ADC模拟看门狗实时监测信号的变化，当电压信号大于阈值，触发ADC模拟看门狗中断，并发送无线触发广播。前端的放大芯片选用TLV272IDGKR。

TLV27x采用2.7V至16V工作电压，具有-40℃至+125℃的扩展工业温度范围，是一个低功耗、高带宽的运算放大器系列，可提供轨至轨输出。TLV27x的输入电流仅550μA，可提供3MHz带宽。

ADC的转换触发条件判断与模拟触发电路相同，在此不重复。

(2.2)触发站无线通信单元

触发站的无线通信单元硬件电路只有433无线电路部分，与主站一样，在此不重复。

(2.3)触发站电源管理单元

触发站的电源管理单元硬件电路与主站一样，在此不重复。

(2.4)触发站MCU控制单元

触发站的MCU控制单元硬件电路与主站一样，在此不重复。

(三)采集站

采集站，支持2.4G无线WiFi，空旷环境，采集站与主站，最大传输距离不小于30米；支持433无线，空旷环境，采集站与主站、触发站，最大传输距离不小于50米。

采集站具有以下性能：通道数量：每个采集站支持8路；接口类型：差分输入；频率响应：5Hz～20000Hz(±3dB)；输入电平范围：增益为1时，5mVrms～1Vrms；增益为10时，1mVrms～100mVrm；增益为100时，0.1mVrms～10mVrm。输入阻抗：大于10KΩ；增益控制：1、10、100倍可设置；传感器供电：支持5V±10％、最大20mA直流供电输出(支持三分量加速度传感器模块)。

采样参数：采样间隔：8us、16us、32us、64us、128us可设置；采样位数：24位；采样点数：每通道支持512、1024、2048、3072、4096点可选；超前采样：每通道最大不小于100点。

采集站包括模拟采集单元、采集站无线通信单元、采集站电源管理单元、采集站缓存单元和采集站MCU控制单元；采集站硬件电路主要分为两部分：一是模拟采集单元，二是数字控制单元。其中模拟采集单元，主要完成4路模拟信号调理、采集、控制等。数字控制单元，主要完成触发控制、ADC采样数据缓存、数据传输、电量管理等。采集站的原理框图如图11所示。

采集站采集4路传感器信号，并根据预先缓存的数据找出波形的起始时间点，并将触发信号之后的完整波形上传给主站。采集站的数据采集必须满足以下几点：精确的采样时间参数；具有足够长的缓存(300ms左右的波形)；保证采样信号幅度的准确度，即有足够的线性度；足够大的动态范围，以保证能采集到比较弱的信号。基于以上考虑，采集站采用24位的4通道的同步ADC，最高采样率支持到250KHz(采样间隔最小值为4us)，采用CPLD硬件作为ADC的采样控制，外加1MB的SRAM作为4路ADC数据的高速缓存，支持外部数字IO的边缘触发功能，采样数据的传输考虑使用LAN+WIFI的组合方式，支持单站的数据实时显示传输功能。

其中，所述模拟采集单元用于进行4路模拟信号的采集和调理，包括4路模拟采集通道、ADC同步采样模块和采样控制模块CPLD；各路所述模拟采集通道均连接到所述ADC同步采样模块的一端；所述ADC同步采样模块的另一端通过所述采样控制模块CPLD连接到所述采集站MCU控制单元；

其中，所述4路模拟采集通道分别为：X分量采集通道、Y分量采集通道、Z分量采集通道和预留采集通道；所述X分量采集通道包括串联的X分量传感器接口和X分量调理电路；所述Y分量采集通道包括串联的Y分量传感器接口和Y分量调理电路；所述Z分量采集通道包括串联的Z分量传感器接口和Z分量调理电路；所述预留采集通道包括串联的预留的传感器接口和预留的调理电路；

所述采集站无线通信单元包括采集站433无线通信模块、采集站WIFI模块和采集站以太网PHY控制器；所述采集站433无线通信模块、所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器均连接到所述采集站MCU控制单元，并且，所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器相互连接。

(3.1)传感器调理电路

隧道地质超前预报仪测试效果主要取决于信号检测模块的性能，传感器的信号质量是决定检测模块性能关键因素之一，而信号质量最关键的因素是传感器调理电路的设计好坏。调理电路的可调节的增益范围，直接影响到了接口的采集信号动态范围；其电路本底噪声，直接影响信号的信噪比，间接影响信号动态范围。

信号调理电路方案设计，使用了可调节增益的仪表放大器AD8253作为前置放大器，使用ADA4940作为ADC的驱动电路。调理电路的组成原理框图如图12所示。

AD8253是一款数字可编程增益仪表放大器。AD8253支持电压增益为1、10、100、1000四挡数字可编程增益，保证信号经过AD8253硬件上具有最大60dB的动态。同时具有GΩ输入阻抗、低输出噪声、低失真特性，适合应用在传感器接口。

AD8253具有10MHz带宽、-110dB低总谐波失真(THD)，以及780ns至0.001％精度的快速建立时间(最大值)。当增益为1000时，失调电压与增益漂移分别为1.2μV/℃与10ppm/℃。除了具有宽输入共模电压范围外，当DC至20kHz、增益为1000时，这款器件还具有100dB的高共模抑制能力。精密直流性能与高速能力的结合，使得AD8253非常适合于数据采集应用。此外，这款单芯片解决方案还可简化设计与制造，并通过保持内部电阻与放大器的高度匹配来提高仪表性能。相比使用传统的固定增益仪表放大器，加上PGA电路，AD8253省去了电路复杂度，大大降低了前置放大器的噪声。如图13所示，为AD8253仪表放大器的结构图。如图14所示，为增益为1时的电压噪声的示意图。如图15所示，为增益为1000时的电压噪声示意图。

(3.2)ADC的驱动电路

本发明选用了ADA4940作为驱动器。ADA4940相比其它的运放来说，具有极低的电压噪声，低至3.9nV的电压噪声密度，优异的线性度，0～14.5MHz方位内具有0.1dB的平坦度。非常适合24位ADC电路的驱动设计，且具有较高的性价比。

采集的传感器信号先经过接口后面的隔值电容后就进入了调理电路，由于采集站有433无线模块和WiFi模块，为了减少无线通信对采集信号的干扰，此处使用了两级低通RC滤波网络，使射频干扰降至最小，由于仪表放大器输入使用的是交流耦合，须在两输入管脚接一个电阻到地，创建一条输入偏置电流的返回路径。仪表放大器需要缓冲器来驱动ADC，此处选取低噪声的ADA4940作为ADC的驱动芯片，输出使用抗混叠滤波器进一步滤除干扰信号。

(3.3)ADC采样

a)ADC电路

隧道地质超前预报仪信号质量除了前端模拟电路的调理外，还需要一个符合要求的ADC采样，ADC的性能决定了信号量化之后的误差及噪声。采集站的ADC，选用的ADI公司推出的AD7768-4，该ADC是4路24位高精度同步ADC。AD7768-4具有优异的AC/DC特性，4通道同步采样，每通道支持的最高采样率为256KHz，在最高采样率下仍具有108dB优异的动态范围，且内部具有可配置的数字滤波器。非常适合隧道地质超前预报仪要求具有高动态范围的应用场景。

AD7768-4具有24位的量化位数、4通道低功耗同步采样、最高256K采样率的SAR型高精度ADC。其特性如下：24位ADC；4通道同步采样；同步采样时每通道最高采样率256Ksps；108dB的动态范围；优异的AC参数，SIND＝107.5dB，TDH＝-120dB，SFDR＝128dBc(1KHz，-0.5dBFS正弦波测试)；支持多种采样模式，快速模式(256KSPS)、中速模式(128KSPS)、低速模式32KSPS)可使用4路串口数据输出；低功耗，采样率32Ksps时，每通道只需要9.375mW；可支持工业级温度，工作温度-40℃～125℃。AD7768-4优异的性能，完全满足隧道地质超前预报仪的0～4kHz模拟信号精密采样要求。

b)ADC采样控制CPLD

由于ADC采用的是高速串行传输(类似SSI)接口协议，因此需要在ADC和MCU之间加入协议转换的硬件逻辑电路。在完成采样控制的同时，可在CPLD内部设计一个高速的数字比较器，完成ADC模拟采集的触发控制。采集站的硬件逻辑电路，采用的是EEPROM型的可编程逻辑电路CPLD。器件采用Altera公司生产的MAX II系列的CPLD，EPM1270GT144C5N。相比SRAM型FPGA，CPLD无需外挂配置存储器，提高了逻辑电路的稳定性，同时具有更宽的工作温度及更高的性价比。EPM1270GT144C5N的内部主要由LAB构成，每个LAB内含多个LE单元，同时有多个内部高速布线通道组成。采集站中，CPLD主要负责将多路的ADC的串行时序逻辑(SSI)转换为单片机并行的FSMC时序。通过内部的逻辑电路，实时判断ADC采集值，与内部的硬件比较逻辑功能，产生模拟通道的触发信号。

(3.4)快速缓存：

隧道地质超前预报仪，要求能测量到前方200米范围的地震波反射信号，地震波从震源产生、传播、反射、传播再到传感器接收最大来回距离大概需要约400～500米的范围，即地震波传输时间约300ms左右的时间，需要有足够的缓存空间。因此，采集站设计需要外拓高速存储器，其框图如图17，为ADC采样数据快速缓存的原理框图。

4路ADC采样数据通过SSI串行口输出4x24位的串行数据。ADC串行数据经过CPLD的串行转并行逻辑，转换为16位FSMC并行逻辑时序。经过CPLD转换后的ADC并行数据，通过MCU的DMA数据直接传输功能，快速缓冲到外部2MB的SRAM里。如图16所示，为CPLD桥接电路内部逻辑示意图。

采集站设计采用了1片IS64WV102416BLL高速SRAM存储器，作为外拓的缓存空间。该芯片具有16Mbit(2MB)、16位并行口的高速SRAM、10ns的读写时间(约100MHz)。使用外拓存储器的方式，采集站可以支持更多采样数据缓存。

(3.5)采集站无线通信单元

采集站的433无线通信硬件电路同主站一样，在此不重复。

(3.6)采集站WiFi模块

采集站作为STA，只要支持socket通信的模块都能满足要求，为了节省成本及降低功耗，本方案选取有人的USR-C322模块作为采集站的WiFi通信模块。

(3.7)采集站电源管理

采集站的电源管理单元硬件电路同主站、触发站一样，在此不重复。

(3.8)采集站MCU控制部分

采集站的MCU控制部分硬件电路与主站、触发站一样，在此不重复。

本发明还提供一种三维成像隧道地质超前预报仪的预报方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道掌子面均匀布置多台采集站；在隧道掌子面布置触发站；各个所述采集站和所述触发站均无线连接到主站；所述触发站分别与各个所述采集站无线连接；所述主站和主机控制终端无线连接；

步骤2，当需要进行三维成像隧道地质超前预报时，震源在隧道掌子面产生振动波，并触发所述触发站进行振动波的采集；

所述触发站进行振动波的采集方法包括：

1)如果采用模拟触发模式，当铁锤作为震源敲打隧道掌子面时，打开内部恒流源，加速度传感器采集振动波信号，输出变化电荷信号形式的振动波信号，并与恒流源输入的恒流电流叠加后输入到前置放大器；前置放大器对叠加后的信号进行放大处理后，输入到ADC转换器；ADC转换器再将转换后的ADC采样值发送到模拟看门狗比较器；模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

2)如果为爆破触发模式，爆破输入接口连接爆破传感器的输出端，爆破传感器检测爆炸机和电子雷管的线缆电流变化，当爆炸机引爆雷管时，线缆上的电流突变，爆破传感器检测到电流变化，感应出一定比例的电流信号，感应到的比例电流通过输出端流向分流电阻转化为电压信号，再经过模拟放大器放大和ADC转换器采样后，发送给模拟看门狗比较器；所述模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

步骤2，触发站MCU控制单元在检测到中断产生的触发信号后，通过433无线通信模块向各个所述采集站发送同步触发命令，其中，同步触发命令中携带同步计时器的时间戳；

步骤3，对于每个所述采集站，共设置有4个采样通道，并且，每个采样通道设定4096个点的预采集深度；在所述采集站进行一定的预采集后，接收到所述触发站MCU控制单元下发的同步触发命令；

所述采集站接收到所述同步触发命令后，继续进行采样，并通过比较触发站MCU控制单元下发的时间戳、本地同步时间值、采样间隔时间和采样长度，计算出同步采样数据在预采样数据的起始位置以及采样数据的结束位置，从而得到采样数据段，并将所述采样数据段缓存在本地缓存中；

步骤4，在所述采集站采样结束后，所述主站通过无线通信读取所述采集站本地缓存存储的所述采样数据，并上传给主机控制终端；

步骤5，所述主机控制终端对所述采样数据进行分析，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模，实现三维成像隧道地质超前预报。

作为一种具体实现方式，采用以下方法同步采样：

步骤1，在振动波采集测线上，按从一侧向另一侧方向，依次布置触发站以及各个采集站；主站、所述触发站以及各个所述采集站之间建立433MHz无线实时通信网络；

步骤2，当所述主站、所述触发站以及各个所述采集站形成的整套系统启动时，通过以下处理流程实现所述触发站与各个所述采集站、所述采集站与所述采集站间的计时器时间同步：

步骤2.1，所述主站、所述触发站和各个所述采集站上电后，均分别启动本地计时器；

其中，对于所述触发站和各个所述采集站，采用0.1ppm高稳晶振产生20MHz时钟，经过MCU的内部20分频为1MHz高精度计数时钟，并提供给32位计数器作为高进度计时器；

步骤2.2，所述主站判断是否为第一次开机，如果是，则执行步骤2.3；如果不是，则执行步骤2.4-步骤2.6；

步骤2.3，如果所述主站为第一次开机，所述主站清零本地计时器，并发出同步清零广播；

所述触发站和各个所述采集站接收到同步清零广播后，立即同步清零本地计时器；

步骤2.4，每隔20秒，所述主站将本地计时器值，以时间戳方式，通过433MHz无线广播发送给所述触发站以及各个所述采集站；

步骤2.5，所述触发站以及各个所述采集站接收到所述主站广播的时间戳后，触发通信中断处理单元，通过通信中断处理单元在中断中读取本地计时器值；

步骤2.6，所述触发站以及各个所述采集站将从主站广播解析到的时间戳，与本地计时器值进行对比，如果本地计时器值与时间戳误差大于5us，则将时间戳的值写入本地计时器；如果不大于5us，则不处理，返回执行步骤2.4；

如果不断循环，保证在整个采样过程中，所述触发站与各个所述采集站、所述采集站与所述采集站间的计时器时间同步；

步骤3，在保证所述触发站与各个所述采集站、所述采集站与所述采集站间的计时器时间同步后，通过以下方式，实现所述触发站与各个所述采集站的同步触发采样：

步骤3.1，所述主站使所述触发站与各个所述采集站进入预采样状态，具体为：

步骤3.1.1，所述主站通过433MHz无线广播预采样命令给所述触发站和各个所述采集站；

步骤3.1.2，所述触发站和各个所述采集站接收到所述预采样命令后，所述触发站和各个所述采集站即进入预采样状态；其中，所述预采样状态是指：所述触发站和各个所述采集站开始进行ADC采样，并开始将采样数据缓存到环形缓存内存空间；

步骤3.1.3，所述主站广播预采样命令后，延时20毫秒之后，所述主站轮询所述触发站和各个所述采集站的工作状态，确认所述触发站和各个所述采集站是否已进入预采样状态；如果存在没有进入预采样状态的所述触发站或所述采集站，则返回步骤3.1.1，所述主站再次通过433MHz无线广播预采样命令给所述触发站和各个所述采集站；如果所述触发站和各个所述采集站均已成功进入预采样状态，则执行步骤3.2；

步骤3.2，在预采样状态下，所述触发站设置内部ADC进入模拟看门狗状态，监测外部触发模拟信号的采样值大小，当监测到所述外部触发模拟信号的采样值超出阈值时，所述触发站进入触发准备状态，并记录此时的本地同步计数器值，记录的本地同步计数器值即为触发时刻的同步计数器值；

步骤3.3，所述触发站进入触发准备状态后，所述触发站向各个所述采集站广播触发成功的消息，在所述触发成功的消息中携带触发时刻记录的同步计数器值，该携带触发时刻记录的同步计数器值作为时间戳值TrigTap；

步骤3.4，各个所述采集站接收到所述触发成功的消息后，从所述触发成功的消息中解析到时间戳值TrigTap，并同时记录本地计数器值TrigTick；其中，所述时间戳值TrigTap在所述本地计数器值TrigTick的时间前面；

步骤3.5，然后，各个所述采集站进入采样状态，开始采样，当采集到指定深度的数据之后，停止采样；

步骤3.6，所述采集站根据所述时间戳值TrigTap和所述本地计数器值TrigTick之间的差值，以及采样速率，计算出所述时间戳值TrigTap到所述本地计数器值TrigTick之间的采样数量；

然后，所述采集站查找ADC缓存，定位到与所述本地计数器值TrigTick对应的数据位置，再从所述本地计数器值TrigTick对应的数据位置开始向前经过步骤3.6确定的采样数量后，定位到的位置即为触发时刻数据起始位置；然后，从所述数据起始位置开始向后经过设定的总采样数量后，定位到的位置即为采样数据结束位置。

本发明提供的三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法，具有以下创新点：

(1)高精度时间同步

隧道地质超前预报仪的采集时间同步精度，关系到了地震波在隧道前方地层中走时的计算精度，最终影响到了异常地层位置的判断。在系统中，为了实现高精度时间同步，使用了以下途径解决该问题：1)采用具有固定延时、低时延433无线通信方式，分发同步清零命令，保证每条命令从产生、传输、接收的时间延时为固定值；2)采用中断处理的方式，处理无线清零命令，保证每次命令的执行时间固定，且在最小延时内；3)每个站点，使用20MHz/0.5ppm高稳定晶振作为本地计时器的时钟参考源，保证不同站点计时累计误差最小(每秒产生0.5us的最大累计误差)；4)主站每隔20s发送一次同步清零命令，消除累计时间误差引起同步时间偏差过大的问题；为了避免部分站点没收到无线命令，引起同步失调问题，站点本地计时器每隔20秒自动溢出，自动清零重新开始计时。

软件实现的基本流程如下：

1)主站通过433无线网络发送时间清零广播命令；

2)触发站、采集站接收到时间清零广播，通过中断执行本地计时器清零命令；

3)清零后各站点计时器重新计时，由于各个站点的硬件及软件都是一样，采用中断的执行的方式减小命令延时，无线数据传输的空间距离延时差忽略，在时间误差允许的范围内，可认为它们的计时器是同步计时；

4)每隔20秒，主站通过433无线网络重新发送一次时间清零广播命令；

5)当站点在20秒内没有接到同步清零命令，站点定时器自动溢出清零。

6)当有新的站点入网，主站重新发送一次零时。

7)当所有定时器采用20MHz，0.5ppm的晶振分频做参考时钟源时，各个站点间的同步时间可控制在30微秒内，满足该系统的应用需求。

(2)多通道ADC无线同步采样

隧道地质超前预报仪的每个采集器，需要具有4通道24位ADC采集，同时采集器之间的ADC采样需要通过无线同步。

每个采集器需要4通道24位ADC同步采样，要求最高的采样率支持250KHz，同时达到300ms左右的波形缓存时间。同步采样时总线传输带宽250KHz×4B×4＝4MB/S，同时需要提供4MB/S×0.3S＝1.2MB的缓存空间。可见单个采集器对ADC采集数据的快速缓存能力、提供足够的缓存空间是非常重要的。在设计中，通过以下方法解决：

1)采用具有4路同步采样的AD7768-4集成芯片；2)采用CPLD作为ADC芯片和单片机的桥接，将高速串行数据转换为并行数据；3)采用大容量的高速SRAM作为多ADC的快速缓存；4)采用DMA快速存储技术，实现多路数据的快速缓存；

通过以上几个方式，可以实现设备内4路24位无时间差的同步采样，同时具有最小300mS的波形缓存、最长达9秒的波形记录时间。

系统中最少有3个采集器需要通过无线同步采样无线数据，采集站间的采样同步主要是通过设备间的时间同步，配合单片机的软件设计实现的。主要通过以下几个方法解决：

1)通过433无线发送时间同步命令，达到低误差的时间同步；2)采集器统一由触发站，通过433无线发送同步触发命令，实现采集器的ADC采集的同步启动；3)触发站发送同步触发命令时，带上同步计时器的时间戳；4)采集站每个通道设定4096个点的预采集深度，消除由于无线触发命令发送引起的延时；5)通过触发站的同步时间戳、本地同步时间值、采样间隔时间、采样长度等参数，可计算出同步采样数据在预采样数据的起始位置、采样数据的结束位置。

采用以上方法，可实现多个采集器同步采样时间误差30微秒内，远远满足隧道地质超前预报仪对时间精度的要求。

(3)大动态范围信号采样

隧道地质超前预报仪的采集器，需要对直达地震波信号和反射地震波信号进行摄取采样，直达波和反射波的信号幅度相差非常大，要求对动态范围达到100dB信号采样(满幅值1Vpp，最小信号10uVpp)。因此对信号的调理电路、模拟电源设计、采样电路有比较严格的设计要求。设计中，主要通过以下途径解决该问题：

1)优化电路设计，降低调理电路的引入的电子噪声，提高模拟信号(特别是微弱信号)放大后的信噪比：

a.使用低噪声仪表放大器及运放；b.减少调理电路放大器级数；c.增加模拟电路的滤波设计；d.通过PCB的布局优化，减少电路系统引入的电子干扰噪声；e.通过优化PCB的地层、电源层分割；f.优化电源设计，降低电源噪声，降低电源噪声对微弱信号的干扰；g.内部线缆的连接使用屏蔽线缆。

2)低噪声模拟电压设计：

a.使用DC-DC开关电源设计，完成高效电源的降压、反向变换；b.开关输出后，用LC滤波方式，滤除电源高频率噪声；c.使用底噪、高PSRR的LDO，作为模拟电源的稳压、噪声抑制；d.优化电源的布局及地层分割设计。采用24位、大动态范围的ADC作为模拟到数字转换：a.采用ADI推迟AD7768-4，24位ADC作为模式转换；b.AD7768-4输入动态范围达到108dB；c.采用4.096V参考源，线性滤波时，ADC在256Ksps下，ADC采样不确定位数引起的噪声有效值仅为11.58uV；d.在32Ksps噪声有效值仅为3.82uV；e.采用该ADC，可对10uVpp～4.096Vpp的直接采样。

通过以上设计措施，理论上采集器在不调整增益的情况下，可对动态范围达到100dB左右信号有效的转换；在调整增益的情况下，可对120dB动态范围的信号进行采样。可满足隧道地质超前预报仪的设计要求。

本发明提供的三维成像隧道地质超前预报仪及预报方法，具有以下优点：

(1)所有数据交互均通过无线传输，相对于需要大量线缆、现场布线困难的传统有线数据采集系统，本装备无需大量线缆，安装方便、小型便携、现场布置简单。

(2)无线多站点分布式的采集系统最关键的技术问题就是各个站点的采集时间同步问题，本方案利用20MHz/0.5ppm高精度高稳定晶振作为本地的时钟参考源，及通过433无线模块发布时间同步命令，实现多个采集器同步采样时间误差范围在1-3个采样点，满足隧道地质超前预报仪对时间精度的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，包括：主机控制终端、主站、采集站和触发站；

其中，所述主机控制终端采用加固笔记本电脑或加固平板电脑；

所述主站作为站点的管理单元，通过无线WiFi与所述采集站、所述触发站和所述主机控制终端通信传输采样数据，并通过无线通信方式管理所述触发站和所述采集站触发时间同步；

所述主站包括主站无线通信单元、主站电源管理单元和主站MCU控制单元；所述主站MCU控制单元分别与所述主站无线通信单元和所述主站电源管理单元连接；

其中，所述主站无线通信单元包括主站433无线通信模块、WIFI模块和以太网PHY控制器；所述主站MCU控制单元通过所述主站433无线通信模块与各个所述采集站和所述触发站无线连接，通过所述主站433无线通信模块，向各个所述采集站和所述触发站发送时间同步广播和触发信号广播；所述主站MCU控制单元通过所述WIFI模块与所述采集站和所述主机控制终端连接，通过所述WIFI模块，实现所述采集站到所述主站的采样数据快速传输，以及实现所述主站到所述主机控制终端的采样数据快速传输；所述主站MCU控制单元内部的MAC控制器通过所述以太网PHY控制器与所述WIFI模块连接，使用独立的以太网接入WiFi模块构成无线通信方式，满足无线WiFi和以太网有线通信需求；

所述主站电源管理单元包括充放电管理模块、电量计和锂离子电池；外部DC电源依次通过所述充放电管理模块和所述电量计后，连接到所述主站MCU控制单元；所述锂离子电池和所述电量计双向连接；

所述触发站，用于对触发信号进行采样，判断触发信号的激发时刻，将激发时刻记录并广播给各个采集站；所述触发站支持速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路及爆破触发信号多种触发信号的触发；其中，爆破触发信号独立为一个接口，速度传感器、加速度传感器、IO短路、IO断路的触发信号统一使用同一个BNC接口；触发类型可选择；

所述触发站，包括触发单元、触发站无线通信单元、触发站MCU控制单元和触发站电源管理单元；

其中，所述触发单元包括并行的三种触发单元，分别为第一触发单元、第二触发单元和第三触发单元；所述第一触发单元包括模拟触发输入模块和第一信号调理电路；所述模拟触发输入模块通过所述第一信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第二触发单元包括引爆触发输入模块和电流检测电路；所述引爆触发输入模块通过所述电流检测电路连接到所述触发站MCU控制单元；所述第三触发单元包括IO触发输入模块和第二信号调理电路；所述IO触发输入模块通过所述第二信号调理电路连接到所述触发站MCU控制单元；

所述触发站无线通信单元采用触发站433无线通信模块；

所述采集站包括模拟采集单元、采集站无线通信单元、采集站电源管理单元、采集站缓存单元和采集站MCU控制单元；

其中，所述模拟采集单元用于进行4路模拟信号的采集和调理，包括4路模拟采集通道、ADC同步采样模块和采样控制模块CPLD；各路所述模拟采集通道均连接到所述ADC同步采样模块的一端；所述ADC同步采样模块的另一端通过所述采样控制模块CPLD连接到所述采集站MCU控制单元；

其中，所述4路模拟采集通道分别为：X分量采集通道、Y分量采集通道、Z分量采集通道和预留采集通道；所述X分量采集通道包括串联的X分量传感器接口和X分量调理电路；所述Y分量采集通道包括串联的Y分量传感器接口和Y分量调理电路；所述Z分量采集通道包括串联的Z分量传感器接口和Z分量调理电路；所述预留采集通道包括串联的预留的传感器接口和预留的调理电路；

所述采集站无线通信单元包括采集站433无线通信模块、采集站WIFI模块和采集站以太网PHY控制器；所述采集站433无线通信模块、所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器均连接到所述采集站MCU控制单元，并且，所述采集站WIFI模块和所述采集站以太网PHY控制器相互连接。

2.根据权利要求1所述的三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，所述模拟触发输入模块包括加速度传感器、前置放大器、恒流源、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；所述加速度传感器的输出端连接到所述前置放大器的第一输入端；所述前置放大器的输出端依次通过所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口；同时，所述触发信号中断接口的输出端通过所述恒流源连接到所述前置放大器的第二输入端。

3.根据权利要求2所述的三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，所述加速度传感器为PE加速度传感器或IEPE加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，所述引爆触发输入模块包括爆破传感器、爆破输入接口、分流电阻、模拟放大器、ADC转换器、模拟看门狗比较器和触发信号中断接口；

所述爆破传感器的输出端依次通过所述爆破输入接口、所述分流电阻、所述模拟放大器、所述ADC转换器和所述模拟看门狗比较器后，连接到所述触发信号中断接口。

5.根据权利要求1所述的三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，所述X分量调理电路、所述Y分量调理电路、所述Z分量调理电路和所述预留的调理电路，均包括串联的数字可编程增益仪表放大器和ADC驱动电路。

6.根据权利要求1所述的三维成像隧道地质超前预报仪，其特征在于，所述采集站缓存单元采用2MB的SRAM外部缓冲单元。

7.一种权利要求1-6任一项所述的三维成像隧道地质超前预报仪的预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在隧道掌子面均匀布置多台采集站；在隧道掌子面布置触发站；各个所述采集站和所述触发站均无线连接到主站；所述触发站分别与各个所述采集站无线连接；所述主站和主机控制终端无线连接；

步骤2，当需要进行三维成像隧道地质超前预报时，震源在隧道掌子面产生振动波，并触发所述触发站进行振动波的采集；

所述触发站进行振动波的采集方法包括：

1)如果采用模拟触发模式，当铁锤作为震源敲打隧道掌子面时，打开内部恒流源，加速度传感器采集振动波信号，输出变化电荷信号形式的振动波信号，并与恒流源输入的恒流电流叠加后输入到前置放大器；前置放大器对叠加后的信号进行放大处理后，输入到ADC转换器；ADC转换器再将转换后的ADC采样值发送到模拟看门狗比较器；模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

2)如果为爆破触发模式，爆破输入接口连接爆破传感器的输出端，爆破传感器检测爆炸机和电子雷管的线缆电流变化，当爆炸机引爆雷管时，线缆上的电流突变，爆破传感器检测到电流变化，感应出一定比例的电流信号，感应到的比例电流通过输出端流向分流电阻转化为电压信号，再经过模拟放大器放大和ADC转换器采样后，发送给模拟看门狗比较器；所述模拟看门狗比较器判断ADC采样值是否在设定的阈值范围内，如果ADC采样值超出阈值，则产生中断信号通知触发站MCU控制单元发送触发信号；如果没有超出阈值，则持续进行采样操作；

步骤2，触发站MCU控制单元在检测到中断产生的触发信号后，通过433无线通信模块向各个所述采集站发送同步触发命令，其中，同步触发命令中携带同步计时器的时间戳；

步骤3，对于每个所述采集站，共设置有4个采样通道，并且，每个采样通道设定4096个点的预采集深度；在所述采集站进行一定的预采集后，接收到所述触发站MCU控制单元下发的同步触发命令；

所述采集站接收到所述同步触发命令后，继续进行采样，并通过比较触发站MCU控制单元下发的时间戳、本地同步时间值、采样间隔时间和采样长度，计算出同步采样数据在预采样数据的起始位置以及采样数据的结束位置，从而得到采样数据段，并将所述采样数据段缓存在本地缓存中；

步骤4，在所述采集站采样结束后，所述主站通过无线通信读取所述采集站本地缓存存储的所述采样数据，并上传给主机控制终端；

步骤5，所述主机控制终端对所述采样数据进行分析，获取掌子面前方不良地质体的位置和规模，实现三维成像隧道地质超前预报。