便携式矿用雷管炸药探检仪专利申报材料.docx
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便携式矿用雷管炸药探检仪专利申报材料
项目材料
专利名称便携式矿用雷管炸药探检仪
技术领域:
安全
申请单位:
平顶山市碧源科技有限公司
基本信息
项目名称
便携式矿用雷管炸药探检仪
建议单位
平顶山市碧源科技有限公司
项目负责人
张贵元
联系电话
项目技术负责人
李传华
联系电话
，
技术领域
（3）1.行动技术2.法庭科学3.通信指挥5.交通管理6.消防安全7.制证防伪8.信息网络安全9.警用装备10.其它
应用专业
安全
主要研究内容（100字以内）
主要技术指标（100字以内）
1、宽电压输入范围，支持DC5V至12V任意输入；
2、低功耗，整体功耗低于6W；
3、宽工作温度范围，0℃-50℃；
4、全彩色处理，保证图像的真实性；
5、自适应逐像素动态范围校正；
6、每个像素采用不同的颜色调整曲线；
7、非线性颜色调整；
8、保持图像细节锐利和完好；
9、符合人眼视觉感知特点；
10、图像局部特征识别：
可区分亮区的暗像素和暗区的暗像素，采用不同的处理方法；
11、修复过亮的、过暗的图像，对亮度平衡的图像不处理；
12、根据输入的视频流，自动产生逐像素的调整曲线；
13、支持多种输入信号源（CVBS\VGA\HDMI）及多种信号输出类型（VGA\DVI），信号源可通过遥控、按键及串口三种方式切换。
14、本软件系统:
界面友好、操作简便、功能多样化、集成化、兼容性强的特点
创新点及可能获得的成果和知识产权
1、图像清晰化技术修复人眼的视觉局限（特别是雨、雪、雾、霾、沙尘天气下可以去除噪点使图像清晰化）；
2、低照度下可以计算换算出清晰图像
一、依据和目的意义
煤矿井下雷管爆炸是引起煤矿事故灾害之一，长期以来威胁着煤矿安全生产和影响着经济效益。
据统计,在我国576个国有煤矿中，有高瓦斯矿井277个，占煤矿总数的48%。
1991~2001年间，一次死亡3人以上重特大死亡事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的71~83%之间；2002年，全国煤矿发生瓦斯事故549起，其中10人以上瓦斯事故37起，死亡838人，分别占一次死亡10人以上事故起数、死亡人数的72.5%和78.5%；2004年末到2005年初又连续发生了几起百人以上特别重大的恶性雷管爆炸引起瓦斯爆炸事故，给国家和人民的生命、财产带来了重大的损失，也造成了不良的社会和政治影响。
针对平顶山煤层突出严重，煤层自然条件复杂，影响因素多，煤与瓦斯突出防治困难，平顶山煤田地质构造极为复杂，煤层赋存极不稳定，产状变化大，矿井井下施工还需爆破作业，即使在机械化工作面也不能完全离开爆破作业，而在某些特殊条件下的采掘工程中，只能用爆破的方法，因此爆破工作在煤矿安全生产中的地位是重要的。
由于矿井爆破中很难避免爆破后瞎炮、底眼丢炮难以验出雷管个数和位置，造成爆破事故，如何同时验出雷管个数和位置实现工作面安全生产就成为急待解决的问题。
这些对煤层的放炮开采增加了一定的难度,同时对放炮产品的管理要求更要智能化、准确化、数字化。
因此，深入研究便携式矿用雷管/炸药探检仪技术有着现实意义。
本项目通过理论分析和现场试验来确定适合雷管探测仪参数，准确合理的确定雷管炸药位置、数量等爆破情况。
为工作面回采过程中提高安全保障和技术支持。
二．研究内容和技术特点
地质雷达探测的工作原理,简单地说是通过特定仪器向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。
电磁波在特有地磁场介质中传播,当遇到存在电性差异的地下目标体,电磁波便发生反射,返回到后台终端机时由接收天线所接收在对接收天线接收到的雷达波信号进行处理和分析的基础上,根据接收到的雷达波形、强度、双程时间参数便可推断地下目标体的空间位置结构电性及几何形态。
2.1、关键技术及创新点。
地质雷达将高频电磁波（106～109 Hz ）以宽频带短脉冲形式通过地面发射天线送入地下 ,遇到与周围介质电阻抗有差异的地层或目标体时,部分能量返回地面,被另一天线所接收。
2.2、项目技术对比与创新点。
主要有以下方式：
第一代：
GAMMA校正和直方图均衡化技术
优点：
实现简单；
缺点：
丢失局部细节。
第二代：
同态滤波（Retinex）技术，如SSR，MSR
优点：
无论全局对比度还是局部对比度都得到非常好的改善；
缺点：
计算非常复杂、成本昂贵难以硬件实现;有光环效应。
第三代：
正交视网膜模拟图像转换技术（ORMIT）
优点：
全局和局部对比度都得到改善，硬件实现复杂程度中等；
缺点：
不能区分暗区的暗像素和亮区的暗像素，从而导致亮区的暗像素对比度损失；不能处理动态范围本身就比较小的图像如雨雾、沙尘条件下的图像。
第四代：
我们提出的技术：
“视网膜模拟＋局部特征识别＋图像动态清晰化特点：
1、全局和局部对比度都得到非常好的改善；
2、可以区分暗区的暗像素和亮区的暗像素；
3、图像清晰化技术修复人眼的视觉局限（特别是雨、雪、雾、霾、沙尘天气下）；
4、硬件实现复杂程度高中等；采用高集成四层版；
3、附件设备图纸
3.1、设备外观图
3.2、设备原理框图如图2－21
如图2－21
3.3、电路原理图
雷达式雷管炸药探测仪是以非接触方式获取煤壁、煤土、碎石等不透明障碍物后分子运动信息的探测系统。
其基本原理是：
首先发射特定形式的电雷磁波，当电磁波照射到目标后，其回波信号被目标分子运动所调制而产生多普勒频率，而后采用一定的硬件电路和软件算法，从检测到的多普勒频率中提取目标物分子的特征参数，最终判别出目标物位置、数量等状态信息。
本探测仪的应用环境复杂多变，因此对它提出了外观小型化、便携化和检测智能化、实时化的要求。
信号处理系统是探测仪的重要组成部分。
本课题的研究采用功能强大的高速浮点数字信号处理器（DSP）TMS320C6711B来完成大量复杂运算，以减小设备体积和功耗。
从软件和硬件两方面入手，解决实时检测和操作携带方便的问题。
1系统设计方案
信号处理系统分为模拟信号处理系统和数字信号处理系统两个子系统。
系统的主体是由DSP芯片和A／D转换芯片组成，如图1所示。
其中A／D主要完成模拟信号到数字信号的转换，DSP芯片则用于完成数字信号的分析、处理以及控制。
系统中的前端预处理部分主要完成对I／Q信号的调制解调、A／D转换、部分实时数字信号处理、处理后数据的传输，以及接收和处理后端发来的命令（包括信号放大倍数、A／D的采样率、数字信号处理过程中参数的选择等）。
系统的后端则主要用于控制和显示，完成人机交互功能。
DSP外扩的FLASH完成bootloader，上电启动后DSP自动从FLASH中加载程序到DSP内部RAM中运行，外扩的SDRAM用于DSP进行算法处理时暂存数据。
2硬件电路设计
2．1DSP芯片选择
设计DSP应用系统，选择DSP是非常重要的一个环节，只有选择好了DSP才能进一步设计外围电路。
根据本系统设计中所提出的硬件电路集成度高、体积小、功耗低和实时检测显示的要求和满足小波变换、FFT、谐波分解、维格纳分布多种复杂算法的需要，选用Tl公司新型C6000系列高性能浮点DSPTMS320C6711B作为系统的信号处理开发平台。
其主要特点有：
片内8个并行的处理单元，可分为相同的两组。
它的体系结构采用超长指令字（VLIW）结构，单指令字长为32b，8个指令组成一个指令包，总字长为8×32=256b。
芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将256b的指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。
由于芯片的最高时钟频率可以达到150MHz，当片内的8个处理单元同时运行时，芯片的最大处理能力可以达到2400MIPS（每秒百万条指令）。
此外，TMS320C6711B还有32b的EMIF总线，有4个空间，每个空间均可与SDRAM，SBSRAM和异步外设实现无缝接口。
2．2DSP外围电路设计
系统的外围电路由复位电路、时钟电路、电源电路、内存扩展电路等几个部分组成，其外围电路组成框图如图2所示。
DSP的复位电路一般由电源芯片提供，TI公司的大多数电源芯片都提供复位信号到DSP。
使用电源芯片提供复位信号可以省去专门的复位电路。
此外，也可以在电源芯片相应引脚上连接复位按键，提供手动复位功能。
电源芯片复位信号可以自动监测电源的电压情况。
本系统设计中采用电源芯片复位电路。
由于TMS820C6711B内核可以运行到150MHz，而外设最高只能运行在100MHz，故TMS320C6711B的外部时钟由系统产生从ECLKIN引脚引入，ECLK0UT输出，而不采用自身的150MHz两分频的ECLKOUT2输出，从而提高外部存储器的存取效率。
系统电源由外部变压器提供，变压器输出+5V，经过电源调整芯片产生系统所需要的两种电压+3．3V和+1．8V。
电路采用PT6932（Plug-inPowerModules）方案，PT6932提供双电源输出（3．3V和1．22／1．5V），其输出电压可以由输出匹配电阻调整，1．5v可以升至1．8V，同时其双电压的上电和掉电顺序内部受控，可以满足TMS320C6711B的供电顺序要求。
内存扩展采用2片外围数据存储器和1片128K×8b的FLASH，其中数字存储芯片选用由两片4M×16b宽度SDRAM组成单CE空间32b宽SDRAM类型，FLASH芯片则选用MBM29LV800TA。
2．3A／D转换电路
A／D转换采用高分辨率的模数转换芯片AD7707，由于其外部模拟输入信号的电压范围为±5V，所以选择高电压模拟输入通道AIN3作为模拟信号输入端。
AD7707的时钟信号由外围有源时钟芯片提供，数字信号输入端DIN直接与DSP串行数据输出端DX相连。
其数字信号输出端DOUT直接与DSP的串行数据输入端BDR相连。
串行时钟信号SCLK直接与DSP的串行口发送时钟信号、串行口接收时钟信号CLKX相连，如图3所示。
3系统软件设计
3．1系统软件流程图
该系统软件的设计参考雷达波生命参数检测系统软件设计要求，利用TI的综合开发调试软件CCS完成软件的编写调试。
软件主要完成非接触生命信号的采集、分析和处理，最后传送至液晶显示器进行显示。
软件的流程如图4所示，软件一开始首先屏蔽所有可屏蔽中断，然后对DSP进行初始化，包括状态寄存器、矢量表以及MeBSP串行口的初始化，并对AD7707进行初始化。
然后打开中断，等待外部中断。
在中断服务程序中读取经过数模转换后的数据，并对数据进行处理、发送HPI中断，让外部MCU通过HPI接口读取数据，显示输出。
3．2初始化
初始化是设定系统工作状态的重要步骤，只有正确进行初始化，才能保证芯片的正确运行。
系统初始化包括DSP的McBSP初始化和AD7707的初始化两个部分。
DSP上电复位以后各寄存器都处于一个预先确定的数值状态。
上电时刻，系统上电复位，寄存器复位到初试值。
McBSP通过3个16位寄存器SPCRl（串行口接收控制寄存器1）、SPCR2（串行口接收控制寄存器2）、PCR（引脚控制寄存器）来配置。
接收和发送操作的各种参数通过接收和发送控制寄存器RCRl（接收控制寄存器1）、RCR2（接收控制寄存器2）、XCRl（发送控制寄存器1）、XCR2（发送控制寄存器2）。
AD7707的初始化主要是完成各寄存器的初始化。
包括设定输入信号通道、信号采样频率、采样增益、输入时钟源等。
3．3数字信号处理流程
数字信号处理分为两个大的模块，一路经小波变换后对信号做时域处理；另一路根据回波信号的特征，设计各种数字信号处理算法，并在软件程序设置合适的门限值，根据门限软件来完成人体有／无、动／静、数量等状态信息的识别，并做频域处理。
对于数字信号处理部分，先设计一低通滤波器去除高频干扰信号（截止频率要高于人体运动的频率，一般设置为50Hz），通过小波变换的小波分解提取出低频通道的有用信号（呼吸、心跳信号），而高频通道分解出来的信号一般是系统噪声，采用直接置零的方法将其去除，然后再进行小波重构，恢复低频通道分解的呼吸、心跳信号，并将其在界面上进行实时的时域波形显示，其时域处理流程如图5所示。
对于人体运动的信号由于其频率大约在15～35Hz之间，信号经过低通滤波器之后，直接对其进行傅里叶变换，取模；对于人体的呼吸信号，它的频率一般小于2Hz，因此对信号使用小波变换处理后，采用较低的采样频率，然后进行积累抽样、FFT、取模；根据实验，如果人体处于静止状态，其呼吸路与体动路的信号能量比在1．5～20之间，如果处于运动状态，呼吸路与体动路的信号能量比则在O．1～0．6之间，所以选择γ=1作为判断人体动静状态的门限阈值，如果两路信号的能量比值γ>1为静止或无人状态，γ<1为运动状态，并实时显示频域；如果γ>1，则对信号进行谐波频率的估计。
在X波段，人体呼吸和心跳的多普勒频率大约在O．2～1Hz范围内，如果谐波频率估计值f在O．2～1之间，为有人静止状态，反之为无人状态，并实时显示频域；在判定为有人之后，进一步用维格纳分布和统计模式识别的方法对人体的数量进行确定，实时显示频域和维格纳分布。
整个过程如图6所示。
判断处理后的结果直接被界面显示软件来调用，进行单路数据的频域或时域的实时显示，并可以保存、打印数据。
4结语
该系统采用TI公司最新推出的TMS320C6711B高性能的浮点DSP芯片和AD公司推出的AD770716位A／D转换器设计得到的生命信号分析处理单元，构建集信号采集、信号处理、信号显示输出等功能的信号处理系统，完成了系统原理设计、外围电路设计、信号处理算法设计、软件系统设计等工作。
结果证明设计原理切实可行，电路功能合理，软件系统运行稳定，能够完成大量复杂的算法，满足生命信号探测系统智能化、实时化的要求，而且整个处理系统集成度高、体积小，达到了系统便携化、小型化的设计目的。
由于近年来雷达波生命探测系统应用环境的拓展和军民领域需求的增加，本探测系统具有很好的应用前景。
一种在雷达平台上实现模拟目标的方法
来源：
本站整理 作者：
佚名 2009-03-2710:
24:
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目标模拟按系统结构来区分有两种：
独立结构和分立结构。
独立结构脱离雷达系统单独实现，应用较广，在一定范围内具有通用性，但成本较高；分立结构又称为自主式结构将目标模拟各主要部件耦合到整个雷达系统中，综合成本低，对于相似体制的雷达系统具有借鉴意义。
按照电路实现形式来区分，目标模拟可分为3类：
全模拟实现，全数字实现，数模结合实现。
全模拟实现信号易受干扰，调试困难；全数字实现存储量巨大，存在量化误差。
所以，数模结合成为模拟目标的主流电路实现形式。
目标模拟根据模拟的信号节点来区分，可以分为：
辐射式与注入式。
两者最根本的区别在于，前者经过天线发射，而后者不经过天线，直接将包含目标信息的信号灌回接收系统。
注入式模拟信号只受到内部热噪声影响，信号可重现性良好，所以大部分信号模拟都采用注入方式。
注入式目标模拟又可分为目标基带信号模拟，中频视频信号模拟，高频信号模拟等。
文中介绍的方案由DSP根据点迹信息计算控制量，FPGA产生目标基带信号，利用雷达原有结构调制发射信号。
整个方案可以总结为“分立结构+数模结合+基带信号模拟”。
1模拟目标的实现
1．1总体结构
图1所示为某雷达的结构示意图，其中虚线框是为实现模拟功能增加的部件，去掉这些部件即是一不包含模拟功能的常见PD雷达结构示意图。
点划线框是为了实现模拟目标功能需要进行控制的部件。
正常工作时，工作模式转换开关打到发射机端，多普勒调制开关短路，120MHz信号未经多普勒调制，上变频后脉冲调制，进入发射机。
接收回波时，高频信号经接收机放大，下变频，由信号处理机检测出目标信息，送数据处理机，进行滤波、预测、跟踪。
模拟工作时，工作模式转换开关打到接收机端，信号不经过发射机直接注入和差网络的一端，信号通过和差网格形成幅度几乎相等的和差两路信号送接收机。
DSP计算目标信息，并根据目标信息得出各模拟部件的控制量，由FPGA输出。
对原来输出到脉冲调制器的调幅信号和0／π编码调相信号延时输出，延时多少根据目标距离信息决定。
多普勒调制开关断开，120MHz信号包含可编程的多普勒信息，上变频到发射频率后交由接收机处理。
雷达采用S曲线法测角，因此通过控制和，差增益以及数控移相器来模拟角度信息。
1．2信号描述
1．2．1总站同步信号
图1中信号
（1）为脉冲积累周期信号，信号
（2）为脉冲重复周期信号的调幅信号，信号（3）为编码调相信号，三者时序，如图2所示。
脉冲积累周期由Ⅳ个脉冲重复周期和准备时间构成。
编码调相信号与脉冲重复周期信号的调幅信号同步，信号（6）与信号（10）是信号
（2）与信号（3）的输出信号，用于调制发射波形。
正常工作时，信号（6）与信号（10）转自信号
（2）与信号（3），模拟工作时数据处理机将这两个信号根据目标距离延时后输出。
1．2．2模式切换信号
图1中信号（4）为雷达工作模式切换开关，用于控制经过脉冲调制的高频信号的走向。
正常工作时信号输出到发射机，模拟工作时信号直接输出到和差网络形成内回路。
信号（5）为120MHz开关，来选择是否加入速度多普勒信息。
模拟时开关打开，将多普勒速度调制到120MHz上。
1．2．3模拟目标的实现
一个模拟目标的参数包括延时（距离），多普勒频率（速度），和差两路信号幅度比（角度），以及和路信号幅度（雷达截面积）。
信号（6）为延时信号，用于模拟目标距离。
根据目标距离信息，将总站脉冲重复信号延时后输出，延时为
t=2r／c
（1）
其中r为模拟目标的距离，将光速c代入式
（1）得
t=r／150
（2）
延时t的单位为μs。
同时延时的还有图1中信号（10），信号（10）是将总站编码调制信号延时后的信号，在时序上与信号（6）对齐。
信号（6）与信号（10）构成了脉冲调制器的输入，这两个信号将调制载波，输出到和差网络。
信号（6），信号（10）输出波形及时序，如图3所示。
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