高分辨率矿井地质探测仪制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高分辨率矿井地质探测仪，包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于：该仪器还包括有基于可编程片上系统ＳＯＰＣ数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构３２位嵌入式处理系统平台的主机系统，本实用新型专利技术可以构成低功耗矿用本安型的浅层高分辨率浅层地震勘探仪器，用于探测矿井地质和工程地质构造。具体地讲，不仅可以超前探测矿井采煤工作面和掘进工作面前方的地质构造；而且可以探测矿井巷道顶板和底板、两侧邦一定范围内的煤层和岩层的厚度和地质构造。此外，还可以用于道路路基和堤防缺陷探测。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及煤矿井下巷道周围地质构造勘探和工程地质勘探领域的一种浅层地震勘 探仪器，其主要用于矿井采煤工作面和掘进工作面前方的异常地质构造(包括矿层构造、小 窑老空、溶洞、断层与破碎带、陷落柱、煤层分叉与合并、煤层厚度变化、岩浆与岩体构造、 顶板和围岩稳定性和异常小构造)超前探测，以及巷道的顶板、底板和两侧邦一定范围内的 煤层和岩层的厚度和地质构造探测。此外，还可以用于地面工程地质勘探，包括建筑地基地 质构造勘探、水坝堤防地质构造勘探、高速公路和铁路路基地质构造勘探、机场地基地质构 造勘探和其它工程地质勘探。技术背景浅层地震勘探是一门年轻的正在蓬勃发展的勘探地球物理学科。其是根据人工激发的地 震波在被测地质体中传播的物理特性来研究地层的地震参数与岩土物理参数及结构参数之间 的关系，确定各种地质界面的空间位置和形态，解决非均匀复杂小构造地质体的形态、性质 和结构，并且对地下地质体进行综合评介。因此，浅层地震勘探广泛应用于工程地质和环境 地质勘探中。浅层地震勘探仪器作为浅层地震勘探的主要工具与手段，其每一项技术突破都 极大推动了浅层地震勘探理论、技术与方法的发展。目前代表国际先进水平的浅层地震勘探仪器比较多，如美国Geometries公司的ES系列 和Geode系列浅层地震仪、日本OYO公司McSEIS-SX系列浅层地震仪、瑞典ABEM公司 的MK系列浅层地震仪、重庆地质仪器厂DZQ系列浅层地震仪、重庆万马物探仪器有限公 司的WZG系列工程地震仪、北京市水电物探研究所的SWS工程勘探与检测仪、吉林GeoPen 公司的SE系列工程探测仪等。这些先进仪器的共同特点是采用基于通用PC104工控机的主 机系统并且通道数比较多(通常为12道以上)，功耗高和体积大。这些仪器非常适合于地面 工程地质勘探和环境地质勘探，但是很难满足煤矿本安型产品对仪器的功耗要求，因此不适 合用于煤矿井下巷道四周施工地质勘探。目前应用于煤矿井下的先进浅层地震勘探仪器比较少，只有福州华虹智能科技开发有限 公司的KDZ1114-3系列便携式矿井地质探测仪和煤炭科学研究院西安分院的YIR (D)瑞利 波探测仪两种产品，这两种仪器的共同特点是功耗低、体积小和重量轻，都属于煤矿井下使 用本安型产品。其中，KDZ1114-3便携式矿井地质探测仪是一款基于微控制器(MCU)的超 低功耗、集成有多种现场浅层地震勘探方法的矿井地质探测仪，但是其A/D转换位数只有12 位，探测与分析处理精度受到限制。YIR (D)瑞利波探测仪是一款基于通用PC104工控机 的高分辨率(A/D转换位数为24位)矿井地质探测仪，但是其只提供一种现场探测方法(瑞 利面波探测方法)，其应用范围受到限制。如何充分利用目前在地面工程地质和环境地质工程中使用的浅层地震勘探仪器先进技 术，并结合当今嵌入式系统及其低功耗设计技术，研究与开发可在煤矿井下使用的低功耗本 安型先进的矿井浅层地震勘探仪器，是保证煤矿生产的施工地质安全迫切需要解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有的地面浅层地震勘探仪器功耗高和矿井浅层地震勘探仪器精度差与应用范 围受限的问题，本技术提供一种高分辨率矿井地质探测仪，其不仅可以使浅层地震勘探 仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，而且可以解决矿井浅层地震勘探仪器精度与应用范围 受限问题。此外，该仪器还具有体积小重量轻等特点，能够解决矿井巷道现场探测空间环境 受限和施工场所较远所带来问题。本技术包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于该仪器还包括有基于可编程片上系统SOPC数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理系统平台的主机系统。在仪器的数据采集系统方面，采用基于可编程片上系统(SOPC)采集控制平台的六通道 独立"程控放大+24位高速A/D转换"的地震数据采集系统；在仪器的主机系统方面，采用 基于PowerPC体系结构32位嵌入式处理器(MPC823e)的嵌入式系统；在仪器的人机接口 方面，采用LED背光800x600分辨率的TFT-LCD模块和带有38个键的专用PVC键盘；在 机一机接口 (即仪器与PC机接口 )方面，采用10BASE-T以太网接口通信和U盘转储地震 记录数据；在电源系统方面，采用内置锂电池组和煤矿本安型分布式电源系统。在仪器的数据采集系统方面，采用基于可编程片上系统(SOPC)采集控制平台的六通道 独立"程控放大+24位高速A/D转换"的地震数据采集系统，其所依据的技术原理如下(1) 采用六通道数据采集系统方案，符合煤矿井下施工环境和满足矿井浅层地震勘探技 术需要。首先，由于煤矿井下巷道现场施工环境的限制，尤其是在掘进掌子面进行超前探测 时，掌子面的宽度一般不会超过3到4米，采用共激发点的六通道地震记录数据采集通常是 比较合适的。其次，可以满足绝大多数浅层地震勘探方法的需要。例如，瑞利面波勘探、零 偏移距反射勘探、共偏移距反射勘探、最佳偏移距反射勘探、单边折射勘探、双边折射勘探、 PS波测井和巷道顶底板煤层厚度自动探测等。第三，不仅可以满足现场探测的需要，而且可 以极大地降低仪器的功耗。目前，在地面工程地质和环境地质勘探中，所使用的浅层地震勘 探仪器的数据采集通道数一般为24道或48道，有的甚至达高到72道，这为工程地质勘探和 环境地质勘探提供了减少现场探测工作量和提高勘探效率的有效手段。但是，带来负面的问 题也不少，其不仅使仪器的体积和重量增加，而且也极大增加了仪器的功耗。显然，采用道 数较多的浅层地震勘探仪器不适合矿井巷道地质勘探。(2) 采用每道独立的"程控放大+24位高速A/D转换"数据采集通道，不仅可以简化每 个数据采集通道设计、降低每个通道功耗和提高通道之间抗串音能力，并且可以最大限度地 减少仪器数据采集通道所产生噪声，从而在一定程度上提高了地震信号信噪比和分辨率。目 前，绝大多数浅层地震勘探仪器都在数据采集通道中嵌入硬件滤波电路或浮点放大电路。其 中，所嵌入硬件滤波电路的目的是压制地震记录数据中干扰波和提高地震记录的信噪比。但 是，由于地震波在被测地质体介质中传播过程通常是一个复杂的过程，仪器所采集到来自检 波器的地震信号是一个干扰波与有效波混叠的合成波，采样单一的硬件频率滤波器在很多情 况下是无法压制地震信号中与有效波相互干涉的干扰波，反而会增加仪器本身噪声干扰并降 低来自较深层微弱地震波信号的信噪比。因此，在浅层地震勘探仪器的数据采集系统中不设前置硬件滤波器，而在后续地震记录数据处理软件中增强数字频率滤波和数字混波滤波手段 已经成为目前一种明显的发展趋势。同时，还可以从根本上消除因硬件滤波电路嵌入而引入 的噪声，并且简化仪器数据系统结构和降低了功耗和成本。在数据采集通道中嵌入浮点放大 电路的目的是提高仪器数据采集系统的动态范围，由于早期A/D转换器技术限制，其位数通 常为12~16位，在数据采集通道中嵌入浮点放大电路对于提高仪器的动态范围具有非常大作 用。但是，目前先进的高分辨率浅层地震勘探仪器普遍都采用24位A/D转换器，可以完全 满足浅层地震勘探对仪器的动态范围要求。此外，由于硬件浮点放大电路非常复杂，在仪器 的数据采集电路中添加这样的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率矿井地质探测仪，包括显示设备、参数设置设备、电源系统，其特征在于：该仪器还包括有基于可编程片上系统ＳＯＰＣ数据采集控制平台的六通道高速高分辨率浅层地震数据采集系统和基于ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构３２位嵌入式处理系统平台的主机系统；所述的基于可编程片上系统ＳＯＰＣ数据采集控制平台由可编程片上系统ＳＯＰＣ芯片、时钟发生器电路、串行Ｆｌａｓｈ配置数据存储器及其接口、直接配置接口、配置控制指示电路、１ＭＢ　　ＳＲＡＭ程序数据存储器、电源电路及其接口、双端口总线开关电路、采样数据存储器接口和其它扩展接口组成的；可编程片上系统ＳＯＰＣ芯片内嵌有通用ＮＩＯＳ－Ⅱ３２位嵌入式处理器软核、专用高速数据采集控制ＩＰ核和采样数据存储器读写控制ＩＰ核；所述的基于ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构３２位嵌入式处理系统平台由基于ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构的３２位嵌入式处理器、总线驱动电路、ＳＤＲＡＭ存储系统、Ｆｌａｓｈ存储系统、ＬＣＤ显示接口、专用键盘接口电路、以太网接口电路、ＵＳＢ接口电路、机－机通信接口、电源电路、复位电路、时钟电路、实时时钟电路、电池检测电路、Ｉ／Ｏ口扩展电路、调试与测试接口电路、串行监控接口电路和采样板接口组成；基于ＰｏｗｅｒＰＣ体系结构的３２位嵌入式处理器采用ＭＰＣ８２３ｅ处理器，总线驱动电路是由８片具有方向引脚的８位总线收发器组成的，ＳＤＲＡＭ存储系统是由４片ＳＤＲＡＭ芯片组成的３２ＭＢ～１２８ＭＢ容量随机存储系统，Ｆｌａｓｈ存储系统是由４片Ｆｌａｓｈ存储器芯片组成的１６ＭＢ～６４ＭＢ容量快闪存储系统，专用键盘接口电路是由２片Ｉ２Ｃ总线远程８位Ｉ／Ｏ扩展芯片组成的６４个键接口电路，以太网接口电路是由通用１０ＢＡＳＥ－Ｔ以太网络收发器组成的，ＵＳＢ接口电路是由ＵＳＢ通用串行总线收发器组成的，电源电路是由主机系统调试电源电路、ＰＬＬ电源电路和电源开关电路组成的，复位电路是由具有上拉输出的复位芯片和具有按钮功能的双复位芯片组成的上电复位和软硬件复位电路，时钟电路是由８ＭＨｚ主时钟电路、３２．７６８ｋＨｚ辅时钟电路和４８ＭＨｚ　　ＵＳＢ时钟电路组成的，实时时钟电路是由Ｉ２Ｃ总线接口实时时钟芯片、具有电池监测的控制器芯片和钮扣电池组成的，电池检测电路是由串行接口的８位Ａ／Ｄ转换器组成的，Ｉ／Ｏ扩展电路采用的是Ｉ２Ｃ总线远程８位Ｉ／Ｏ扩展芯片，串行监控接口电路是由ＲＳ２３２串行收发芯片和瞬变电压抑制器组成的。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林学龙，陈经章，林存志，
申请(专利权)人：福州华虹智能科技开发有限公司，
类型：实用新型
国别省市：35[中国|福建]