专利名称：一种无线电坑道透视仪自适应信号调理发送装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电坑道透视信号的自适应调理发送装置与方法，尤其适用于一种用于煤矿的物探设备一无线电坑道透视仪中。
背景技术：
无线电波透视法(又称“坑透法”)是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究确定目标体位置形态，大小及物性参数的一种物探方法。当辐射场电磁波由钻孔的一处发出，遇到电性不同的目标体时就发生波的反射、折射、透射和边缘绕射，以及对波的吸收等现象，因而改变了场的分布。无线电波透视法就 是通过研究电磁波在钻孔或坑道间传播特性和被介质吸收的情况来寻找圈定各种目标的。
目前的坑透信号发送装置中，无线电波信号通过信号发送电路和发射线圈进行发射，并通过手动切换发送电路的阻抗实现发送频率的切换。随着线圈在使用过程中的损耗，可能发生线圈扭曲引起阻抗变化，同时受到温度、周围环境影响，导致信号输出性能降低。为了弥补信号损失，坑透仪厂家一般在信号发送电路中串联了阻抗微调电路，通过手动调整线圈的长度或者电容的截面积，达到调整发送线路的谐振频率。但这种手动调整装置通过边调整边测量的方式来实现，调整的时间长，并且很难使系统性能达到最优。
发明内容
本发明提出一种自适应的自动调理装置，该装置会根据发射线圈的阻抗变化自动进行微调，保证发射信号达到最优状态。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是
如附图I所示，自适应的坑透信号调理发送装置由CPU核心处理电路I、DDS频率信号合成电路2、功率放大电路3、输出电路4、发送天线5、人机界面6、频率微调电路7、电流反馈电路8和电源9组成；模块I会根据模块6的输入信息，控制模块2生成相应的频率信号，经模块3的功率放大后，经过模块4和模块5输出。在输出过程中，模块8会不断采集输出电流反馈给模块1，进而控制模块7进行频率微调，使得模块5的发送信号最大。该装置可以实时监测坑透信号的输出，并自动对发送频率进行微调，智能化和自动化程度高，大大降低了使用的复杂性和操作时间，满足了探测井下地质情况的需求。
上述模块I核心处理电路是该装置的中心控制单元，负责采集反馈电路电流参数，并根据电流大小调整频率微调电路阻抗。同时，模块I还会采集人机界面6的输入参数，并根据输入参数控制DDS频率合成电路生成所需的脉冲信号。
上述模块2频率合成电路采用直接数字频率合成技术，由高集成度芯片(如美国AD公司的AD9850)完成。集成频率合成芯片在接收到高精度的时钟源和频率相位控制字后，就可产生频率和相位都可编程控制的模拟正弦波或方波输出。
上述模块3是一种功率放大电路，如图2所示，模块3的输入为模块2输出的固定频率正弦波或方波信号。但直接从高集成度芯片输出的信号能量较低，不能满足坑透装置对发射信号能量的要求，难以达到穿透煤壁或其他介质，并在另一侧接收端接收到电磁波信号的目的。因此本发明设计了一种两级信号放大电路，对直接频率合成芯片输出的频率信号进行放大。
上述模块4是信号输出电路，如图3所示，负责将放大后的电磁波信号通过线圈发射。输出电路是一个LC振荡电路，谐振频率由电路中线圈和电容的参数决定。
上述模块5是一个由导线绕成的发射线圈，负责将电磁波信号通过线圈传播到待测量介质中。
上述模块6是该装置与操作者之间的人机交互单元，可以为触摸屏、按键、液晶显示屏、微型电脑等装置。
上述模块7是本发明的特色之处，如图4所示，通过继电器自动切换串联到输出回路中的微调电容，经电流反馈模块8实时采集输出电流大小，确定最佳的微调电容组合。
上述模块8为电流反馈回路，如图5所示，模块8首先通过一个耦合线圈接入输出回路7，然后通过取样电阻检波二极管、RC滤波回路和整流电路，实现发送电流的采样，并将采样值送回模块I。
与现有技术相比，本发明具有的优点如下
1)根据发送线圈阻抗自适应调整频率微调电路状态，通过核心处理器控制自动化遍历频率微调电路中各种组合方式，通过采样电路实时观察输出电流的大小，自动选取发送信号最大时的组合方式进行信号输出，操作简便、调整速度快、可靠性高。
2)抗干扰能力强该装置通过前向回路和后向反馈回路组成一个闭环的控制系统，能够根据测量误差自动调整电路状态，保证系统稳定在最优状态。特别是在复杂强干扰的区域探测，可有效地抑制干扰，保证测量的准确性。
3)频率转换时间短
DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。
4)频率分辨率极高
若时钟f s的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在I Hz数量级，许多小于I mHz甚至更小。
5)相位变化连续
改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。
6)输出波形灵活性
只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。
7)自适应放电电流数据采集计算机采用数字式控制放电电压，可连续调节，根据煤矿煤壁的实际情况可自动选择最适宜的放电电流，提高了测量精度。
图I为本发明所述的自适应坑透信号调理发送装置结构框 图2为本发明所述的信号放大电路 图3为本发明所述的信号发送回路电路 图4为本发明所述的信号频率微调电路 图5为本发明所述的电流采样电路图。
图6为本发明所述的自适应坑透信号调理发送装置硬件原理框 图7为本发明所述的自适应坑透信号调理发送装置软件操作流程 图8为本发明所述的发射电流大小及其对应的发射模式存储表；
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图6所示，坑透仪发射机装置内部主要由电源管理板、主控制板、功率放大板和显示板部分组成。电源管理板主要为发射机提供电源，完成蓄电池充放电管理和保护功能。供电电源为12V镍氢电池。功率放大板所需的5V直接从电源管理板接入；主控板所需的5V(另加3. 3V，可以自己加稳压产生)和显示板所需的5V电源均由电源管理板接入。
主控板主要用于控制功率放大板产生多种频率的发射信号，由MCU控制电路及DDS两部分电路组成。可以通过控制继电器切换电容来控制调谐，并通过变换电路电感的感抗来对输出频率进行微调，控制功率放大板的发射频率。同时，主控板还可以控制显示板的显示亮度，检测发射电流大小并显示等。
功率放大板主要对主控板产生的频率信号进行放大，由功率放大和输出调谐两部分电路组成，用于产生多种频率的发射电磁波，并通过发射线圈发射出去。功率放大板上还设计了发射电流检测电路的检测测点，接入到主控板进行发射电流显示。
显示板是坑透仪的人机交互接口，主要对主控板产生信息进行显示。
如图7所示，无线电坑道透视仪自适应信号调理发送方法可分为如下步骤
(O打开设备，开启电源；
(2)系统进行初始化设置，配置相应寄存器等参数；
(3)读取频率转换开关状态，判定发射频率档位，如果不需要进行频率切换，则直接进入(5)，等待信号发射触发信号，否则执行下一步；
(4)按照读取的输出频率档位配置DDS芯片参数；
(5)判定是否进行信号输出，如果未检测到信号发送触发信号，则装置自动检测电池电压及电池的各种状态，否则执行下一步；
(6)使能DDS电路，发送频率信号；
(7)检测微调模式开关状态，如果不需要进行微调模式调整，系统自动跳转到第(3)步，重新进入信号发送周期，否则执行下一步；
(8)通过信号检测电路读取发射机发射电流；
(9)将发射电流大小及其对应的发射模式存储为表格,如图8所示。(10)遍历所有发射模式,并将各种发射模式对应的电流存储；
(11)比较各种模式对应的发射电流，得出最大电流对应的发射模式；
(12)切换微调模式状态为关闭状态；
(13)以最大电流模式输出频率信号。
应当指出的是，以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。·
权利要求
1.自适应坑透信号调理发送装置是由CPU核心处理电路I、DDS频率信号合成电路2、功率放大电路3、输出电路4、发送天线5、人机界面6、频率微调电路7、电流反馈电路8和电源9组成，其特征在于该装置包含的核心处理模块I、电流反馈模块8、频率微调模块7及功率放大模块3等组成了一个闭环的频率信号调整发送装置，实现ー种自适应的信号调理方法，装置会根据环境变化或者天线的损耗情况等外界变化，自动调整每台发送装置的发射參数，保证发送信号最強。
2.如权利要求I所述的自适应坑透信号调理发送装置，其特征在于所述的频率放大电路3由两级电路组成，电路如附图4所示。
3.如权利要求I所述的自适应坑透信号调理发送装置，其特征在于，所述的输出电路4通过线圈进行耦合，并通过电容器连接到发射天线，如附图5所示。
4.如权利要求I所述的自适应坑透信号调理发送装置，其特征在于，所述的人机界面6可以为触摸屏、按键、液晶显示模块等ー种或其组合。
5.如权利要求I所述的自适应坑透信号调理发送装置，其特征在于，所述的频率微调电路7通过电容或者电感进行调谐，保证输出信号最优，电路模型如附图2所示。
6.如权利要求I所述的自适应坑透信号调理发送装置，其特征在于，所述的电流反馈电路8通过取样电阻、RC滤波电路和半桥整流电路组成，电路如附图3所示。
全文摘要
本发明公开了一种自适应的无线电坑道透视信号调理发送装置，该装置是由CPU核心处理电路1、DDS频率信号合成电路2、功率放大电路3、输出电路4、发送天线5、人机界面6、频率微调电路7、电流反馈电路8和电源9组成；模块1会根据模块6的输入信息，控制模块2生成相应的频率信号，经模块3的功率放大后，经过模块4和模块5输出。在输出过程中，模块8会不断采集输出电流反馈给模块1，进而控制模块7进行频率微调，使得模块5的发送信号最大。该装置可以实时监测坑透信号的输出，并自动对发送频率进行微调，智能化和自动化程度高，大大降低了使用的复杂性和操作时间，满足了探测井下地质情况的需求。
文档编号G01V3/12GK102955175SQ20121039843
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年9月25日
发明者刘志高, 悦红军, 沈芳 申请人:北京华安奥特科技有限公司