CN113726455B - 一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，包括：微处理器单元、发射机、接收机、人机交互GUI界面和WiFi模块；微处理器单元分别与发射机、接收机、人机交互GUI界面和WiFi模块连接；发射机和接收机为收发一体机，共用一个环形天线，通过人机交互GUI界面选择模式，包括发射模式和接收模式，微处理器单元根据选择的模式切换档位开关，使环形天线根据所在模式连接对应的阻抗匹配网络，以进行地下空间巷道地质探测信号的发射或接收，WiFi模块将接收到的地下空间巷道地质探测信号输出至上位机显示。本发明将发射机和接收机一体化设置，采用数字化信号处理方式，模式切换灵活，硬件结构简单，缩短了开发周期，提高了信号收发效率。

Description

一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪

技术领域

本发明属于地质勘探领域，具体属于一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪。

背景技术

在密闭地下空间通过无线通信收发转置进行地质构造探测是当前地质构造探测的一个主要研究方向。然而，由于地下空间不同于普通的无线传输信道，由于地层遮挡严重、地质构成探测不适合普通的高频信号进行传输，必须采用波长较长的中、低频段，因而存在信号衰减大、多径干扰十分严重的问题，使得信号在收发过程中，噪声和干扰的影响十分显著，难以设计高灵敏度的检测转置。

地质结构探测仪主要用于煤系地层的发育检测，基于反射波地震勘探的原理，利用矿井巷道空间布置收发装置。发射端发送100K～3M的大功率中频波信号，穿透地质层，在接收端接收反射回波，当地层中存在不良地质体时，介质间存在弹性差异，这为反射波的产生和传播提供了良好的物理前提。通过电磁波在地层界面不同的回波特性，获得地质构造的基本数据。巷道周边界面反射波时距曲线具有比较清晰的规律，如巷道迎头前方地质异常界面反射波表现为负视速度特征。

现有的地质结构探测仪存在以下技术问题：

1、采用三极管、可调电容、可调电感等分立式元件来搭建发射机与接收机，虽然发射功率可以做到很大，但是调试极为不易，随着部分元件的老化，对最终性能影响较大，其稳定性与可靠性存在一定的问题。

2、对于发射机而言，由于本振信号与晶振的频率固定，所以发射机的载波频率就固定了，从而不能针对不同地质环境来进行调整(因为不同介质针对不同频率的回波特性敏感度是不一样的)。

3、发射机与接收机为两个独立仪器设备，开发与使用都带来了不便。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种地下空间巷道地质探测收发一体测试仪(简称地质结构探测仪)的设计需求和技术指标：即发射机发射功率大于20W(属于超大功率发射范畴)、接收机灵敏度优于0.05uV(超高灵敏度)、接收机动态范围大于120dB、最大传输距离达到300m。

本发明提出了一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，包括：微处理器单元、发射机、接收机、人机交互GUI界面和WiFi模块；

所述微处理器单元分别与所述发射机、所述接收机、所述人机交互GUI界面和所述WiFi模块连接；

所述发射机和所述接收机为收发一体机，共用一个环形天线，通过所述人机交互GUI界面选择模式，包括发射模式和接收模式，所述微处理器单元根据选择的模式切换档位开关，使所述环形天线根据所在模式连接对应的阻抗匹配网络，以进行地下空间巷道地质探测信号的发射或接收，所述WiFi模块将接收到的地下空间巷道地质探测信号输出至上位机显示。

进一步地，所述发射机包括：DDS信号发生器、功率放大器和发射端阻抗匹配网络；

所述DDS信号发生器的输入端与所述微处理器单元连接，所述DDS信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述发射端阻抗匹配网络的输入端连接，所述发射端阻抗匹配网络的输出端与所述环形天线的输入端连接。

进一步地，所述接收机包括：自动增益控制模块AGC、低噪声放大器模块LNA、接收端阻抗匹配网络、低通滤波器模块LPF和高速模数转换模块ADC；

所述环形天线的输出端与所述接收端阻抗匹配网络的输入端连接，所述接收端阻抗匹配网络的输出端与所述低噪声放大器模块LNA的输入端连接，所述低噪声放大器模块LNA的输出端与所述自动增益控制模块AGC的第一输入端连接，所述微处理器单元与所述自动增益控制模块AGC的第二输入端连接，所述自动增益控制模块AGC的输出端与所述低通滤波器模块LPF的输入端连接，所述低通滤波器模块LPF的输出端与所述高速模数转换模块ADC的输入端连接，所述高速模数转换模块ADC的输出端与所述微处理器单元连接。

进一步地，所述人机交互GUI界面采用可触摸屏幕，所述可触摸屏幕包括：波形显示模块、模式切换模块和频点选择模块；所述波形显示模块用于显示数据波形和数据结果，所述模式切换模块用于切换发射模式与接收模式，所述频点选择模块用于选择发射信号的频率。

进一步地，所述DDS信号发生器包括AD9851芯片。

进一步地，所述功率放大器包括THS3091芯片和BUF634芯片，多个所述THS3091芯片与所述BUF634芯片均采用并联的形式连接，以增大驱动能。

进一步地，所述低噪声放大器模块LNA包括AD8429芯片，所述AD8429芯片与电压跟随器AD817连接。

进一步地，所述自动增益控制模块AGC包括VCA810芯片，能够在-40dB至40dB之间进行调节，控制电压为-2V至0V。

进一步地，所述低通滤波器模块LPF采用八阶巴特沃斯-贝塞尔滤波器，包括两片双运放AD8032芯片。

进一步地，所述高速模数转换模块ADC采用65MHz的高速采样AD芯片，所述微处理器单元采用单片机或FPGA。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

将发射机和接收机一体化，共用一个环形增益天线，模式切换灵活，发射机部分通过微处理器单元直接控制DDS信号发生器，可以产生需要的任意波形，接收机部分将接收到的信号直接进行运放的放大和滤波后，将模拟信号转换成数字信号采样，通过微处理器单元的程序对数据流进行滤波，提取有用信号以及后续算法处理，因此不需要传统的复杂变频过程，因此硬件结构简单，缩短了开发周期，提高了信号收发效率，使用方便，易于进行二次开发。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪的结构框架图；

图2是本发明功率放大器的电路原理图；

图3是本发明低噪声放大器模块LNA的电路原理图；

图4是本发明自动增益控制模块AGC的电路原理图；

图5是本发明低通滤波器模块LPF的电路原理图；

图6是本发明高速模数转换模块ADC的电路原理图；

图7是本发明微处理器单元的电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

地下空间巷道地质超前探测的工作原理采用三分量反射地震方法，与其他的反射地震方法一样，采用回波测量原理。地震波在指定的震源点用小药量激发产生。地震波在煤岩中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带、陷落柱等构造)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质。反射的地震信号被灵敏度高的地震检波器接收。

基于上述工作原理，本实施例提出了一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，如图1所示，该地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪包括：微处理器单元、发射机、接收机、人机交互GUI界面和WiFi模块；

所述微处理器单元分别与所述发射机、所述接收机、所述人机交互GUI界面和所述WiFi模块连接；

所述发射机和所述接收机为收发一体机，共用一个环形天线，通过所述人机交互GUI界面选择模式，包括发射模式和接收模式，所述微处理器单元根据选择的模式切换档位开关，使所述环形天线根据所在模式连接对应的阻抗匹配网络，以进行地下空间巷道地质探测信号的发射或接收，所述WiFi模块将接收到的地下空间巷道地质探测信号输出至上位机显示。

在本实施例中，所述发射机包括：DDS信号发生器、功率放大器和发射端阻抗匹配网络；

所述DDS信号发生器的输入端与所述微处理器单元连接，所述DDS信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述发射端阻抗匹配网络的输入端连接，所述发射端阻抗匹配网络的输出端与所述环形天线的输入端连接。

具体地，在本实施例中，DDS信号发生器采用AD公司的AD9851芯片，微处理器单元MCU采用单片机(但是不限制，也可以用FPGA)。考虑到系统需要根据地层传输条件改变发射信号的频率，使发射频率为88K、158K、365K、956K档位可调，因此采用人机交互GUI界面可调的方案来实现。

功率放大器采用TI公司的THS3091与BUF634芯片，先通过宽电压供电的电流反馈放大器将小信号放大至28Vpp左右，然后通过并联的功率输出级送到负载天线上。

将BUF634接入反馈环路中，利用反馈减小失调电压和失真，且BUF634还具有宽带与大电流输出的两个特点，本实施例使用3片(甚至更多)的BUF634并联来完成功率驱动，从而减少每一颗BUF634上的电流输出。两级之间的50欧姆电阻是为了隔离THS3091输出级与BUF634输入寄生电容。

如图2所示，前级电流反馈放大器采用并联驱动，使得每个芯片上的电流尽可能的小，后级功率驱动级也采用多个BUF634并联，提高其驱动能力，接入5欧姆假负载时，信号不失真输出，电流有效值为1.85A，电压有效值为9.27V，总功率大于15W。

信号发生器DDS输出的信号与功率放大器的JP1相连，其中R9为输入信号阻抗匹配电阻R11、R7、R12、R8、R10为预留的π型阻抗匹配网络的元件位置。多片THS3091与BUF634均采用并联的形式连接，以增大驱动能力。R3、R6、R15均为50Ω电阻，可以起到阻抗匹配的作用，同时也可以隔离THS3091输出级与BUF634输入寄生电容。放大倍数由R1、R2、R4、R5以及R13、R14联合决定，其中输出的三路信号进行叠加，增强驱动能力，这里三路结构一样，将信号幅值均放大8倍。然后进入BUF634并联电流驱动环节，最后经过阻抗匹配网络输出至天线。

在本实施例中，所述接收机包括：自动增益控制模块AGC、低噪声放大器模块LNA、接收端阻抗匹配网络、低通滤波器模块LPF和高速模数转换模块ADC；

所述环形天线的输出端与所述接收端阻抗匹配网络的输入端连接，所述接收端阻抗匹配网络的输出端与所述低噪声放大器模块LNA的输入端连接，所述低噪声放大器模块LNA的输出端与所述自动增益控制模块AGC的第一输入端连接，所述微处理器单元与所述自动增益控制模块AGC的第二输入端连接，所述自动增益控制模块AGC的输出端与所述低通滤波器模块LPF的输入端连接，所述低通滤波器模块LPF的输出端与所述高速模数转换模块ADC的输入端连接，所述高速模数转换模块ADC的输出端与所述微处理器单元连接。

相对而言，接收机的结构比发射机复杂，而相较于传统的模拟接收机而言，本发明大大简化了接受数据处理流程，减少了信号处理过程过多而引入的噪声与失真。而且将原本需要模拟器件进行几次下变频，到现在的直接相干解调出雷达信号之后，直接使用高速模数转换模块ADC进行信号采集，将信号转变为数字信号后在进行算法分析处理。本接收机的核心部分包括：自动增益控制模块AGC、低噪声放大器模块LNA、接收端阻抗匹配网络、低通滤波器模块LPF和高速模数转换模块ADC，微控制器与VCA810进行及时反馈调节，从而使得自动增益控制模块AGC形成完整的闭环控制系统。

具体地，低噪声放大器模块LNA拟采用AD公司的低噪声运算放大器AD8429芯片。AD8429的高CMRR防止不必要的信号破坏采集。CMRR随着增益的增加而增加。高性能的引脚配置AD8429允许可靠地保持高CMRR在频率远远超过那些典型的仪器放大器。

设计电路原理图如图3所示：电路结构为双信号差分输入，若信号为单输入，则信号通过JP1输入，JP3接地，C6位置直接接地即可。其中R3，R4与R5为信号阻抗匹配电阻，RP1为设定增益调节电位器。

E1、E2、E3、E4、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8均为滤波电容。后级运放AD817为一电压跟随器，此时R1开路，R2为0欧姆。也可以为后级放大器，此时放大倍数为1+R2/R1；低噪声放大器的信号输出为JP2。L1、C9与L2、C10分别构成电源L型滤波网络，使得运放供电电源噪声小。R6、R6、LED1、LED2组成电源指示模块，显示电路正常运行状态。

本实施例采用STM32F103C8T6和VCA810为核心部件构成自动增益控制模块AGC，设计并实现了一个输出幅度保持、步进式调节和任意设定的自动增益控制的放大器。信号经过低噪声放大器之后，进入14dB的前级缓冲放大级，单片机对其进行ADC采样，确定幅值范围，选择合适的控制信号作用于程控增益放大级，最后经过20dB的后级缓冲放大级。电路原理图如图4所示。

前级缓冲放大器采用OPA843芯片，电路为同相比例放大电路，放大倍数为5倍，即14dB，R15的作用为前后级的阻抗匹配。R12与R6为增益调节电阻，增益关系为A1＝1+R6/R12；C7、C11、C13、C17均为电源滤波电容。

程控增益放大器(AGC)采用VCA810芯片，可以在-40dB～40dB之间进行调节，控制电压为-2V～0V，因此外围还需要一个反相器与单片机的DA口相连。R15、R20为1:1衰减分压单元，其增益为-6dB，C8、C12、C14、C18均为电源滤波电容。R3、R10、R16为VCA810的外围电阻单元。

后级放大时，信号幅值已经很大，因此信号还需通过R11、R18构成的1:1衰减分压单元，其增益为-6dB。其次经过普通运放构成同相比例放大器即可，放大倍数为1+R4/R7倍，即放大5倍，或者为14dB。C6、C10、C16、C20均为电源滤波电容。

信号输入端口为IN-SMB底座，输出端口为OUT-SMB底座。R19与R14均为与信号线等阻值的分压衰减电阻。

本实施例中，低通滤波器模块LPF主要作用为选出有用的信号，屏蔽带外噪声的作用。本实施例中设计的为八阶巴特沃斯-贝塞尔滤波器，截止频率为1MHz，电路如图5所示。采用2片AD公司的双运放AD8032即可构成八阶滤波器电路。整体结构采用电容反馈式进行设计，实测效果理想。其中C1(A,B,C,D)均为反馈支路电容，与R1(A,B,C,D),R2(A,B,C,D)一起构成滤波器元件，C2(A,B,C,D)均为对地旁路电容，可以滤除电路过程中引入的高频噪声等。U1D为信号输入的第一阶段，二阶低通滤波，U1(A,B,C,D)一起构成八阶巴特沃斯-贝塞尔滤波器。

本实施例中，高速模数转换模块ADC采用65MHz的高速采样AD芯片，外围电路简单，如图6所示，ADC-capture为信号采集端口。电阻R37与R38构成10倍衰减电路，稳压二极管D3与D6构成对管，为保护输入信号不超过限定值。U6(AD8065)为减法电路，将带有负信号的信号进行电压抬升，使其整个信号在0-3.3V范围内。TL072运放起一个电压跟随与反相器的作用，将参考电压反相180°为-2V，然后同信号一起输入U6构成的减法放大电路，使其信号获得一个直流偏置，达到所有信号都是整值的目的。AD9226的时序驱动是微处理器给CLK脚施加一个特定频率的脉冲信号，每给一个脉冲信号，芯片的12位数据位将输出一次并行数据。AD9226的CLK的1号引脚与微处理器的PA2相连。数据引脚BT1-BT12(2-13号引脚)与微处理器的PC0-PC12相连，AD9226的OTR为量程超过信号脚。

本实施例中，微处理器单元采用ARM公司的STM32F103系列的单片机，如图7所示，外围包括晶振电路，按键复位电路，ST-Link下载电路。其中复位电路的RST与微处理器的PC5(25号引脚)相连接，ST-Link下载电路分别与微处理器的PA13，PA14相连接。晶振电路分别与微处理器的PC14、PC15、PD0、PD1相连接。

在本实施例中，人机交互GUI界面采用可触摸屏幕，所述可触摸屏幕包括：波形显示模块、模式切换模块和频点选择模块；所述波形显示模块用于显示数据波形和数据结果，所述模式切换模块用于切换发射模式与接收模式，所述频点选择模块用于选择发射信号的频率。此可触摸屏幕采用串口通讯协议，TX与RX两根线就能实现通讯数据的双向传输，既可以显示数据波形与数据结果，又可以触摸切换发射与接收模式，发射信号频率值等。串口屏的RX，TX分别连接微控制器的PB10，PB11引脚。

微处理器单元MCU根据可触摸屏幕上设定情况控制信号发生器DDS发出设定频率的雷达脉冲信号，经过功率放大器放大后由增益环形天线发射。接收端通过增益环形天线接收信号后，经过低噪声放大器模块LNA进行前级放大，然后经过自动增益控制模块AGC进行增益可变的放大，将不同大小的信号放大到高速模数转换模块ADC的采样量程之内，最后通过低通滤波器模块LPF进行低通滤波，滤除带外噪声后微处理器单元MCU控制高速模数转换模块ADC进行采样。

本发明提出了一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，将发射机和接收机一体化，共用一个环形增益天线，模式切换灵活，发射机部分通过微处理器单元直接控制DDS信号发生器，可以产生需要的任意波形，接收机部分将接收到的信号直接进行运放的放大和滤波后，将模拟信号转换成数字信号采样，通过微处理器单元的程序对数据流进行滤波，提取有用信号以及后续算法处理，因此不需要传统的复杂变频过程，因此硬件结构简单，缩短了开发周期，提高了信号收发效率，使用方便，易于进行二次开发。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，包括：微处理器单元、发射机、接收机、人机交互GUI界面和WiFi模块；

所述微处理器单元分别与所述发射机、所述接收机、所述人机交互GUI界面和所述WiFi模块连接；

所述发射机和所述接收机为收发一体机，共用一个环形天线，通过所述人机交互GUI界面选择模式，包括发射模式和接收模式，所述微处理器单元根据选择的模式切换档位开关，使所述环形天线根据所在模式连接对应的阻抗匹配网络，以进行地下空间巷道地质探测信号的发射或接收，所述WiFi模块将接收到的地下空间巷道地质探测信号输出至上位机显示；

所述发射机包括：DDS信号发生器、功率放大器和发射端阻抗匹配网络；

所述DDS信号发生器的输入端与所述微处理器单元连接，所述DDS信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述发射端阻抗匹配网络的输入端连接，所述发射端阻抗匹配网络的输出端与所述环形天线的输入端连接；

所述接收机包括：自动增益控制模块AGC、低噪声放大器模块LNA、接收端阻抗匹配网络、低通滤波器模块LPF和高速模数转换模块ADC；

所述环形天线的输出端与所述接收端阻抗匹配网络的输入端连接，所述接收端阻抗匹配网络的输出端与所述低噪声放大器模块LNA的输入端连接，所述低噪声放大器模块LNA的输出端与所述自动增益控制模块AGC的第一输入端连接，所述微处理器单元与所述自动增益控制模块AGC的第二输入端连接，所述自动增益控制模块AGC的输出端与所述低通滤波器模块LPF的输入端连接，所述低通滤波器模块LPF的输出端与所述高速模数转换模块ADC的输入端连接，所述高速模数转换模块ADC的输出端与所述微处理器单元连接；

所述人机交互GUI界面采用可触摸屏幕，所述可触摸屏幕包括：波形显示模块、模式切换模块和频点选择模块；所述波形显示模块用于显示数据波形和数据结果，所述模式切换模块用于切换发射模式与接收模式，所述频点选择模块用于选择发射信号的频率。

2.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述DDS信号发生器包括AD9851芯片。

3.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述功率放大器包括THS3091芯片和BUF634芯片，多个所述THS3091芯片与所述BUF634芯片均采用并联的形式连接，以增大驱动能。

4.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述低噪声放大器模块LNA包括AD8429芯片，所述AD8429芯片与电压跟随器AD817连接。

5.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述自动增益控制模块AGC包括VCA810芯片，能够在-40dB至40dB之间进行调节，控制电压为-2V至0V。

6.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述低通滤波器模块LPF采用八阶巴特沃斯-贝塞尔滤波器，包括两片双运放AD8032芯片。

7.如权利要求1所述的一种地下空间巷道地质探测收发一体机测试仪，其特征在于，所述高速模数转换模块ADC采用65MHz的高速采样AD芯片，所述微处理器单元采用单片机或FPGA。