CN2678255Y - 一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种编码信号无线发射与接收器。一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器，其特征是：由地下发射器和地面接收器两大部分构成，地下发射器接收到传感器信号后，由CPU进行编码去调制由CPU产生的载波信号，形成携带有传感信息的ASK信号，该信号由功率放大器放大后，由磁性天线以无线方式将地下编码电量信号发送到地面；磁性天线收到信号后，通过由9313数字电位器和AD620放大器进行放大，再经过UAF42进行滤波放大，信号进入正弦波发生器、1496乘法器和UAF42带通滤波器组合成的变频增益系统，信号进入码形解调电路，供CPU处理。本实用新型能将深度15m以内的信息准确、及时地无线发送到地面。
Description
技术领域
本实用新型属于浅层地下控向钻进和地下情况探测领域，具体涉及一种编码信号无线发射与接收器，该技术用于地下对接孔工程、隧道掘进超前钻探、非开挖铺设地下管线、岩土体应力应变无线检测、地下管线和地下构筑物的探测等。
背景技术
现已有的无线电通讯设备(如无线电广播、电视、对讲机、手机等)一般用于地面以上的信号传播，一旦被较厚的地层岩土屏蔽，其信号强度就会大大衰减，因此无法用于从地下向地面发送信息；常规的物探方法是探测地下自然固有的属性，多不涉及由地下主动发射信号，且探测精度往往满足不了现代地下工程的需求；在导向钻进领域，国外少数国家近来产生的非开挖铺管导向仪，一方面地下探测深度不大(如RD385型为10m)，另一方面价格昂贵(一般每台套在10万元～18万元人民币)。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种地面下探测深度15m以内探测到的信息准确、及时地无线发送到地面的编码信号无线发射与接收器。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器，其特征是：由地下发射器和地面接收器两大部分构成，地下发射器将地下编码电量信号发送到地面，地面接收器接收后对信号进行处理；
地下发射器，包括CPU、电子开关、反向器、磁棒天线以及晶振，CPU为AVRmega18，AVRmega18的输入接口4、5、6、11、12、13或输入接口23-28与传感器相连接，传感器信号通过CPU自带A/D转换为数字信号，并进行编码，由CPU的串口PD1输出与反向器CD4069相连接，反向器与电子开关CD4066的C口(脚13)连接，载频由CPU自带PWM频率输出功能产生，由CPU的PB1(脚15)输出，与电子开关相连接，电子开关输出端与大功率三极管的基极连接，经过功率放大后通过棒状发射天线发射，发射载波频率为8-33KHz；
地面接收器，磁性天线与可编程放大器(由高精度放大器AD620与数字电位器9313组成)的AD620的脚2相连接，AD620的脚1、脚8与数字电位器9313的脚3、脚5连接；数字电位器的可编程控制端脚1、脚2由CPU直接控制；信号放大后由AD620的脚6输出与滤波器UF42的脚3相连，经带通滤波后由脚7输出至混频器1496的信号输入端脚1；CPU产生软时钟进入UF42的输入端脚3，经过滤波整形后由脚7输出进入混频器1496的载波输入端脚10，经混频后进入后续的UF42滤波器的输入端3，带通滤波选频进入后续放大器114的脚2进行高精度放大；放大后的信号由放大器114的脚6输出，一路放大信号进入整形解码电路，与双比较器LM393的脚2连接，比较电压由脚3提供，经过一级比较后，经过时间常数小的包络线检波器进行检波(由2只二极管和电阻、电容组成)，进入双比较器LM393的脚5进行第二次比较由脚7输出，得到完整的解码信号；另一路放大信号进入有效值电路，有效值电路由AD536J和外围阻容元件组成，信号经由AD536J的脚1输入从脚6输出直流信号供CPU的脚23采集处理，得到距离或深度等信息。
本实用新型针对浅层(15m以内)地下控向钻进等工程需要把在地下探测到的信息准确、及时地无线发送到地面这一关键技术问题，采用8-33KHz的电磁波载波发射频率和调制波特率，能将地下15米以内的已编码的电量信号发送到地表；并在地面采用的磁性接收天线、强抗干扰的选频放大电路、有效抑制自激的变频增益系统和巧妙的消噪解码电子器件，实时、无误地接收地下发送的编码信号。地下发射器电路简单，体积小，适合于地下探测要求。
1、采用8-33KHz的电磁波载波发射频率和调制波特率，与此匹配的载波发生器、编码信号电子开关、功率放大器和近谐振状态的磁棒发射天线，能以较大的距离、较小的衰减从地下向地面主动发射编码电量信号，克服了已有的无线电通讯设备(如无线电广播、电视、对讲机、手机等)在地层岩土屏蔽下信号强度会大大衰减，而无法用于从地下向地面发送信息的弱点；解决了常规物探方法难以由地下主动发射信号且探测精度低的问题。
2、针对上述的发射信号，磁性接收天线的品质因素和特殊尺寸效应使谐振中心突出、信号明晰、噪音和自激被显著抑制，配以后续的强抗干扰选频放大电路、有效抑制自激的变频增益系统和巧妙设计的消噪解码电子器件，能在15m厚的岩土阻隔下高效地滤除噪音，高保真地捡拾出地下发射机所发出的信号。而其它接收机是无法达到这一效果的。
本实用新型，对照现已有的相关技术，实现了信号透过较厚地层的主动发射和接收功能，有高的精度和强抗干扰能力，且成本显著降低(每台套在5万元人民币以下)。该系统噪声系数低，集成程度高，调试工作量小，便于批量生产。在浅层地下控向钻进和地下情况探测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是发射器与接收器的位置和联系方式示意图
图2是地下发射器组成和信号流程概图
图3是地下发射器电路原理图
图4是地面接收器的硬件组成与信号分析流程图
图5是磁性天线原理图
图6是磁性天线的选频特性
图7是码形解调去噪电路原理图
图8是地面接收器电路原理图
具体实施方式
如图1所示，一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器，由地下发射器a和地面接收器b两大部分构成，地下发射器将地下编码电量信号发送到地面，地面接收器接收后对信号进行处理。
如图2、图3所示，地下发射器：包括CPU、电子开关、反向器、磁棒天线以及晶振。CPU为AVRmega18，AVRmega18的输入接口4、5、6、11、12、13或输入接口23、24、25、26、27、28与传感器相连接，传感器信号通过CPU自带A/D转换为数字信号，并进行编码，由CPU的串口PD1输出与反向器CD4069相连接，反向器与电子开关CD4066的C口(脚13)连接，载频由CPU自带PWM频率输出功能产生，由CPU的PB1(脚15)输出，与电子开关相连接，电子开关输出端与大功率三极管的基极连接，经过功率放大后通过棒状发射天线发射。发射载波频率为8KHz。
地下发射器接收到传感器信号后，由CPU进行编码去调制由CPU产生的载波信号，形成携带有传感信息的ASK信号，该信号由功率放大器放大后，由磁性天线以无线方式将地下编码电量信号发送到地面。
理论与实践证明：在一定介质中，电磁波传播的距离和衰减特性是与其发射频率紧密相关的。通过大量的试验得到，在15m岩土厚度内，电磁波频率范围取几KHz~几十KHz为最佳。据此，选择发射载波频率为8-33KHz。
如图4、5、8所示，地面接收器，磁性天线与可编程放大器(由高精度放大器AD620与数字电位器9313组成)的AD620的脚2相连接，AD620的脚1、脚8与数字电位器9313的脚3、脚5连接；数字电位器的可编程控制端脚1、脚2由CPU直接控制；信号放大后由AD620的脚6输出与滤波器UF42的脚3相连，经带通滤波后由脚7输出至混频器1496的信号输入端脚1；CPU产生软时钟进入UF42的输入端脚3，经过滤波整形后由脚7输出进入混频器1496的载波输入端脚10，经混频后进入后续的UF42滤波器的输入端3，带通滤波选频进入后续放大器114的脚2进行高精度放大；放大后的信号由放大器114的脚6输出，一路放大信号进入整形解码电路，与双比较器LM393的脚2连接，比较电压由脚3提供，经过一级比较后，经过时间常数小的包络线检波器进行检波(由2只二极管和电阻、电容组成)，进入双比较器LM393的脚5进行第二次比较由脚7输出，得到完整的解码信号；另一路放大信号进入有效值电路，有效值电路由AD536J和外围阻容元件组成，信号经由AD536J的脚1输入从脚6输出直流信号供CPU的脚23采集处理，得到距离或深度等信息。
磁性天线接收系统接收到信号后，通过由9313数字电位器和AD620放大器组成的程控增益系统进行放大，再经过UAF42带通滤波器组成的滤波放大系统进行滤波放大，信号放大后进入正弦波发生器、1496乘法器和UAF42带通滤波器组合成的变频增益系统，以防止信号“自激”，使有用信号得到进一步的选择性放大，最后信号进入双比较器组成的码形解调电路，得到规则码形供CPU处理。
地面接收部分的硬件组成：
1、磁性天线选频接收系统
与发射机发射的载波频率相应，接收机磁性天线的谐振频率设计为8KHz。元件的优选参数为：φ10～φ16×12～28的中频磁棒，φ0.16漆包线，初级线圈匝数3200N，谐振电容50p可调(图5)。以此获得强感应能力和好的选频特性(图6)。该天线系统在岩土厚度15m内能相对最佳地感应出上述发射机从地下所发出的电磁波信号。
2、滤波放大器(位置关系与详细电路参见图8)
在周围电磁波噪音的干扰下，由磁性天线接收到的有用信号是相当微弱的，必须通过滤波放大，检拾出有用信号。特设计制作出由620放大器、UAF42带通滤波器组成的滤波放大系统。经检测，8KHz的有用信号放大200倍，1/3Bd带宽为7.5KHz到8.5KHz，噪音被大幅度降低。另外还附加了9313数字电位器系统，通过“换档”来抑制近距离时过强的被测信号。
3、变频增益系统(位置关系与详细电路参见图8)
单一频率信号滤波放大的倍数和品质因素的提高是受“自激”限制的。因此，本级采用变频增益，遏制“自激”的产生，使有用信号得到进一步的选择性放大。正弦波发生器、1496乘法器和UAF42带通滤波器组合成一种新颖的变频增益系统，变原信号频率8KHz为差频1.91KHz，使有用信号无自激地再放大了20倍
4、消噪解码器(位置关系图7与详细电路参见图8)
以上接收机放大的信号是以一定频率电磁波为载波的“通断”信号，其包络线为码信号，需进一步将其解调成实码形信号。应用2个比较器和部分阻容元件，创制出一种实用的码形解调电路(图7)。比较器1的门槛设置在低于信号峰值与高于噪音峰值之间，并由其后的RC积分，得到去噪锯齿波；再经门槛设置在低于锯齿波谷底的比较器2，即得到规则的码形信号。
Claims (2)
1.一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器，其特征是：由地下发射器和地面接收器两大部分构成，地下发射器将地下编码电量信号发送到地面，地面接收器接收后对信号进行处理；
地下发射器，包括CPU、电子开关、反向器、磁棒天线以及晶振，CPU为AVRmegal8，AVRmegal8的输入接口(4、5、6、11、12、13)或输入接口(23、24、25、26、27、28)与传感器相连接，传感器信号通过CPU自带A/D转换为数字信号，并进行编码，由CPU的串口(PD1)输出与反向器CD4069相连接，反向器与电子开关CD4066的脚(13)连接，载频由CPU自带PWM频率输出功能产生，由CPU的(PB1)输出，与电子开关相连接，电子开关输出端与大功率三极管的基极连接，经过功率放大后通过棒状发射天线发射，发射载波频率为8-33KHz；
地面接收器，磁性天线与可编程放大器的AD620的脚(2)相连接，AD620的脚(1)、脚(8)与数字电位器9313的脚(3)、脚(5)连接；数字电位器的可编程控制端脚(1)、脚(2)由CPU直接控制；信号放大后由AD620的脚(6)输出与滤波器UF42的脚(3)相连，经带通滤波后由脚(7)输出至混频器1496的信号输入端脚(1)；CPU产生软时钟进入UF42的输入端脚(3)，经过滤波整形后由脚(7)输出进入混频器1496的载波输入端脚(10)，经混频后进入后续的UF42滤波器的输入端(3)，带通滤波选频进入后续放大器114的脚(2)进行高精度放大；放大后的信号由放大器114的脚(6)输出，一路放大信号进入整形解码电路，与双比较器LM393的脚(2)连接，比较电压由脚(3)提供，经过一级比较后，经过时间常数小的包络线检波器进行检波，进入双比较器LM393的脚(5)进行第二次比较由脚(7)输出，得到完整的解码信号；另一路放大信号进入有效值电路，有效值电路由AD536J和外围阻容元件组成，信号经由AD536J的脚(1)输入从脚(6)输出直流信号供CPU的脚(23)采集处理，得到距离或深度等信息。
2.根据权利要求1所述的一种可透过15m地层的编码信号无线发射与接收器，其特征是：发射载波频率为8KHz。
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| CN103033848A (zh) * | 2012-12-19 | 2013-04-10 | 上海申达自动防范系统工程有限公司 | 泄漏电缆探测定位探测仪 |
| CN105840241A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-10 | 陈魏魏 | 长距离隧道使用的无线电发射站 |
| CN110007631A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-07-12 | 仓领电子科技(上海)有限公司 | 一种非开挖传感装置的无线微弱信号处理方法 |
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