CN114945795A

CN114945795A - 包括由光信号控制的电源开关的无线电子雷管、无线引爆系统和用于激活这种雷管的方法

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Publication number: CN114945795A
Application number: CN202080093009.5A
Authority: CN
Inventors: L·比亚尔; B·皮亚杰; M·德夏尔斯; V·贝格; F·居伊昂
Original assignee: Davey Bickford SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Davey Bickford SAS
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-08-26
Also published as: CO2022009572A2; JP2023509338A; PE20230005A1; FR3104251A1; EP4073462A1; FR3104251B1; KR20220147068A; CL2022001506A1; BR112022011347A2; JP7460972B2; MX2022007072A; CA3161374A1; WO2021116584A1; AU2020400022A1; US20230036978A1; ZA202207496B

Abstract

无线电子雷管(200)包括主能量源(230)和至少一个功能模块(250)、设置在主能量源和功能模块之间以连接或断开功能模块(250)和主能量源(230)的电源开关(240)，以及包括光接收器(220)的控制该电源开关的控制模块(210)，光接收器(220)用于检测和解调由控制台(100)发射的光信号(LU)，并根据解调后的光信号(LU)生成控制信号以至少控制电源开关(240)；包括这样的无线电子雷管(200)和被配置为发射光信号(LU)的控制台(100)的无线引爆系统(10)，以及激活这样的无线电子雷管的方法。

Description

包括由光信号控制的电源开关的无线电子雷管、无线引爆系统和用于激活这种雷管的方法

技术领域

本发明涉及一种无线电子雷管。

本发明还涉及一种无线引爆系统以及用于激活电子雷管的方法。

背景技术

在本文中，激活方法是指打开或关闭电子雷管，与其点火无关。

本发明应用在烟火起动领域中，在任何须按常规实施一个或多个雷管网络的部门中。典型的使用示例涉及矿山、采石场、地震勘探或建筑和公共工程部门的开采。

在其使用期间，电子雷管被分别放置在被安排用来容纳它们并旨在装载爆炸物的位置。这些位置例如是在地下挖的洞。然后根据预定顺序实现电子雷管的点火。

为了达到该结果，点火延迟与每个电子雷管单独关联，并且共享的点火次序借助于控制台而被广播到电子雷管的网络。

这种共享的点火次序允许使所有电子雷管的点火延迟的倒计时同步。

在收到点火次序后，每个电子雷管管理与其相关联的点火延迟的具体倒计时，以及其自己的点火。

已知由远程控制台激活的无线电子雷管，该远程控制台被配置为通过无线电波与雷管进行通信，例如与它们交换关于其状态的命令或消息，或者向它们发出点火命令。能量独立因此是实现无线雷管的重要条件。

文献WO 2019/073148描述了一种无线电子雷管，其包括能量源和功能模块，以及设置在能量源和功能模块之间的允许将能量源连接到功能模块或不将能量源连接到功能模块的第一开关装置，以及用于控制第一开关装置的控制模块，该控制模块包括用于回收无线电能量的模块，该模块被配置为接收来自控制台的无线电信号、回收所述接收到的无线电信号中的电能、生成表示所回收的电能的电平的能量回收信号，并根据所回收的能量在输出处生成控制信号，所述控制信号控制所述开关装置。

因此，无线电信号由控制台发送到雷管。在雷管侧，该原理涉及借助合适的接收系统(即回收无线电能量的模块)来回收存在于无线电信号中的能量，以便控制电源开关机构。该解决方案尤其提供以下优点：

-激活不涉及要操纵的机械元件，这允许为雷管设计完全密封的外壳，对环境条件和处理具有鲁棒性，并且因此提高系统的可靠性；

-雷管的激活只能由具有适当控制台的人员执行，因此限制了由没有所需设备的任何特定人员激活的可能性；

-该系统使用起来简单且快速：只要接近激活雷管的控制台从而为开关系统远程供电并启动无线雷管的自动控制器就足够了。

然而，该系统具有缺点。

特别是，无线电引爆系统的范围相当有限。实际上，它由于法规对无线电功率施加的限制而不会超过几十厘米，这是对容易使用的障碍。

此外，并不总是可以无混淆地瞄准特定的雷管，特别是当几个雷管彼此靠近时。然而，该区分是至关重要的，以免将错误的雷管与点火计划相关联，或者将错误的点火延迟分配给雷管。存在例如在文献WO 2019/073148中提出的基于接近性、天线的方向性或对激活控制台与雷管之间的距离的估计的技术，但其实际实施方式是复杂的。

发明内容

在该上下文下，本发明的一个目标是至少部分地克服前述缺点，同时还能够带来其他优点。

本发明的目的尤其旨在提出一种用于远程激活的技术，从而为上述问题提供更有效的解决方案。

具体而言，本发明的目的涉及一种控制开关的系统，即允许激活或不激活雷管的机制。

为此，根据本发明的第一方面，提出了一种无线电子雷管，包括主能量源和至少一个功能模块、设置在所述主能量源和所述功能模块之间的被配置为连接或断开所述功能模块与所述主能量源的电源开关、以及控制所述电源开关的控制模块，其特征在于控制所述电源开关的所述控制模块包括光接收器，所述光接收器被配置为检测和解调由控制台发射的光信号，并根据解调后的光信号在输出处生成控制信号，所述控制信号被配置为至少控制所述电源开关。

因此，雷管被配置为接收和解调从控制台(也称为远程激活控制台)接收到的光信号。

当光信号被正确解调时，电源开关被激活，并且雷管的其余电子设备被通电。

主能量源被配置为经由电源开关为雷管的各种其他元件供电。

主能量源包括例如机载能量源，或与本地能量存储相结合的能量回收模块，或通过线缆连接的能量提供模块。

主能量源例如还被配置为将能量传输到专用于点燃功能模块的爆炸引信的能量存储元件。

电源开关可以类似于在文献WO 2019/073148中提出的实施例之一。

电源开关包括例如开关。

根据本发明，雷管包括控制电源开关的控制模块，即被配置为控制电源开关的控制模块。

因此，控制模块例如被配置为接收点燃命令并且根据所述点燃命令来命令点燃爆炸引信。

为此，控制模块主要包括光接收器。

在优选的示例性实施例中，所述光接收器包括光检测器，所述光检测器被配置为检测由所述控制台发射的光信号并将光信号转换成电信号。

例如，光检测器包括光电二极管，可选地添加有检测电阻器。

在优选的示例性实施例中，雷管还包括解调器，该解调器被配置为解调电信号。

根据示例性实施例，解调器包括模拟调节器，该模拟调节器被配置为将来自光检测器的模拟电信号转换成数字信号。

模拟调节器例如包括至少一个被配置为消除光束的静态分量的高通滤波器，或者甚至带通滤波器。

根据示例性实施例，解调器包括数字处理模块，该数字处理模块被配置为解调数字信号，例如以便检测由控制台发射的二进制序列，并例如根据二进制序列来生成控制信号以控制电源开关。

数字处理模块包括例如至少一个计算器，并且可选地包括存储器元件。

在这里，存储器元件指定传统存储器和寄存器两者。

例如，将接收到的信号与例如记录在存储器元件中的参考信号相关联，以便检测激活序列。

根据关联结果，数字处理模块被配置为生成控制电源开关的信号。

在所有情况下，这里提到的光接收器都须被供电。

然而，理想情况下，引爆系统须消耗尽可能少的能量，以避免在其在地面上使用之前减少雷管的续航时间，并尽可能节省主能量源的能量。

因此，消耗必须尽可能低。

光检测器和数字处理模块的消耗是优先要减少的，如果可能的话，目标是大约几微安的系统消耗。

光检测器通常具有与照度成正比的消耗。

根据第一示例，雷管有利地包括位于光检测器上游的至少一个光学滤波器，以便在不降低检测性能的情况下降低环境照明的强度。

一个目标是使与光信号相对应的接收光功率最大化，同时尽可能减少与环境照明相对应的接收功率。

这允许减少与环境照明的强度相关的光检测器所消耗的电流。

根据第二示例，光检测器有利地包括光伏元件。

因此，在这里在光伏模式下使用检测器。

为此，例如，它不被供电电压极化。

这种类型的布置允许可能完全消除光检测器的消耗。

消耗因此受到良好控制，并且更加独立于周围的照度条件。

根据第三示例，雷管包括被配置为切断至少对数字处理模块的供电的低消耗模式，这允许限制系统的电力消耗。

因此，例如，在自然照明下，光强度缓慢地变化，因此因为高通滤波而在模拟调节器的输出处没有变化。

一旦发生照明的突然变化，在模拟调节器的输出处出现用于唤醒数字处理模块的跃迁。

该功能通常可以经由微控制器的低功耗模式来实现。

消耗因此可以减少到小于一微安(1μA)。

根据第四示例，为了避免在例如雷管的储存时段(在其使用前可以持续几个月)期间的任何剩余消耗，使用根据照度水平切断对光接收器的供电(“黑暗模式”)。

雷管因此例如包括被配置为切断对光接收器的供电的总切断模块。

总切断模块例如包括具有高增益(例如40μA/100Lux)的光电晶体管，其可选地与被配置为检测极低水平的照度(通常小于100勒克斯，甚至80勒克斯，甚至60勒克斯，甚至40勒克斯，甚至20勒克斯，甚至1勒克斯)的检测电阻器耦合。

雷管，甚至例如总切断模块，还例如包括用作开关的晶体管，并且检测电阻器被配置为控制该晶体管。

这样，当雷管处于黑暗中，例如存放在盒子中时，光接收器的供电被完全切断。消耗因此几乎为零(晶体管和光电晶体管的漏电流除外，它们可以忽略不计)。

当将雷管从盒子中取出使用时，总切断模块为光接收器通电，雷管因此等待来自用户的光激活(经由控制台)。

功能模块在这里例如包括至少一个爆炸引信。

根据感兴趣的示例性实施例，功能模块还包括专用于点燃爆炸引信的能量存储元件。

为了安全起见，功能模块还有利地包括用于使能量存储元件绝缘的开关，该开关被配置为激活或停用从主能量源到能量存储元件的能量转移。

同样为了安全起见，功能模块还可以包括放电设备，该放电设备被配置为给能量存储元件缓慢放电，以便在例如雷管断电的情况下回到安全状态。

根据感兴趣的选项，功能模块因此还可以包括点燃开关，该点燃开关被配置为允许在专用于点燃的能量存储元件和爆炸引信之间传递能量。

根据示例性实施例，功能模块还包括被配置为控制雷管的运行的计算器。

例如，计算器经由电源开关与主能量源连接或断开连接。

因此，计算器例如被配置为接收信号并且根据所述信号来命令点燃功能模块的爆炸引信。

根据另一个感兴趣的选项，雷管被配置为在雷管的光接收器至少检测到由控制台发射的光信号时发射返回信号。

例如，可以警告用户由控制台发射的光信号至少已被至少目标雷管检测到。

因此，雷管的通电是通过光学激活来进行的。

例如，雷管被配置为发射用户可直接感知的返回信号，例如视觉或声音信号。

根据另一个示例，雷管被配置为发射被配置为因此被控制台检测到的返回信号，例如无线电信号。

这样的雷管至少具有与上述现有技术相同的优点，特别是：

-在可靠性方面：它允许实现密封的外壳并消除机械元件，限制甚至避免误接触的风险等。

-在安全方面：需要具有适当的控制台(其包括光源)来激活雷管，

-或者在实施的简便性和快速性方面：没有必要将控制台物理和电气连接到雷管来激活雷管，并且在没有接触的情况下进行激活。

并且这样的雷管还至少具有借助于远程激活范围提供简化操作模式的优点：例如，没有必要使用附件来激活雷管，例如用于在不俯身的情况下激活地面上的雷管的杆，或用于激活位于地下廊道高处的雷管的吊篮。

根据本发明的第二方面，还提出了一种无线引爆系统，包括包含上述特征的至少一部分的无线电子雷管以及被配置为向所述无线电子雷管发射光信号的控制台。

在实践中，用户因此将光信号引导到他们希望激活的雷管的方向上。

无线引爆系统具有与以上关于无线电子雷管描述的那些类似的特征和优点。

此外，与对应的控制台相关联的此类雷管还至少具有以下优点：

-在范围方面：范围增加，实际上允许根据环境光度和光源功率而在数米的距离处激活雷管。

-在法规方面：系统不受像针对现有技术中提出的无线电激活系统的限制性法规管制，这允许开发具有更好性能的系统。

-在安全方面：控制台允许精确瞄准所需的雷管，并且如果信号是在可见范围内发射的，则光束的指向对用户来说是完全可见的，这避免了任何歧义。

-在灵活性方面：系统适应与正常情况不同的使用情况。通过使用允许照亮多个雷管的更宽的透镜，同时激活一组雷管确实是可能的。该技术在地下环境中，或者当点火计划已经建立并且目标是非常快速地给多个雷管通电时可以是有益的。

在一个特别方便的示例性实施例中，控制台包括被配置为发射光信号的光源。

光源被优选地配置为发射可见范围内的光信号，即具有包括在大约400-800nm之间的波长的光信号。

然而，根据应用的需要，也可以在红外区(IR)或紫外区(UV)中发射光信号。

所使用的技术是相同的。

关于可见范围，在IR或UV中发射的光信号对于用户来说不是可察觉的(可见的)，这可能使雷管系统的使用变得不那么容易，特别是对于瞄准精确的雷管。

为了克服该困难，引爆系统因此有利地包括辅助指向系统。

然而，当使用可见范围内的信号时，辅助指向系统也可以是有用的。

例如，根据光束的功率或如果环境光度很大，则光信号可能不太容易被感知。

因此，瞄准雷管对用户来说更加复杂。

在一个实际示例中，控制台包括检测器，该检测器被配置为检测由雷管发射的返回信号。

根据感兴趣的选项，控制台还包括警告器，该警告器被配置为发射例如视觉或声音的警告信号，从而允许警告用户由光源发射的光信号至少已被至少目标雷管检测到，或者说返回信号确实已被控制台检测到。

控制台因此包括例如LED或蜂鸣器。

引爆系统的这种配置因此形成了辅助指向系统。

雷管因此例如被配置为当其被控制台的光束照射时发射返回。

因此，在感兴趣的示例性实施例中，控制台被配置为或者在预定持续时间内，或者根据用户的要求连续地发射光信号。

用户以扫掠移动的方式照亮雷管所在的区域，或者甚至更具体地照亮雷管的光接收器。

当雷管检测到预期的光序列时，雷管触发简单的视觉返回(例如借助LED)或声音(例如借助蜂鸣器)。

根据另一个感兴趣的选项，控制台还包括透镜，该透镜被配置为将光信号朝向至少一个雷管聚焦。

透镜在这里是指称为可调或可变的光学透镜。

使用这样的透镜允许系统的更大灵活性。

例如，通过使用允许照亮多个雷管的更宽的透镜，因此可以同时激活一组雷管。

该技术在地下环境中，或者当点火计划已经建立并且目标是非常快速地给多个或所有雷管通电时可能是有益的。

在安全方面，在控制台上使用的透镜允许精确瞄准所需的一个或多个雷管。

在另一个示例性实施例中，控制台还包括调制器，该调制器被配置为根据至少一种调制模式来调制光信号。

因此，可以用允许将其与自然或人工的环境照明区分开来的调制模式对光信号进行调制，以避免雷管以不合时宜的方式通电。

因此，有利地，调制后的光信号包括至少一个激活序列。

因此，使用光调制的引爆系统的一个优点是可以使用调制后的信号将有用的数字数据发送到雷管。

例如，它允许：

-在其光学激活期间通过光学信道直接将点燃延迟传递给雷管。

-提供已用来激活雷管的控制台的标识符或将要使用的点燃控制台的标识符，这允许多个团队同时在同一区域中部署雷管网络。

-提供特定于雷管的点燃代码，从而允许避免意外点燃没有指定代码的雷管。

因此，例如，调制后的光信号包括被配置为向雷管发送指令的数据序列，例如延迟值和/或标识符，和/或点燃代码，或其他。

在光信号中在激活序列之后传输数据序列。

此外，在发射可见光束的情况下，目标雷管由用户视觉识别，并且信息可能难以被拦截或加扰，使系统更加安全。

根据另一个感兴趣的选项，调制后的光信号包括停止信号。

为了执行与手动开关相同的功能，使用光调制的引爆系统优选地允许给雷管断电。

这例如在决定放弃点火或只是停止错误通电的雷管的情况下提供了附加级别的安全性。

考虑到使用该停止功能，可以使用两个不同的序列：一个序列用于通电，另一个序列用于断电。

因此，控制台例如包括选择模块，该选择模块被配置为允许用户选择一个序列或另一个序列(即激活序列或停止序列)。

最后，根据第三方面，提出了一种用于激活无线电子雷管的方法，该无线电子雷管包括主能量源、至少一个功能模块、设置在主能量源和功能模块之间的被配置为连接或者断开功能模块与主能量源的电源开关以及控制该电源开关的控制模块。

根据本发明，该方法包括以下步骤：

-接收光信号；

-解调接收到的光信号；

-根据解调后的光信号生成控制信号，该控制信号被配置为至少控制电源开关。

因此，电子雷管的功能模块经由设置在主能量源和功能模块之间的电源开关而被激活或通电，该电源开关由当解调后的光信号至少对应于用于激活电子雷管的指令时生成的控制信号控制。

该激活方法具有与以上关于无线电子雷管和无线引爆系统描述的那些类似的特征和优点。

根据感兴趣的实施例，接收光信号的步骤包括检测光信号的步骤和将该光信号转换为电信号的步骤。

根据感兴趣的实施例，解调步骤包括将电信号转换为数字信号的步骤和识别数字信号中的至少一个激活序列的步骤。

如果识别出激活序列，则生成控制信号的步骤包括激活电源开关的步骤。

例如，如果数字信号对应于包括至少一个激活序列的参考信号，则电源开关被激活。

在这里，激活表示电子雷管的通电或断电，与其点燃(换言之，其控制)无关。

根据感兴趣的选项，解调步骤还包括识别数字信号中的至少一个数据序列的步骤。

如果识别出数据序列，则生成控制信号的步骤包括生成与数据序列相对应的指令的步骤。

例如，一旦电子雷管通电，点燃延迟就可能与之相关联。

该关联可以立即实施，或在其通电后一段时间后实施。

根据各种实施例，可以用同一控制台或用不同的控制台来实现通电以及延迟关联。

因此，可以以不同的方式进行电子雷管的部署。

在延迟关联的情况下(其中，不同的控制台用于通电和延迟关联)，可以在安装时进行通电，并且一旦所有雷管已通电，可以随后进行延迟关联。

在推迟的延迟关联的情况下，所有电子雷管在其安装时首先经由控制台通电。然后，可以通过定期唤醒程序使电子雷管进入睡眠或待机状态。一旦所有电子雷管都已安装并通电，延迟就与所有电子雷管相关联。为此，电子雷管可以配备任何定位系统(例如GPS、测量网络的每个电子雷管之间的相对距离或接收功率的可选地需要后期处理步骤的系统，等等)。与每个电子雷管相关的原始数据(例如绝对位置、相对距离或接收功率等)例如用控制台通过无线电来收集，以便产生具有其标识符的电子雷管网络的地图。有了该地图的知识，则可以将延迟与每个电子雷管相关联。

可以检测到在预期的点火计划和电子雷管的真实地图之间观察到的不一致，从而允许给具有该不一致的雷管断电。

当用不同的控制台进行通电以及延迟关联时，这两个操作是在相距遥远的时刻进行的，根据情况从几分钟到几小时甚至几天不等。在该间隔内可以考虑断电条件，以允许电子雷管返回到断电状态。例如，在电子雷管的定期唤醒的操作期间，在一定时间后没有通过光信号进行请求的情况下，或者在没有用控制台交换或接收消息的情况下，数字处理模块可以给电子雷管断电。

最后，这些方法中的每一个都以执行传统的点燃程序结束。

附图说明

根据示例性实施例，本发明将被很好地理解并且其优点将在阅读参考附图为了信息性而不是限制性目的给出的以下详细描述之后更好地显现，其中：

[图1]图1概述了根据本发明的示例性实施例的引爆系统；

[图2]图2示出了遵循调制模式的伪随机序列的示例；

[图3]图3示出了根据本发明的示例性实施例的无线雷管；

[图4]图4概述了光接收器的示例性实施例；

[图5]图5图示了光接收器的第一示例性实施例；

[图6]图6示意性地示出了根据波长的基于LED的光源的发射光谱的示例；

[图7]图7示意性地示出了光电二极管的根据波长的光谱灵敏度；

[图8]图8示出了由图6的发射光谱和图7的光电二极管的根据波长的灵敏度得到的滤波器的光谱特征；

[图9]图9图示了光接收器的第二示例性实施例；

[图10]图10图示了光接收器的第三示例性实施例。

上述附图中所示的相同元件由相同的附图标记标识。

具体实施方式

根据图1中概述的本发明的一个方面的示例性实施例，引爆系统10主要包括：

-控制台100，被配置为发射调制光信号LU，以及

-在能量方面自主的雷管200，被配置为检测和解调控制台100的光信号LU。

根据示例性实施例，控制台100包括调制光源。

如图1中概述的，控制台100例如包括被配置为发射包括光信号的光束的光源110，以及被配置为根据至少一种调制模式来调制该光信号的调制器120。

光源110优选地被配置为发射可见范围内的光信号，即具有大约包括在400-800nm之间的波长的光信号。

然而，根据需要或预期应用，可以使用被配置为发射红外区或紫外区内的信号的光源。

根据未示出的选项，控制台还可以包括可变透镜，也称为可调透镜，其被配置为将光信号朝向一个或多个雷管聚焦。

因此，控制台可以例如在透镜被调整为传输窄光束的情况下激活单个雷管，或者在透镜被调整为传输允许照亮多个雷管的较宽光束的情况下同时激活一组雷管。

根据感兴趣的选项，雷管被配置为在它被控制台的光束照射时发射返回信号。

雷管例如包括视觉或声音警告器。

雷管还可以被配置为发射返回信号(例如无线电信号)，该返回信号被配置为因此被控制台检测到。

根据感兴趣的至少一个其他选项，控制台100还可以包括被配置为检测由雷管发射的返回信号的检测器，以及例如视觉或声音的警告器，其被配置为警告用户由光源110发射的光信号至少已被至少目标雷管检测到，或者返回信号确实已被控制台检测到。

控制台或雷管的警告器例如包括LED或蜂鸣器。

引爆系统因此设置有辅助指向系统。

优选地，控制台或者在预定持续时间内或者根据用户的要求连续发射光序列。

用户借助扫掠移动照亮雷管200所在的区域，或者甚至更具体地照亮雷管200的光接收器220(在下面描述)。

图2示出了用于对由控制台100发射的光信号LU进行调制的调制模式M的示例。

这在该图中尤其是OOK(开/关键控)调制的伪随机序列，但其他类型的光调制也是可能的。

OOK型调制的优点是实现简单，并且解调不是很复杂，这允许限制雷管的成本。

优选地，使用接收器已知的伪随机序列来调制控制台发射的光信号，以便能够以尽可能小的误差将其与自然光或人造光区分开来(某些人造光确实具有方波形式的散列信号)。

伪随机序列的大小必须足够长，通常大于32位，以避免错误警报。

优选地，调制速率(频率)通常包括在100Hz和10kHz之间。

该值足以对用户的移动不是过于敏感，并且不是太高以便能够通过例如使用具有有限性能的光电二极管231(图5中概述)来限制接收器220的成本。

该示例不是限制性的。可以使用其他类型的调制、其他类型的序列、其他调制速率。

光学调制系统的另一个优点是能够使用调制后的光信号以便通过光学信道传输对雷管有用的信息，即数字数据。

为此，在控制台处，调制光信号LU例如优选地包括具有良好自相关特性的激活序列，典型地，Kasami序列。

这允许接收器，即雷管，在接收到的信号上适当地同步自己，以便从中提取数据。

数据序列例如包括在激活序列之后简单级联的二进制数据。

控制台发送的消息例如包括以下序列：[激活序列]-[数据序列]。

数据序列被配置为发送例如延迟值、和/或标识符、和/或点燃代码、或其他。

根据一个示例，可以可选地将CRC(循环冗余校验)类型的完整性控制添加到消息中，以便能够控制雷管处的(即接收器的)数据序列的解调结果。

控制台发送的消息因此例如包括以下序列：[激活序列]-[数据序列]-[控制序列]。

根据另一个示例，还可以添加校正码。

控制台发送的消息因此例如包括以下序列：[激活序列]-[数据序列]-[控制序列]-[校正序列]。

因此，根据示例性实施例，可以使用汉明类型的块码，其包括数据序列和校正序列。

在接收器端，即雷管端，可以使用传统的数字解调技术。

激活序列允许在发送消息的开头同步接收器。

简单的规律采样或前端检测然后允许解调消息的内容。

根据另一个感兴趣的选择，调制光信号LU包括停止信号。

这例如在决定放弃点火或只是停止被错误通电的雷管的情况下提供了附加级别的安全性。

这两个序列优选地是准正交的，以限制对所发射的序列的不良检测的风险。

例如，两个不同的Kasami序列允许满足该条件。

一种替代方法可以是使用序列的符号：在序列被正常发射的情况下，序列导致针对启动的正相关峰，但在序列以相反方式发射的情况下，其因此给出例如针对停止的负相关峰。

最后，单个相关器是必要的，只有结果的符号有影响。

然而，Kasami序列是优选的，因为Kasami序列对于组间相关给出接近于0的结果，而不管序列之间的偏移量如何。

因此，控制台须允许用户选择一个序列或另一个序列(即激活序列或停止序列)。

在接收器处，雷管的光接收器的数字处理模块(下面描述)例如被配置为检测一个序列或另一个序列。例如，通过交替使用一个序列然后是另一个序列作为参考序列来复制相关处理。

图3示出了雷管200的示例性实施例。

根据本发明的雷管200在能量方面自主，在这里主要包括控制模块210，该控制模块210包括光接收器220，光接收器220被配置为通过光学信道激活雷管。

光接收器220尤其允许解调由控制台100发送的光束LU，以及生成控制电源开关240的信号。

此外，雷管200在这里例如包括以下元件：

-主能量源230(例如，机载能量源，或与本地能量存储相结合的能量回收模块，或通过线缆连接的能量提供模块)，主能量源230允许经由电源开关240为雷管的各种其他元件供电并允许将能量传输到专用于点燃爆炸引信256的能量储存元件253。

-电源开关240，例如包括开关K10，电源开关240允许控制从主能量源230对功能模块250的各种电子元件的通电。该电源开关240可以类似于在文献WO 2019/073148中提出的实施例之一。

-以及功能模块250。

功能模块250在这里例如包括以下电子元件：

-计算器251，允许控制电子雷管的操作。计算器251经由电源开关240与主能量源230连接或断开连接。

-能量存储元件253，专用于点燃爆炸引信256。

-隔离能量存储元件的开关252，包括例如开关K20，开关252允许激活或停用从主能量源230到能量存储元件253的能量传输，而与从主能量源230到计算器251的能量传输无关。

-放电设备254，形成允许给专用于点燃的能量存储元件253缓慢放电的安全机制，以便在断电的情况下回到安全状态。

-点燃开关255，包括例如开关K30，点燃开关255允许在专用于点燃的能量存储元件253和爆炸引信256之间传输能量。

-以及爆炸引信256。

图4中概述了根据示例性实施例的光接收器220。

图4的光接收器220主要包括：

-光检测器221，被配置为将接收到的光信号LU转换为电信号；和

-解调器222，被配置为解调接收到的光信号并生成用于控制电源开关240的信号。

在这里，解调器222例如包括：

-模拟调节器223，被配置为将光检测器221的模拟电信号转换为数字信号；和

-数字处理模块224，被配置为对数字信号进行解调以检测控制台100发射的二进制序列，并根据二进制序列生成控制信号以至少控制电源开关240。

在这里，数字处理模块224和/或计算器251例如被配置为：

-管理电子雷管200的运行；

-分析经由控制台100接收到的消息；

-根据接收到的消息的含义进行动作；

-激活能量存储元件253中的能量存储以用于点燃；

-对与电子雷管200相关联的点燃延迟进行倒计时；

-在倒计时结束后经由点燃开关255激活从能量存储元件253到爆炸引信24的能量传输；

-激活放电设备254；

-控制电源开关240；

-控制能量存储元件252的隔离开关…

图5示出了图4中概述的光接收器220的示例性实施例。

光检测器221在这里包括光电二极管231，光电二极管231将光信号LU转换成电流。

光检测器221在这里还包括检测电阻器232，检测电阻器232允许处理模拟调节器223可使用的电压。

检测电阻器232的大小被确定为以使得信号在强光度下不会饱和，饱和会使系统无效。相反，过低的值降低电信号的动态性，从而导致引爆系统的范围减小。

通过假设最大可能的照度Emax(通常为130,000勒克斯)和光电二极管231的灵敏度S A/勒克斯以及供电电压Vdd，具有标为R的电阻的检测电阻器232须验证关系Vdd＝R×S×Emax处于最大照度下的饱和极限。

因此，对[光电二极管231-检测电阻器232]的大小确定在很大程度上在范围方面决定了系统的性能。

模拟调节器223在这里包括至少一个高通滤波器，以便消除与自然照明和用户运动相关的静态分量。

它可以包括带通滤波器(这因此对应于已经添加有低通滤波器的高通滤波器)，以便还消除可能的高频干扰。

在图5所示的实现的示例中，模拟调节器223包括带通滤波器(比较器233的“+”(加号)引脚上的一对R₁C₁(电阻-电容)确定高频，而“-”(减号)引脚上的一对R₂C₂确定低频)，从而允许消除与环境照明水平相关的信号的静态分量。

滤波后的信号被注入比较器233以在比较器233的输出处获得二进制信号，从而在模拟调节器223的输出处获得二进制信号。

模拟调节器223例如包括比较器和/或运算放大器。

最后，向其中注入数字信号的数字处理模块224例如包括至少一个计算器(典型地是微控制器或专用数字电路)，以及可选的存储器元件。

接收到的信号与预期的参考信号相关，以便检测激活信号的存在。

预期的参考信号可能预先记录在数字处理模块224中。

在该处，可以使用任何已知的数字信号解调技术。

当检测到激活序列时，数字处理模块224生成控制信号，该控制信号被配置为控制电源开关240处于活动位置(例如如果这是开关，则处于闭合位置)，以便给雷管的其他元件通电。

然而，这些功能可以与图5中概述的实施例不同地执行。

例如，为了共享硬件资源，例如可以在功能模块250的计算器251中进行数字处理。因此须稍微重做总体架构，以便将计算器251装配在电源开关240的上游。

换言之，功能模块250的计算器251和数字处理模块224因此可以分组在一起成为单个实体，优选地位于电源开关240的上游，例如在光接收器220中。

此外，只要尚未接收到光序列，计算器的一部分就可以保持“不活动”(在低消耗模式下)。

也可以使用其他策略来解调光信号，这导致光接收器220的不同硬件架构。例如，借助于ADC(模数转换器)，模拟调节器223可以由对来自光接收器的原始信号的数字化代替，这然后可以由数字处理模块224的计算器直接处理。

在所有情况下，所提出的光接收器都需要被供电。

然而，理想情况下，引爆系统必须消耗尽可能少的能量，以避免在其在地面上使用之前减少雷管的续航时间。

因此，为了使系统具有尽可能多的实际意义，消耗必须尽可能低。

光接收器220通常具有与照度成正比的消耗。

通常，对于灵敏度为40nA/100Lux的光电二极管，在最大阳光130,000Lux下消耗为52μA。

根据所使用的比较器或运算放大器，模拟调节器223的消耗通常位于1μA和30μA之间。

选择具有减小的乘积[增益×带宽]的比较器233允许选择消耗位于一微安(μA)附近的组件。

这发生对允许的调制速率的损害，但这不是系统的关键要素。

最后，数字处理模块224在执行处理时通常消耗几毫安。

光检测器221和数字处理模块224的消耗因此是优先要减少的，目标是大约几微安的消耗，如果可能的话。

因此，第一种方法例如涉及在光检测器221的光电二极管231前面添加光学滤波器，以便在不降低检测性能的情况下降低环境照明的强度。

控制台100的光源具有非常特定的发射光谱(图6)，并且光电二极管231具有特征光谱灵敏度(图7)。

这两个元件因此表现为增益滤波级Gtx(λ)和Grx(λ)，取决于控制台100发射的光信号的波长λ。

因此根据以下公式根据控制台发射的功率Ptx、与距离R相关的衰减、照射立体角Ω以及各自的增益Gtx和Grx来表示由光电二极管231转换成电功率的光功率Prx：

Prx＝[(Grx.Gtx)/ΩR²].Ptx

对于给定的距离和焦距，当增益(Gtx.Grx)最大时，即对于给定的波长λ，接收功率最大(图8)。

因此，在该波长附近添加额外的滤波器允许使该波长处的接收最大化，并减少其他波长上的接收，这对应于所需的目标。

因此，根据光学滤波器对希望减少的自然光的响应来计算光学滤波器的最佳宽度。

在实践中，因此可以将光检测器的消耗减少三倍。

第二种方法例如涉及将光电检测器234的光伏效应用于光检测器221。

像在图9中概述的布置那样，在这里在光伏模式下使用光电检测器234。

为此，它不被供电电压极化。

像在前面示例中的光电二极管不允许生成足以可用的电流。有必要通过使用尺寸减小的光伏面板或并联的多个光电二极管来增加光敏元件的表面。

该布置允许可能完全消除光检测器的消耗。

消耗因此受到良好控制，并且更加独立于周围的照度条件。

根据第三种方法，也可以切断对数字处理模块的供电以限制消耗。

例如，数字处理模块224包括低消耗模式，该低消耗模式允许切断时钟并且可选地切断对数字电子设备的供电。

比较器的输出处的数字信号的状态变化的存在例如用于使系统退出低消耗模式。

因此，在自然照明下，光强度缓慢变化，因此因为低通滤波而在模拟调节器的输出处没有变化。

该功能通常可以经由微控制器的低消耗模式来实现。

消耗因此可以减少到小于一微安(1μA)。

根据第四种方法，例如，为了避免在雷管的储存时段(在其使用前可能持续数月)期间的任何剩余消耗，使用根据照度水平对供电的总切断(“黑暗模式”)。

如图10所示，使用检测照度水平的附加级，其具有允许一出现极低水平的照度时就自动使输出信号饱和的调整装置。

为此，检测照度水平的附加级例如包括具有高增益(例如40μA/100Lux)的光电晶体管235和检测电阻器237，其调整值允许检测极低水平的照度，通常为几十勒克斯。

检测电阻器237的端子处的电压允许控制用作开关的晶体管236。

因此，光检测级221保持不变。添加位于光检测级221上游的附加级(但基于相同的原理)，该附加级具有与光检测级不同的调整装置。

这样，当雷管处于黑暗中，例如存放在盒子中时，供电被完全切断。消耗因此几乎为零(晶体管236和光电晶体管235的漏电流除外，它们可以忽略不计)。

当将雷管从盒子中取出使用时，总切断级为光接收器220通电，雷管因此等待来自用户的光激活(经由控制台)。

Claims

1.一种无线电子雷管(200)，包括主能量源(230)和至少一个功能模块(250)、设置在所述主能量源(230)和所述功能模块(250)之间的被配置为连接或断开所述功能模块(250)与所述主能量源(230)的电源开关(240)、以及控制所述电源开关的控制模块(210)，其特征在于，所述功能模块(250)还包括至少一个爆炸引信(256)和专用于点燃所述爆炸引信(256)的能量存储元件(253)，并且其特征在于控制所述电源开关的所述控制模块(210)包括光接收器(220)，所述光接收器(220)被配置为检测和解调由控制台(100)发射的光信号(LU)，并根据解调后的光信号(LU)在输出处生成控制信号，所述控制信号被配置为至少控制所述电源开关(240)。

2.根据权利要求1所述的雷管(200)，其特征在于，所述光接收器(220)包括光检测器(221)，所述光检测器(221)被配置为检测由所述控制台(100)发射的光信号(LU)并将光信号(LU)转换成电信号。

3.根据权利要求2所述的雷管(200)，其特征在于，所述雷管包括位于所述光检测器(221)上游的至少一个光学过滤器。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的雷管(200)，其特征在于，所述光检测器(221)包括光伏元件(234)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的雷管(200)，其特征在于，所述雷管包括被配置为解调所述电信号的解调器(222)。

6.根据权利要求5所述的雷管(200)，其特征在于，所述解调器(222)包括模拟调节器(223)，所述模拟调节器(223)被配置为将来自所述光检测器(221)的电信号转换成数字信号。

7.根据权利要求6所述的雷管(200)，其特征在于，所述解调器(222)包括数字处理模块(224)，所述数字处理模块(224)被配置为解调所述数字信号，并生成控制信号以控制所述电源开关(240)。

8.根据权利要求7所述的雷管(200)，其特征在于，所述雷管包括低消耗模式，所述低消耗模式被配置为切断至少对所述数字处理模块(224)的供电。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的雷管(200)，其特征在于，所述雷管包括总切断模块，所述总切断模块被配置为切断对所述光接收器(220)的供电。

10.根据权利要求9所述的雷管(200)，其特征在于，所述总切断模块包括具有高增益的、与被配置为检测极低照度水平的检测电阻器(237)耦合的光电晶体管(235)以及用作开关的晶体管(236)，所述检测电阻器(237)被配置为控制所述晶体管(236)。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的雷管(200)，其特征在于，所述雷管被配置为在所述光接收器(220)至少检测到由所述控制台发射的光信号(LU)时发射返回信号(100)。

12.一种无线引爆系统(10)，包括根据权利要求1至11中的任一项所述的无线电子雷管(200)，以及被配置为向所述无线电子雷管(200)发射光信号(LU)的控制台(100)。

13.根据权利要求12所述的引爆系统(10)，其特征在于，所述控制台(100)包括透镜，所述透镜被配置为将所述光信号(LU)朝向至少一个雷管(200)聚焦。

14.根据权利要求12或13中的任一项所述的引爆系统(10)，其特征在于，所述控制台(100)包括调制器(120)，所述调制器(120)被配置为根据至少一种调制模式(M)来调制所述光信号(LU)。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的引爆系统(10)，其特征在于，调制后的光信号(LU)包括至少一个激活序列。

16.根据权利要求12至15中的任一项所述的引爆系统(10)，其特征在于，调制后的光信号(LU)包括被配置为向所述雷管(200)发送指令的数据序列。

17.一种用于激活无线电子雷管(200)的方法，所述无线电子雷管(200)包括主能量源(230)、至少一个功能模块(250)、设置在所述主能量源(230)和所述功能模块(250)之间的被配置为连接或断开所述功能模块(250)和所述主能量源(230)的电源开关(240)、以及控制所述电源开关的控制模块(210)，所述功能模块(250)包括至少一个爆炸引信(256)和专用于点燃所述爆炸引信(256)的能量存储元件(253)，所述方法包括以下步骤：

·接收光信号(LU)；

·解调接收到的光信号(LU)；

·根据解调后的光信号(LU)生成控制信号，所述控制信号被配置为至少控制所述电源开关(240)。

18.根据权利要求17所述的激活方法，其中，接收光信号(LU)的步骤包括检测光信号(LU)的步骤和将该光信号(LU)转换成电信号的步骤。

19.根据权利要求17或18中的任一项所述的激活方法，其中，解调步骤包括将所述电信号转换为数字信号的步骤以及识别所述数字信号中的至少一个激活序列的步骤，并且如果识别出激活序列，则生成控制信号的步骤包括激活所述电源开关(240)的步骤。

20.根据权利要求17至19中的任一项所述的激活方法，其中，解调步骤包括识别所述数字信号中的至少一个数据序列的步骤，并且如果识别出数据序列，则生成控制信号的步骤包括生成与所述数据序列相对应的指令的步骤。