一种便携式隧道地震波超前探测系统及方法
专利汇可以提供一种便携式隧道地震波超前探测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种便携式隧道三维 地震 地震波 超前探测系统及方法，利用三分量 检波器 安装于隧道边墙上，获取x/y/z三个方向上上的地震波 波形 ，且一个三分量检波器与一个发射单元通过有线方式对应连接；发射单元与接收单元一一对应，不同的发射单元与其对应的接收单元组对工作在不同频段，多个接收单元通过级联，形成三分量检波器数量可进行无上限扩展，只需增加相应的发射单元与接收单元即可；本发明可结合使用主动源和破岩 震源 两种地震波超前探测方法；该系统具有时间同步机制，可最大限度的保证不同三分量检波器测量到地震波波形的时间一致性。，下面是一种便携式隧道地震波超前探测系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：包括工控机、主控单元、接收单元、震源、发射单元和三分量检波器，其中：
所述三分量检波器安装于隧道边墙上，获取x、y与z三个方向上的地震波波形，且一个三分量检波器与一个发射单元通过有线方式对应连接；所述主控单元与每个发射单元之间通过无线方式进行数据传输；所述主控单元与工控机之间进行连接；所述主控单元通过有线方式连接震源；
所述发射单元与接收单元一一对应，不同的发射单元与其对应的接收单元组对分别工作在不同频段，各个接收单元之间形成级联，接收单元将自身接收到的数据和来自前一级的数据依次传输至后一级，直到传输至主控单元；
通过发射单元与接收单元的级联扩展，实现所述三分量检波器数量的扩展；
所述探测系统被配置为处于触发采集模式或连续采集模式，触发采集模式时震源敲击隧道围岩产生触发信号，并将触发信号送往主控单元，主控单元下达触发采集的指令，并通过接收单元送往发射单元启动采集功能；连续采集模式时工控机向主控单元发送连续采集指令，主控单元通过接收单元控制发射单元启动采集功能。
2.如权利要求1所述的便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：发射单元包括无线模块、第一控制器、FIFO缓存器、SRAM存储器、高精度时钟、AD转换器、信号调理电路、电源管理模块和充电电池，发射单元通过充电电池进行供电，电源管理模块对充电电池进行充放电管理；无线模块接收来自接收单元的控制信号并送往第一控制器，第一控制器通过无线模块向接收单元发送应答信号和状态信息；当发射单元收到来自接收单元的同步命令后立即重启高精度时钟；三分量检波器采集隧道边墙上x、y和z三个方向上的地震波波形，每个方向上的波形分别经过信号调理电路和AD转换器后被处理成数字信号，随后送入FIFO缓存器进行数据缓存；第一控制器从FIFO缓存器中取数据，执行压缩算法将压缩后的数据存入SRAM存储器中，第一控制器从SRAM存储器中将压缩后数据读出并通过无线模块发送至接收单元。
3.如权利要求1所述的一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：
所述接收单元的后级数据接口、后级控制接口与后级电源接口分别与后一级接收单元的前级数据接口、前级控制接口与前级电源接口相连；最后一级接收单元的后级数据接口、后级控制接口和后级电源接口分别与主控单元的数据接口、控制接口和电源接口相连。
4.如权利要求1所述的一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：所述主控单元包括DMA控制器、高精度时钟、触发信号检测模块、第二控制器、电源模块和USB模块，DMA控制器将接收到的数据送往第二控制器，第二控制器将接收到的压缩数据解压缩后，通过USB模块经由USB数据线送往工控机；工控机与第二控制器之间通过USB模块进行控制命令、应答信号和状态信息的交互；工控机通过电源模块向主控单元供电；高精度时钟可为第二控制器提供高精度的时钟源信号；当工作在触发采集模式时，震源敲击隧道围岩后产生一个触发信号，当触发信号检测模块检测到触发信号后，通知第二控制器产生触发采集的控制命令。
5.如权利要求1所述的一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：所述工控机将对应的控制命令发送给主控单元，主控单元解析命令后并将命令依次发送给多个发射单元，发射单元解析命令后向主控单元返回应答信号，主控单元将接收到的多个应答信号返回给工控机的状态显示界面中；
或所述工控机对每个发射单元进行独立控制。
6.如权利要求1所述的一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：
所述发射单元具有唯一ID，每个ID发射单元与连接的三分量检波器的位置一一对应，即同一个ID发射单元放置位置不变而连接不同检测位置的检波器时重新定义数据处理的排序，同时拒绝接入非法的ID的发射单元。
7.如权利要求6所述的一种便携式隧道三维地震波超前探测系统，其特征是：
所述发射单元的ID由2个字节构成，高字节为组地址，低字节为终端地址；
所述组地址是指这个高字节值相同、RF信道相同、终端地址不同的所有终端组成的一组；
所述终端地址是同一组地址、RF信道相同和不同低字节值，以区分各个接收单元和发射单元；
所述相同组地址、不同RF信道的接收单元和发射单元不是一组；
所述同一组，需要增加新终端时，只要配置发射单元是相同的组号、RF信道与不同的终端号即可完成。
8.基于如权利要求1-7中任一项所述的便携式隧道三维地震波超前探测系统的触发采集模式工作方法，其特征是：
进行参数设置，包括数据保存位置、采样率和采集时间，主控单元以广播的形式向多个发射单元发送同步命令进行时间同步，主控单元检测到震源敲击隧道围岩产生的触发信号后以广播的形式向所有发射单元发出启动采集的命令，实现所有发射单元同时刻启动数据采集，各个发射单元将AD转换后的数据存储在SRAM存储器中；当达到设置的采集时间后，发射单元停止AD转换并将存储的数据通过无线方式发送给接收单元，主控单元将多个接收单元收到的数据汇总后通过有线方式传输至工控机中，最后工控机中以波形的形式显示数据。
9.基于如权利要求2所述的便携式隧道三维地震波超前探测系统的连续采集模式工作方法，其特征是：
进行参数设置，包括数据保存位置和采样率，主控单元以广播的形式向多个发射单元发送同步命令进行时间同步，随后进行速度测试，获取当前的无线数据传输速度；
发射单元启动AD转换，并将转换后的数据存储在SRAM存储器中，重复这个过程直到停止采集为止；在AD转换和SRAM存储的同时，发射单元同时进行无线数据传输，将已经存储的数据发送出来，不断将接收到的数据以波形的形式显示出来；
在连续采集过程中，每隔一段时间自动进行时钟同步。
10.基于如权利要求9中所述的工作方法，其特征是：确定发射单元将AD转换后的数据存储到SRAM存储器中速度vw，获取当前的无线数据传输速度vt，得到速度倍数n＝[vw/vt]，将SRAM存储器平均分成(n+1)个数据区；
存储指针首先指向第一数据区，将AD转换后的数据存储到第一数据区中，第一数据区存储满后存储指针移动到第二数据区，再重复上述过程，直到数据区(n+1)存储满后，存储指针循环指向第一数据区，不断循环存储和发送数据。
一种便携式隧道地震波超前探测系统及方法
技术领域
背景技术
亡、工期延误和重大经济损失。因此提前探明隧道掌子面前方赋存的不良地质体，对于保障隧道施工安全具有十分重要的意义。
测方法可以分为主动源地震波超前探测方法和破岩震源地震波超前探测方法两种，前者采
用人工震源(如炸药、大锤、超磁滞伸缩震源等和液压/气动震源等)在隧道边墙上激发地震波进行探测；后者可以直接利用隧道掘进机掘进时产生的震动信号进行探测，而无需通过
人工震源激发地震波。
分量信号采集，造成使用不便、数据同步困难、设备成本高的局面。
发明内容
之间通过无线方式进行数据传输；所述主控单元与工控机之间进行连接；所述主控单元通
过有线方式连接震源；
指令，主控单元通过接收单元控制发射单元启动采集功能。
单元。
精度时钟的控制下，三路转换器具有严格同步的时钟信号，当发射单元收到来自接收单元
的同步命令后立即重启高精度时钟；三分量检波器可以采集隧道边墙上x/y/z三个方向上
的地震波波形，每个方向上的波形分别经过信号调理电路和AD转换器后被处理成数字信
号，随后送入FIFO缓存器进行数据缓存；第一控制器从FIFO缓存器中取数据，执行压缩算法将压缩后的数据存入SRAM存储器中，第一控制器也可以从SRAM存储器中将压缩后数据并通
过无线模块发送收单元。
数据处理的排序，同时对于非法的ID系统会拒绝接入以保证数据的安全。
器具有数据缓存和数据传输控制功能；第二控制器可以将控制命令通过无线模块发往发送
单元，还可以通过无线模块接收来自发送单元的应答信号和状态信息。
制器之间可以通过USB模块进行控制命令、应答信号和状态信息的交互；工控机可通过电源模块向主控单元供电；高精度时钟可为第三控制器提供高精度的时钟源信号；当工作在触
发采集模式时，震源敲击隧道围岩后可以产生一个触发信号，当触发信号检测模块检测到
触发信号后，通知第三控制器产生一个触发采集的控制命令。
元将接收到的多个应答信号返回给工控机的状态显示界面中。
数据通讯是否正常，检测发射单元的电池电量信息，如果工作正常则进入下一步，否则循环自检。
的命令，以保证所有发射单元同时刻启动数据采集，发射单元将AD转换后的数据存储在
SRAM存储器中；当达到设置的采集时间后，发射单元停止AD转换并将存储的数据通过无线
方式发送给接收单元，主控单元将多个接收单元收到的数据汇总后通过有线方式传输至工
控机中，最后工控机中安装的采集软件将数据以波形的形式显示出来。
数据存储在SRAM存储器中，重复这个过程直到停止采集为止；在AD转换和SRAM存储的同时，发射单元同时进行无线数据传输，将已经存储的数据发送出来，采集软件不断将接收到的
数据以波形的形式显示出来；开始连续采集后，系统每隔一段时间自动进行时钟同步。
移动到第二数据区，再重复上述过程，当数据区(n+1)存储满后，存储指针循环指向第一数据区；只有在第一数据区存储满后，发送指针才指向第一数据区，将第一数据区中的数据通过无线方式发送出去，发送完第一数据区中的数据后发送指针移动到第二数据区，再重复
上述过程，当数据区(n+1)发送完后，发送指针循环指向第一数据区，实现循环存储和发送数据。
式连接在主控单元3上。三分量检波器安装于隧道边墙上，可获取x/y/z三个方向上的地震
波波形，一个三分量检波器6通过有线方式与一个发射单元5相连，主控单元3可以通过无线方式与多个发射单元5之间进行数据传输。
能；连续采集模式时工控机1通过USB数据线2向主控单元3发送连续采集指令，主控单元3通过接收单元28控制发射单元5启动采集功能。
展，只需增加相应的发射单元5与接收单元28即可。
通过无线模块13向收单元28发送应答信号和状态信息。
道边墙上x/y/z三个方向上的地震波波形，每个方向上的波形分别经过信号调理电路19和
AD转换器18后被处理成数字信号，随后送入FIFO缓存器20进行数据缓存；FPGA 8可以从
FIFO缓存器20中取数据，执行压缩算法将压缩后的数据存入SRAM存储器14中，FPGA 8也可
以从SRAM存储器14中将压缩后数据并通过无线模块13发送收单元28。
采集差步而造成错误，时钟精度优于0.1ppm。
定义数据处理的排序，同时对于非法的ID系统会拒绝接入以保证数据的安全。所述ID由2个字节构成，高字节为组地址(组号)，低字节为终端地址(终端号)。
数据送往DMA控制器29，所述DMA控制器29具有数据缓存和数据传输控制功能；FPGA 8可以
将控制命令通过无线模块13发往发送单元5，还可以通过无线模块13接收来自发送单元5的
应答信号和状态信息。
可以通过USB模块7进行控制命令、应答信号和状态信息的交互；工控机1可通过电源模块10向主控单元3供电；高精度时钟17可为FPGA 8提供高精度的时钟源信号；当工作在触发采集模式时，震源4敲击隧道围岩后可以产生一个触发信号，当触发信号检测模块9检测到触发
信号后，通知FPGA 8产生一个触发采集的控制命令。
接收到的多个应答信号返回给工控机1的状态显示界面中。
5的电池电量信息，如果工作正常则进入下一步，否则循环自检。
保证所有发射单元5同时刻启动数据采集，发射单元将AD转换后的数据存储在SRAM存储器
14中；当达到设置的采集时间后，发射单元5停止AD转换并将存储的数据通过无线方式发送给接收单元28，主控单元3将多个接收单元28收到的数据汇总后通过有线方式传输至工控
机1中，最后工控机1中安装的采集软件21将数据以波形的形式显示出来。
的同时，发射单元5同时进行无线数据传输，将已经存储的数据发送出来，采集软件21不断将接收到的数据以波形的形式显示出来；开始连续采集后，系统每隔一段时间自动进行时
钟同步。
满后存储指针移动到第二数据区，再重复上述过程，当数据区(n+1)存储满后，存储指针循环指向第一数据区；只有在第一数据区存储满后，发送指针才指向第一数据区，将第一数据区中的数据通过无线方式发送出去，发送完第一数据区中的数据后发送指针移动到第二数
据区，再重复上述过程，当数据区(n+1)发送完后，发送指针循环指向第一数据区；由于vw>vt且将SRAM存储器14平均分成(n+1)个数据区，因此可以保证数据不会覆盖丢失，理论上可以循环存储无限容量数据。
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