CN203632662U - 基于扩频技术的煤矿井下精确测距装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于扩频技术的煤矿井下精确测距装置，由通信控制器与无线应答器组成，通信控制器主体包括定向天线、双工器、发射机、接收机、FPGA处理器、数据存储器、有源晶振，无专门的解扩电路，能够在粗同步的过程中直接得到更高的时间分辨率，无线应答器采取无搜索跟踪的同步方式对接收扩频信号进行解扩，不需要单独的处理器。本装置设有显示模块和按键矩阵，提供USB、RS-485和以太网三种典型通信接口，既能作为井下人员手执便携设备单独使用，也能作为井下通信基站、监控分站的一个有机组成部分。该装置能够抑制井下严重的电磁干扰，测距精确度高，能为煤矿井下人员精确定位系统提供可靠的技术支持。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无线电测距装置，具体是一种基于直接序列扩频通信技术的井下测距装置，属无线电定位技术领域，适用于煤矿井下工作人员位置信息的测定。
背景技术
我国地下开采煤矿的煤炭产量约占95％，煤矿开采工作主要是由人工完成，有一定的危险性，建立一个适合我国煤炭发展状况的井下人员无线定位系统，对于保障矿井下工作人员的人身安全具有重要意义。矿井井下人员定位系统一般采取的是基于测距的定位算法，其核心技术就是测距技术，定位的精度完全取决于测距的精度，测距精度越大，则定位越精确。目前，我国的井下人员定位系统主要采取接受信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的测距方法，由于井下无线电信号容易被干扰，多径效应严重，现行的人员定位系统定位的可靠性不高，达不到精确定位的要求。因此，如何在井下这种恶劣的电磁环境下设计可靠的精确测距装置是一个重要课题。而扩频测距技术由于其抗干扰能力强、时间分辨率高，能取得理想的测距精度，将其应用于煤矿井下人员定位系统能够有效解决井下电磁干扰的问题。
实用新型内容
为了解决井下电磁干扰严重所引起的定位精确度低的问题，降低扩频测距系统的复杂性，本实用新型提供一种基于扩频技术的煤矿井下精确测距装置，该装置无专门的解扩电路，能够在粗同步的过程中直接得到更高的时间分辨率，降低了装置设计的复杂性。装置具有实用性，适用于煤矿井下人员精确定位系统。
技术方案
一种基于扩频技术的煤矿井下精确测距装置，装置包括通信控制器和无线应答器，通信控制器外部具有定向天线、字符型液晶显示模块、4×4的按键矩阵、USB接口、RS-485接口和以太网接口，按键矩阵包括10个数字键和6个功能键，通过功能键能够确定通信控制器的工作状态和选择其工作模式；通信控制器通过通信接口能与井下通信基站、监控分站进行数据交换，既能作为井下人员手执便携设备单独使用，也能作为井下通信基站、监控分站的一个有机组成部分；无线应答器可附置于井下设备或佩戴于井下人员身上；通信控制器通过向无线应答器发射PN码调制的扩频询问信号，该信号经无线应答器反射回通信控制器，与本地发射PN码相关解扩，获得应答信号PN码滞后于发射信号PN码的相位，测得二者之间的距离量。
通信控制器主体包括双工器、发射机、接收机、FPGA处理器、数据存储器、有源晶振；FPGA处理器内部的编码器和发送PN码产生模块分别通过I／O口与发射机连接，完成询问信号的扩频调制和射频调制；发射机与连接有定向天线的双工器连接，将询问信号发射出去；无线应答器接收到此询问信号，由该询问信号携带的ID信息确认身份后，将此询问信号反射回通信控制器；双工器与接收机连接，完成所接收的反射信号解调，形成数字基带信号；接收机通过I／O口与FPGA处理器内部的同步相关模块相连，完成接收信号与发送信号的PN码相关解扩。
所述的无线应答器采取无搜索跟踪的同步方式对所接收的询问信号进行解扩，其组成包括：双工器、分路器、2个调频放大器、中频滤波器、2PSK解调器、可变延迟器、定时器、数据比较器、开关器、功率放大器，主要的功能是将通信控制器发给本模块的询问信号经功率放大后反射出去。
所述的接收机对反射信号进行射频载波解调，由三级带通滤波器、两级放大器、2PSK解调器和二值化处理电路构成，将接收的信号转化为正电位和负电位所表示的双极性数字基带信号。
所述的FPGA处理器，最高工作频率能达到400MHz及以上，具有独立可编程PLL输出；所述有源晶振提供FPGA工作时钟，所提供的频率为100MHZ。
所述的发射机，对询问信号进行双频率载波调制，其组成包括：2个不同频率的射频发生器、扩频调制器、2个射频调制器及功率放大器。
所述的PN码序列是由10级移位寄存器产生的m序列，码长1023位。
所述数据存储器，存储有无线应答器的ID号，可存储每次测距的结果及其它相关数据，所存储的数据可在LCD显示屏显示，也可通过通信通信控制器的通信接口与其它设备进行数据交换，供其它设备使用。
本实用新型有以下5点有益效果。
1.抗多径干扰能力突出，发射功率低。扩频技术具有较强的抗多径干扰能力，将扩频技术引用到煤矿井下，能够有效解决矿井空间狭窄，多径损耗严重的问题。另外，由于扩频技术增加了信号带宽，可以减少信号的发射功率，能够达到煤矿井下设备本质安全的要求。因此，本实用新型是实现煤矿井下精确测距的一个可行的技术方案。
2.测距精度高，测量距离长。本实用新型使用高速FPGA进行并行的离散相关运算，在每个PN码片持续时间Tc可采样10个点，进一步提高了时间分辨率，在400MHZ的采样频率下，可以将伪码所占带宽限制在100MHZ以下，而能实现米级的测量精度。测距范围定为一个PN码周期所持续的时间，即一个数据码的持续时间，光所能传播的距离，则测量距离可达3.75Km，相对于现行的RSSI测距方法，本实用新型测距效果要好很多，能够满足井下人员精确定位系统的测距要求。
3.具有实用性。通信控制器外部设有字符型液晶显示模块和4×4的按键矩阵，具有输入输出功能，同时还设有USB接口、RS-485接口和以太网接口三个典型的通信接口，通信控制器通过通信接口能与井下通信基站、监控分站进行数据交换，因而该装置既能作为井下人员手执便携设备单独使用，也能作为井下通信基站、监控分站的一个有机组成部分，具有实用性。
4.简化了扩频通信模块的硬件设计，降低了硬件成本。本实用新型充分考虑到煤矿井下的特殊性，相对于一般的扩频通信模块，本实用新型的解扩技术既不用同步码发生器，也不用其它的本地参考振荡器，也无需高精确度和高稳定度的时钟频率源，明显简化系统设计，降低了本装置的成本，适合煤矿井下的使用和推广。
5.硬件设计具有鲁棒性。为了减少接收信号的误码率，接收机采用了三级带通滤波器、两级放大器、2PSK解调器和二值化处理电的设计，第一级带通滤波器和第一级高频放大器尽可能滤除带外的各种噪声和干扰，第二级带通滤波器则有效避免了在混频过程的镜像干扰，第三级滤波器和第二级中频放大器进一步抑制中频信号的镜像频率，降低系统的噪声指数。这样的设计，使得接收信号具有低噪声指数，高增益和高线性的特点，因而FPGA处理器对信号的处理更为鲁棒。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型装置的整体结构示意图。
图2是本实用新型装置通信控制器主体的组成框图。
图3是本实用新型发射机的组成框图。
图4是本实用新型无线应答器的组成框图。
图5是本实用新型接收机的组成框图。
图中1.通信控制器，2.LCD显示屏，3.4×4按键矩阵，4.无线应答器，5.USB接口，6.RS-485接口，7.以太网接口，8.定向天线，9.全向天线，21.FPGA处理器
具体实施方式
下面结合附图，详细阐述本实用新型进行一次测距的过程。
图1是本实用新型装置的整体结构示意图，通信控制器(1)向无线应答器(4)发出询问信号，无线应答器(4)接收到询问信号后，将此信号再反射给通信控制器(1)，通信控制器(1)接收到反射信号，根据信号在二者之间传播的时间，测量出二者之间距离。
图2是本实用新型装置通信控制器主体的组成框图。通信控制器(1)包括FPGA处理器(21)、发射机(22)、接收机(23)、双工器(24)、数据存储器(25)、有源晶振(26)、定向天线(8)以及LCD显示模块(201)、键盘接口模块(202)、USB接口模块(203)、RS-485接口模块(204)、以太网接口模块(205)、电源管理模块(206)等辅助功能部件。每一个无线应答器(4)内部都固化了最高位为0的十六位二进制数表示的ID号(用以标识本模块的身份，最高位为0是为了在信号接收时与前导符区别)，每一个无线应答器的ID号预先存储于数据存储器(25)中。FPGA处理器(22)启动测距功能，由其数据处理器(2A)从数据存储器(25)中取出欲进行测距的无线应答器的ID号，将此ID号送入编码器(2B)，产生若干位全1的前导符和无线应答器ID号的双极性不归零码编码序列作为数据码，为叙述方便，用d(t)表示；每一个通信控制器(1)预先设置一条周期为1023码片的PN码序列作为扩频码，发射询问信号时作为发送PN码(2C)，可以用c(t)表示。c(t)码速约为d(t)码速的1000倍。同时将c(t)和d(t)送入发射机(22)进行调制。
图3是本实用新型发射机的组成框图，如图3所示，发射机的信号调制采用的是双频率载波调制方式，发送PN码c(t)在扩频调制器(31)中对d(t)进行扩频调制，射频发生器(32)提供fd=2.4GHZ频率的载波在射频调制器(34)中对扩频后的信号进行调制，调制后的信号可表示为sd(t)=d(t)c(t)cos2πfdt；射频发生器(33)提供频率为fb=2GHZ的载波在射频调制器(35)中对c(t)进行直接调制，调制后的信号为sb(t)=c(t)cos2πfbt；二者求和后的信号s(t)=sd(t)+sb(t)作为询问信号经功率放大器(36)进行功率放大后送双工器(24)由定向天线(8)向外辐射。
图4是本实用新型无线应答器的组成框图，无线应答器的全向天线(9)接收到信号时，双工器(401)向计时器(403)发出启动计时信号，同时将所接收到的信号送分路器(402)；分路器(402)将所接收到的信号分成2路信号，一路信号含有ID号信息，可表示为rd(t)=d(t)c(t)cos2πfdt，另一路不含任何信息，表示为：rb(t)=c(t)cos2πfbt，分别将此二路信号经高频放大器(404)、高频放大器(405)放大后，将二者相乘得：rc(t)=rb(t)rd(t)=d(t)c2(t)cos2πfdtcos2πfbt=d(t)cos2πfdtcos2πfbt，经中频滤波器(407)滤波，得：
其中f1=fd-fb，由振荡器(409)产生频率为f1的本地载波，将r(t)经2PSK相干解调器(408)解调后得到d(t)，其中携带有ID号编码信息。在数据比较器(410)中将获得的ID号与自身ID号比对，如二者一致，数据比较器(410)则向开关器(411)发出导通信号；定时器(403)经过一定时延，向双工器(401)发出触发信号，将其工作状态转为发射状态，从而含ID信息的一路信号rd(t)=d(t)c(t)cos2πfdt经可变延迟器(406)延迟一定时间后，通过开关器(411)，经功率放大器(412)放大后，由全向天线(9)再次发射出去；如二者不一致，则开关器不导通，无线应答器对此次所接收的信息不予响应。
图5是本实用新型接收机的组成框图。如图5所示，所接收的信号依次经过接收器各部件处理：
1.由第一级带通滤波器(501)和高频放大器(502)对所接收的信号进行低噪声放大。
2.由第二级带通滤波器(503)滤除各种镜象频率后，振荡器(505)产生频率为fL=2GHZ的本振信号，在混频滤波器(504)与射频信号相乘，对所接收的射频信号下变频，得到中频信号：rIF′(t)=c′(t)d′(t)cos2πfIFt，其中，fIF=fd-fL。
3.中频放大器(506)将信号rIF′(t)放大到合适幅度，由第三级带通滤波器(507)进一步滤除信号中的干扰和噪声。
4.振荡器(509)产生频率为fIF的本地射频信号，在2PSK相干解调器(508)对中频信号rIF′(t)解调后得到数字基带信号：rB(t)=c′(t)d′(t)。
5.将数字基带信号rB(t)经二值化电路(510)按照处理器的正电位和负电位进行二值化处理，二值化处理后的信号送入FPGA处理器(21)。
如图2所示，FPGA处理器(21)中的同步相关模块(2D)，将二值化的数字基带信号并行送入的L-1条相关通道，在每条相关通道中，依次产生与发送PN码(2C)相差一个PN码相位的本地PN码，将其与进入通道的数字基带信号进行相关解扩，则可以精确求得发射信号与所接收到的回应信号的时间延时td。
在数据处理器(2A)中，由td调整时钟，产生与接收信号同相的本地PN码(2E)，对接收数据进行解扩，获得无线应答器的ID号。同时考虑到无线应答器的处理延时ta，求出二者之间距离：
其中，c是光速。最后将本次测距的时刻、二者间所测的距离、无线应答器的ID号以及通信控制器的相关信息按一定的协议处理后送数据存储器(25)，从而完成此次测距任务。
通过以上结合附图对本实用新型实施例的具体描述，在400MHZ的采样频率下，时间分辨率为2.5×10-9s，因此，测距精度为0.75m，并考虑井下具体条件，测距范围定为一个PN码周期所持续的时间，即一个数据码的持续时间，则测距范围为
装置完成一次测距所需要的时间大致与相关模块处理的时间为同一数量级，不超过100μs。
Claims (8)
1.一种基于扩频技术的煤矿井下精确测距装置，其特征在于，装置包括通信控制器和无线应答器，通信控制器外部具有定向天线、字符型液晶显示模块、4×4的按键矩阵、USB接口、RS-485接口和以太网接口，按键矩阵包括10个数字键和6个功能键；通信控制器通过通信接口能与井下通信基站、监控分站进行数据交换，既能作为井下人员手执便携设备单独使用，也能作为井下通信基站、监控分站的一个有机组成部分；无线应答器可附置于井下设备或佩戴于井下人员身上；通信控制器通过向无线应答器发射PN码调制的扩频询问信号测得二者之间的距离量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通信控制器内部主体组成包括双工器、发射机、接收机、FPGA处理器、数据存储器、有源晶振；FPGA处理器内部的编码器和发送PN码产生模块分别通过I／O口与发射机连接，完成询问信号的扩频调制和射频调制；双工器与定向天线连接，发射机连接到双工器，将询问信号发射出去；接收机与双工器连接，完成所接收到的反射信号解调，形成数字基带信号；接收机通过I／O口与FPGA处理器内部的同步相关模块相连，完成接收信号的相关解扩。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无线应答器包括：双工器、分路器、2个高频放大器、中频滤波器、2PSK解调器、可变延迟器、定时器、数据比较器、开关器、功率放大器。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的FPGA处理器，最高工作频率能达到400MHz及以上，具有独立可编程PLL输出；所述有源晶振提供FPGA工作时钟，所提供的频率为100MHZ。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的发射机包括：2个不同频率的射频发生器、扩频调制器、2个射频调制器及功率放大器，完成对询问信号的双频率载波调制。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述接收机，由三级带通滤波器、两级放大器、2PSK解调器和二值化处理电路构成，将接收的信号转化为正电位和负电位所表示的双极性数字基带信号。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的无线应答器是通过分路器分别与2个高频放大器相连，高频放大器经乘法器再与一个中频滤波器相连来实现对所接收的询问信号进行解扩。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的PN码是由10级移位寄存器产生的m序列，码长1023位。
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| CN105898707B (zh) * | 2014-09-28 | 2019-03-29 | 中国矿业大学(北京) | 具有二次扩频精确测距功能的矿井wifi系统及实现方法 |
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