CN101806228B - 煤层瓦斯射电频谱测向预警系统 - Google Patents

Abstract

一种煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，该系统通过射电天文调制辐射接收系统，接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电稳态和非稳态辐射温度信号，藉以间接测定煤层瓦斯压力；通过射电天文全功率辐射接收系统，接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态和快速变化辐射強度及形态信号，藉以判别所测瓦斯射电辐射类型及变化速率；通过射电天文频谱辐射接收系统，接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态及快速变化辐射频谱峰值及其频率漂移，藉以预警煤瓦突出。通过上述三种信号在不同天线方位及仰角下最大值的吻合，以及三角法测量，藉以测定瓦斯富集区的方位及法距。

Description

煤层瓦斯射电频谱测向预警系统

技术领域

本发明涉及煤矿采掘中测定煤岩层瓦斯压力，更具体地说是一种应用射电天文调制、全功率、频谱和绝对定标方法，较精确地测定煤岩层中瓦斯射电辐射源的辐射温度、相对強度、频谱及方位和法距，再通过实测建立数学模型和数据处理得到煤层单位长度衰减系数计算出瓦斯源本身的辐射流量，进而配合钻孔实测瓦斯源的压力，得出某一地质及煤层条件下辐射流量与瓦斯源的压力关系，籍以测量煤岩层中瓦斯富集区的瓦斯压力及预警煤瓦突出危险的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统。

背景技术

煤瓦突出煤层，尤其是严重煤瓦突出煤层安全掘进施工至今仍是世界性难题。同样，煤瓦突出煤层内部瓦斯压力集中区域的方位、压力及突出危险的测定及预报至今也是世界性难题。过去在煤矿中使用过的钻孔探测、地音探测、微震探测、电磁探测等方法，这些方法中前三者都是接触探测，或因孔位、孔深难以测定而使瓦斯压力难以实时测定；或因不够灵敏、易受杂音干扰，难以建立与瓦斯压力模型；或因设备庞大难以在采掘现场应用；后者虽是非接触探测，但建立在脉冲计数基础上的单通道测试难于与脉冲干扰区分，因而虚警率高，且是非线性检测，难于建立瓦斯压力模型；因此现有技术都不能很好解决煤层内部瓦斯压力、方位的测定及煤瓦突出的预警。各煤矿虽然都相继建立了巷道瓦斯检测监控系统，但只能检测巷道空气中业已从煤岩层中渗透出来的瓦斯的浓度，而不能检测掘进开采工作面前方煤层中的瓦斯含量，因而并不能从根本上解决煤与瓦斯突出造成瓦斯浓度瞬间增加，引起的瓦斯爆炸的预测预报和防治问题。总起来说，目前煤矿采掘中使用的煤层瓦斯测试方法，其本质上都是非线性、单通道、单物理量硬件测量设备。

发明内容

本发明目的是为克服上述现有技术所存在的不足之处，利用在射电天文学中已经非常成熟的射电天文调制、全功率、频谱仪、干涉、偏振(极化)及绝对定标等方法，提供一种煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，它是一种线性多通道多传感单元的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，可同时测定煤岩层中瓦斯射电辐射源的辐射温度、相对強度、辐射频谱及辐射源方位和极化，籍以测量煤岩层中瓦斯富集区的瓦斯压力、方位及预警突出。

为了叙述清楚，先简介煤层瓦斯射电探测的基本原理：

1、非绝对零度下的煤层瓦斯存在玻尔兹曼辐射：P＝εKT，ε为煤层瓦斯吸收系数(ε≤1)，T为绝对温度，K为玻尔兹曼常数。由于地层深处的物理温度不可能瞬变，所以这是一种缓变的稳态辐射或者说背景辐射；

2、煤层瓦斯富集区存在吸附瓦斯膨胀导致煤岩层断裂产生的电磁辐射，由于地质动力学的复杂性和断裂的无规性，这是一种尖峰形态的非稳态辐射；

3、由矿区内多层大面积弱导电煤层和绝缘岩层相间迭加构成的大地电容器在地质动力学变化中(含瓦斯压力增大导致)极板间距L和电荷Q变化产生长波射电辐射(λ∝L、p∝ΔQ)；

4、煤层瓦斯富集区存在局部弱导电煤层和绝缘的瓦斯液气层构成的吸附瓦斯电容因吸附瓦斯体积压力变化产生的长中波辐射及瓦斯富集区内积聚的大量电荷经煤层尖端通过瓦斯气体局部无氧放电产生的尖峯辐射；

5、大地高Q谐振腔激发的煤层瓦斯δ射电谱线辐射(在复杂的地质构造中，不排除在复杂的地质构造中形成高Q谐振腔，才足以形成频率自1KHZ-100KHZ的δ谱线辐射)；及其谱峰漂移以及可能存在的高压瓦斯气体分子特征谱线辐射等等。

我们的目标就是通过综合利用射电天文方法中的成熟技术并结合煤矿开采中的实际情况进行改进，用一种综合性、多通道、高性能的煤层瓦斯射电频谱测向系统实现对上述五种煤层瓦斯射电辐射信号的接收，测定并记录其辐射温度、相对强度、辐射频谱、谱峯漂移、辐射区方位及法距、辐射极化等随天线方位、仰角、时间的变化及其形态，籍以间接测定煤层瓦斯压力，确定其位置、辐射形态及其辐射类型，从而指导生产、预警煤与瓦斯突出。

煤层瓦斯射电频谱测向系统不同于一般的无线电接收机，由于接收对象的特殊性，它有几个基本技术要求：1.高的增益稳定性：黑体辐射是一种白噪声形态的辐射，在本质上和接收系统的电子噪声并无不同，因此，若接收系统增益不稳定，则在接收系统输出发生变化时，我们根本无法区分是接收系统收到的瓦斯射电辐射信号的变化还是接收系统本机噪声的变化。所以，一般来说，要求接收系统整机增益稳定性至少达到±1～2％/每小时或更高；2.高的灵敏度：射电辐射机的理想灵敏度ΔT＝aT sys/√Δf·て，要使理想灵敏度ΔT越好，必须：降低系统噪声温度Tsys、增大系统等效带宽Δf、增加系统积分时间て，一般来说，要求接收系统整机灵敏度至少达到1～2°K或更低；3.高的抗干扰性：相关处理、抑制定频干扰、严挌屏蔽和滤波、降低天线的后瓣和旁瓣电平、多倍频程可调带宽、多通道比对等等；4.高线性及大动态范围：如≥60db动态范围、动态范围内线性≯2～10％、程控增益、软件无线电技术等等。

终上所述，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是该系统综合应用射电天文方法中的调制辐射计方法、全功率辐射计方法、外差频谱仪方法、绝对定标方法及煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法，测定煤岩层中不同天线方位及仰角下的瓦斯射电辐射源的辐射温度、相对強度、辐射频谱及辐射源方位和极化，籍以测量煤岩层中瓦斯富集区的方位、瓦斯压力大小及其变化，预警煤瓦突出危险；设有包括：

线性射电天文调制辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电稳态和非稳态辐射温度信号，籍以间接测定煤层瓦斯压力；

AGC射电天文全功率辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态及快速变化的辐射強度及形态信号，籍以判别所测瓦斯射电辐射类型及变化速率；

射电天文频谱辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态及快速变化的辐射频谱峯值及其向高频端的的漂移，籍以预警煤瓦突出；

长中波定向天线组，通过其将上述三种接收的信号通过双方向性天线的转动及移位，获得在不同天线方位及仰角下最大值的吻合，再经三角法计算，测定瓦斯富集区的极化、方位、仰角和法距，以确定瓦斯富集区到天线的距离；

通过射电天文绝对定标方法及煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法，将显示的输出信号转换为天线收到的瓦斯富集区天线辐射温度，在知道单位长度煤层的电波损耗系数和煤层瓦斯富集区的瓦斯压力后，再将天线辐射温度转换为瓦斯压力，就可以从仪器显示读出瓦斯压力。

射电天文调制辐射接收子系统设有调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置，含宽带定向天线接口、三端口视频调制器、低噪声视频前置放大器、多倍频程可调带宽放大器、可选薄膜隔离衰减器、三频有源带阻滤波器、宽带缓冲放大器、可调增益主视频放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器、同步积分器、同步相位检波器、有源积分器、锁相同步信号产生器、多路CMOS缓冲器以及过冲切除控制信号延迟电路；由宽带定向天线来的天线信号经宽带天线接口进入三端口视频调制器的信号输入端口，三端口视频调制器的另一输入端口接50Ω终端负载，三端口视频调制器的驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器7路同步方波信号输出的其中一路输出口，经方波调制后的天线信号由三端口视频调制器的信号输出端口接到低噪声视频前置放大器的输入端，低噪声视频前置放大器的输出端接到多倍频程可调带宽放大器的信号输入端，多倍频程可调带宽放大器的程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的调制带宽程序控制电压输出口，可调带宽放大器的信号输出端接到可选薄膜隔离衰减器的输入端。可选薄膜隔离衰减器输出端接到三频有源带阻滤波器的输入端，三频有源带阻滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端。宽带缓冲放大器的输出端接到可调增益主视频放大器的信号输入端，可调增益主视频放大器的过冲切除电路的驱动方波输入端接到过冲切除控制信号延迟电路的输出端，可调增益主视频放大器的可调增益程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的调制增益程序控制电压输出口，可调增益主视频放大器的输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端。低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出端接到同步积分器的信号输入端，同步积分器的双相驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器的其中两路的输出口，同步积分器的信号输出端接到同步相位检波器信号输入端，同步相位检波器的双相驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器7路同步方波信号输出的其中两路的输出口，同步相位检波器的信号输出端，接到有源积分器的输入端，经过有源积分器积分后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，有源积分器的输出端接到嵌入式CPU的第一个A/D输入端口，即调制解调信号输入端口，所有的调制方波信号均由锁相同步信号产生器产生，锁相同步信号产生器的方波输出端接到多路CMOS缓冲器的输入端，锁相同步信号产生器的基准信号输入端接到嵌入式CPU的锁相基准信号输出口，多路CMOS缓冲器共有7路CMOS电平同步方波信号输出，其中2路接到同步积分器的双相驱动方波输入端，2路接到同步相位检波器的双相驱动方波输入端，另2路接到同步积分器的双相驱动方波输入端，还有2路接到过冲切除电路控制信号延迟电路的双相驱动方波输入端，最后1路接到三端口视频调制器的驱动方波输入端；

AGC射电天文全功率辐射接收子系统设有全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置，含多分段天线接口、宽带视频开关式机械调谐电路、外同步单片机前端选频控制器、低噪声视频前置放大器、多倍频程可调带宽放大器、可选薄膜隔离衰减器、四频有源带阻滤波器、宽带缓冲放大器、AGC可程控主视频放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器以及有源积分器；由多分段铁氧体天线来的多路天线信号经多分段天线接口进入宽带视频开关式机械调谐电路，该宽带视频开关式机械调谐电路的信号输出端把选出的某一频率的天线信号送到低噪声视频前置放大器的输入端，宽带视频开关式机械调谐电路由外同步单片机前端选频控制器控制，外同步单片机前端选频控制器的外同步信号输入端接到嵌入式CPU的单片机外同步信号输出口，低噪声视频前置放大器的输出端接到多倍频程可调带宽放大器的输入端，多倍频程可调带宽放大器的输出端可选薄膜隔离衰减器的输入端，可选薄膜隔离衰减器的输出端接到四频源带阻滤波器的输入端，四频有源带阻滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端。宽带缓冲放大器的输出端接到AGC可程控主视频放大器的信号输入端，AGC可程控主视频放大器的信号输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端，AGC可程控主视频放大器的程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的全功率增益程序控制电压输出端，低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出端接到有源积分器的输入端，经有源积分器积分后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，有源积分器的输出端接到嵌入式CPU的第二个A/D输入端，即全功率解调信号输入端口；

射电天文频谱辐射接收子系统设有高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置，含宽带定向天线接口、低噪声视频前置放大器、低通滤波器、宽带缓冲放大器、可选薄膜隔离衰减器、双频有源带阻滤波器、多倍频程混频器、前置高中频放大器、高中频带通滤波器、高中频石英晶体滤波器、后级高中频放大器、高中频缓冲放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器、积分器、可程控DDS直接数字合成本振信号产生器、高通滤波器以及本振缓冲放大器；由宽带定向天线来的天线信号，经宽带定向天线接口接到低噪声视频前置放大器的输入端。低噪声视频前置放大器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端，宽带缓冲放大器的输出端接薄膜隔离衰减器的输入端，薄膜隔离衰减器的输出端接到双频有源带阻滤波器的输入端，有源带阻滤波器的输出端接到多倍频程宽带混频器的信号输入端，在多倍频程宽带混频器的信号输入端接入高Q中频LC口波器；多倍频程宽带混频器的本振输入端接到本振缓冲放大器的输出端，经多倍频程宽带混频器变频后的高中频信号输出端接到前置高中频放大器的输入端，前置高中频放大器的输出端接到集总参数高中频带通滤波器的输入端，高中频带通滤波器的输出端接到高中频石英晶体滤波器的输入端，石英晶体滤波器的输出端接到后置高中频放大器的输入端，后置高中频放大器的输出端接到大动态高中频缓冲放大器的输入端。高中频缓冲放大器的输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端，低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出经过积分器积分抑噪后得到一个代表天线输入频谱強度的直流信号，送到嵌入式CPU的第三个A/D输入端，即频谱解调信号输入端口，频谱仪的扫频本振由可程控DDS直接数字合成信号发生器产生，可程控DDS直接数字合成信号发生器的外触发同步信号输入端接到嵌入式CPU的本振外触发同步信号输出口，可程控DDS直接数字合成信号发生器的本振输出端接到10db薄膜隔离衰减器的输入端，薄膜隔离衰减器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端经3db薄膜隔离衰减器接到高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到本振缓冲放大器的输入端，本振缓冲放大器的输出端接到多倍频程宽带混频器的本振输入端；

系统还设有

篏入式CPU中心控制数据处理显示装置：含运行WIN XP操作系统的单板CPU、512MDDR内存及8G CF卡存储器、12bit 100KHz 16选1的A/D变换器、3路12bit 33KHzD/A变换器、LCD显示屏以及相应的A/D、D/A转换板及相应I/O接口；

防爆镍氢可充电池组及稳压电源：包括+15V、+8V、+8V、-8V，共4组镍氢可充电池组及相应的4组恒压恒流镍氢电池充电器和+12V、+5V、+5V、-5V，共4路精密稳压电源及相应的EMI保护、滤波、去耦、过热、过流、短路保护电路；

所说双天线系由安装在一起的电感加载低损耗高ε介质包封宽带准对数周期平板天线和单片机控制可遂段切换双倍加长铁氧体多分段天线共同组成双定向接收天线组，两者在接收频带的高端、中端、中低端均有方向性，利用双定向天线中的电感加载低损耗高ε介质包封宽带准对数周期平板天线在中波和中长波的天线主瓣方向性及双倍加长铁氧体多分段宽带天线的8字形方向性，以天线平面法线为准，在采掘面前两边各选一点，各自转动天线找出煤层瓦斯射电辐射最大响应值的天线平面与两点之间连线的夹角及两点之间连线的長度，即可求出煤层瓦斯射电辐射源的方位及到两点之间连线的法距，从而可以确定瓦斯射电辐射源到天线的距离。

所说射电天文绝对定标方法采用冷热源定标及天线口面定标，对调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置进行接收端面冷热源绝对定标及天线口面冷热源绝对定标和标准天线比对，以测定天线收到的煤层瓦斯射电辐射温度，再通过两点测向确定瓦斯射电辐射源到天线与瓦斯射电辐射的距离，经实测得到煤层单位长度衰减系数，计算出瓦斯源本身的辐射流量，进而配合煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法即密封钻孔实测瓦斯源的压力，获得某一地质及煤层条件下辐射流量与瓦斯源的压力关系，从仪器显示直读瓦斯压力。

所说调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置、全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置及高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置装在同一隔爆铁合内构成三通道共同接收来自同一辐射源的信号，其不同的接收体制、增益、带宽、积分时间及显示方式，经嵌入式CPU处理实现有效地抑制干扰和观测有用信号形态及参数并采用高中频外差扫频式频谱仪来接收和分析显示煤层瓦斯射电辐射频谱，并监控其频谱峯值向频率高端的移动以作为预警煤瓦突出的重要依据。

本发明的优点及显著效果：

1、线性接收：本机的输出与天线信号呈线性关系，其线性动态范围达30-40db，经AGC电路可达70db，再使用校正曲线经计算机修正可达80-90db。这就可以通过绝对定标将仪器输出读数标定为辐射流量，再通过瓦斯标定将其标定为瓦斯压力、浓度或吨煤含瓦斯量。而过去国内外测量瓦斯电磁辐射大多采用脉冲计数，难于建立仪器输出与瓦斯射电辐射強度的线性关系，也就不可能将仪器输出读数标定为瓦斯射电辐射強度，更不可能通过绝对定标和瓦斯标定将仪器输出读数标定为瓦斯压力、浓度或吨煤含瓦斯量。

2、频谱接收：采用高中频外差扫频式频谱仪来接收和显示煤层瓦斯射电辐射频谱，以1-5KHz的频谱分辨率显示5～1300KHz的频率范围内的煤层瓦斯射电辐射频谱，并监控其频谱峯值向频率高端的移动以作为预警煤瓦突出的重要依据。并通过对100KHz以下的频谱峯的单位时间计数作为衡量煤层瓦斯活动剧烈程度的一项指标，而某一天线方位角时的频谱峰的最大值又作为六参量极坐标图的参量参与煤层瓦斯射电辐射的计量。经科技查新，国内外尚无类似技术。

3、双定向天线接收：由安装在同一平面的双定向天线共同接收来自煤层瓦斯的射电辐射，一个为电感加戴低损耗高ε介质包封宽带对数周期平板天线，另一个为单片机控制可遂段切换调谐的双倍加长铁氧体多分段天线，两者具有不同的天线方向特性，两者一起接收有利于对煤层瓦斯射电辐射源的测向、判别有用信号、抑制干扰，减少虚警。并且可以利用平面天线与铁氧体天线不同的偏振特性来区分煤层瓦斯射电辐射源的偏振进而细分其迎头端面情况(端面向掘进面或侧面向掘进面等)。

4、多通道多传感器接收：由装在同一隔爆铁合内的调制接收仪、全功率接收仪及频谱接收仪通过双天线共同接收来自同一煤层瓦斯射电辐射源的信号，因其不同的接收体制(调制、全功率、频谱)、增益(线性、AGC、点频准线性)、带宽(宽频带、窄频带、1-5KHz点频)、积分时间(2S、0.5S、10mS)及显示方式(数显、数显、模拟)，实际上相当于多通道多传感器接收，经嵌入式CPU处理，通过阀值重合判据可以大大地减少虚警，同时也可以更有效地抑制干扰及更有效地观测有用信号形态及参数。这是国内外对煤层瓦斯射电辐射探测中没有做到过的。

5、15°测向：利用双定向天线中的电感加戴低损耗高ε介质包封宽带准对数周期平板天线在中波和中长波的天线主瓣方向性及双倍加长铁氧体多分段天线的8字形方向性，以天线平面法线为准，在采掘面前两边各选一点，各自转动天线测出煤层瓦斯射电辐射最大响应值的天线平面与两点之间连线的夹角及两点之间连线的長度，即可求出煤层瓦斯射电辐射源的方位及到两点之间连线的法距。其测向精度可达15°，这一指标远超过文献报导。

6、应用高增益稳定性的调制式射电辐射接收设备及接收机冷热源定标及天线口面定标技术测定煤层瓦斯射电辐射流量进而标定煤层瓦斯富集区的瓦斯压力或单位体积煤层内瓦斯含量：应用增益稳定性达到±0.5％/每小时的调制式射电辐射线性接收设备，通过接收机冷热源定标及天线口面定标技术可以准确地测定天线收到的煤层瓦斯射电辐射温度，再通过测向得到天线与源的距离、实测得到煤层单位长度衰减系数即可计算出瓦斯源本身的辐射流量，进而配合钻孔实测得到煤层瓦斯富集区的压力，即可得出某一地质及煤层条件下辐射流量与煤层瓦斯富集区的压力关系。这也是国内外文献中没有报导过的。

7、应用积分时间较短的全功率式煤层瓦斯射电辐射接收设备可以接收到并确定煤层瓦斯射电辐射的形态：当采用积分时间短到0.01S～0.1S，并使用铁氧体天线的全功率式煤层瓦斯射电辐射接收设备时，我们可以接收到煤层瓦斯射电辐射的波形及形态，并可由此区分煤层瓦斯射电辐射的稳态辐射、非稳态辐射、尖峰辐射等等不同的辐射过程。这样我们从辐射形态上可以判断出在尖峰辐射占主要形态且峯值较高尤其是突然增強时，多数表示着煤层吸附瓦斯活动剧烈，煤与瓦斯突出的可能性就增大。

8、高性能篏入式CPU的应用：500MHz的AMD 32位CPU、512MB内存、8G CF卡存储器、12bitA/D和D/A，实现了整机的程序控制，精确而快速地数据处理、数字和图形显示，并且实现了作业时间内的全部测试数据的实时记录和存储。便于使用更高性能的计算机工作站进行后续处理及数据回放，这对于积累资料，进一步寻找地质、煤层、瓦斯以及采掘之间的规律性的东西有很高的价值。

综合以上，本发明具有高增益稳定性且由篏入式CPU程序控制的线性调制接收设备的应用，可以较为准确的测定煤层瓦斯射电辐射；双天线、三通道、AWC、AGC、PGC、同步积分、相关处理、不同积分时间的同时接收可以有效地判别干扰，减少虚警率；宽带频谱测量，提供了直观的煤瓦突出前兆的观测和预警；特种方向性天线双点测量实现了煤层瓦斯富集区方位角、法距和位置测量，为建立瓦斯射电辐射温度与瓦斯压力关系提供了新的手段。

附图说明

图1是本发明系统的原理框图；

图2是调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置原理框图；

图3是全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置原理框图；

图4是高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置原理框图；

图5是篏入式CPU中心控制数据处理显示装置硬件原理框图；

图6是篏入式CPU中心控制数据处理显示装置软件主程序方框图；

图7是防爆型镍氢可充电池组及4路精密稳压电源方框图；

图8是煤层瓦斯射电辐射接收设备长中波双定向天线组方框图；

图9是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件LO配置模块方框图；

图10是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件系统初始化模块方框图；

图11是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件系统状态控制模块方框图；

图12是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件A/D初始化设置模块方框图；

图13是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件D/A初始化设置模块方框图；

图14是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件中断子程序模块方框图。

具体实施方式

参看图1，本发明系统包含具体设备共6种，分别是调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置、全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置、高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置、篏入式CPU中心控制数据处理显示装置、防爆镍氢可充电池组和稳压电源以及长中波定向天线组，除天线以外均各自以镀银外壳密闭屏蔽后共置于开有耐压透明显示窗口的隔爆外壳内，天线则以阻燃防爆电缆通过隔爆接头引入隔爆外壳，以适应煤矿井下工作。1是外置平板天线；2是外置磁性天线；3是调制式射电辐射接收装置；4是全功率式射电辐射接收装置；5是外差式频谱仪接收装置；6是外差式频谱仪DDS本振装置；7是篏入式CPU中心控制数据处理显示装置；8是篏入式CPU的6.4”彩色LCD显示装置；9是4路精密稳压电源；10是内置防爆型镍氢可充电池组；11是外置4路定压恒流充电器；12是键盘及鼠标接口；13是隔爆钢外壳。

见图2，调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置含装在屏蔽外壳上的连接平板天线输出电缆的50ΩSMA插座，该同轴插座经半刚性电缆接到低插损三端口视频调制器的天线信号输入端口；低插损三端口视频调制器的另一个信号输入端口经半刚性电缆接到屏蔽外壳上的50ΩSMA插座，该插座外接50ΩSMA精密负载，低插损三端口视频调制器的信号输出端口经半刚性电缆接到低噪声视频前置放大器的低噪声结型场效应差分对管(2N6484)差分输入端；低噪声视频前置放大器由两级低噪声结型场效应差分共射共集电路及两级低噪声双运放(EL2227)构成的高共模抑制比仪用放大器电路组成，仪用放大器输出端经半刚性电缆接到多倍频程可调带宽放大器的输入端；多倍频程可调带宽放大器由宽带运放积分器、可控增益放大器(VCA810)及单位增益缓冲级构成，可由外加控制电压或程序控制电压改变带宽，其缓冲输出经半刚性电缆接到可选簿膜隔离衰减器的输入端；可选簿膜隔离衰减器由簿膜电路构成，其衰减可在10～30db之间调整，其输出端经半刚性电缆接到三频有源带阻滤波器的输入端；三频有源带阻滤波器由六块双运放(EL2227)构成3级有源二阶带阻滤波器，以抑制10KHz、15KHz、100KHz定频干扰信号通过，其输出端经半刚性电缆接到宽带缓冲放大器的输入端；宽带缓冲放大器由2～3级宽带运放(OPA846)构成，其输出端经半刚性电缆接到可调增益主视频放大器的输入端；输入到可调增益主视频放大器的信号先经过缓冲后送入由双向CMOS模拟开关(43113)构成的调制方波过冲切除电路，双向CMOS模拟开关的控制端经半刚性电缆接到过冲切除控制信号延迟电路的输出端，模拟开关的输出端接可程控大动态范围主放大器(VCA810)，主放大器经单位增益缓冲器后以半刚性电缆接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端；低温漂双差分对管倍压检波器由均连接成cb-e结的超高频双差分对管(2FC2C)构成带温度补偿的倍压检波器，后接可调零点直流放大器(OPA27)，其输出经半刚性电缆接到同步积分器的输入端；同步积分器是一种由运放(OPA27)、模拟开关和电容组成的开关电容积分电路，其开关电路是两个双向CMOS模拟开关(43113)构成，模拟开关的两个控制端分别接到多路CMOS缓冲器的一对同相和反相输出端，同步积分器的信号输出接到同步相位检波器的信号输入瑞；同步相位检波器由也由两个双向CMOS模拟开关(43112、43113)以及差分运放组成，模拟开关的两个控制端分别接到多路CMOS缓冲器的另外一对同相和反相输出端，同步相位检波器的信号输出端接到有源积分器的输入端；有源积分器由运放及时间常数为2S的积分电路构成，有源积分器的低阻抗输出即整个调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置的输出，经半刚性电缆及SMA接头接到篏入式CPU中心控制数据处理显示装置的调制A/D的SMA输入接头；调制方波信号发生器由可接受篏入式CPU中心控制数据处理显示装置输出的同步信号外同步的锁相环(CD4046)同步信号产生器、多路CMOS缓冲器(CD4069)、以及调制方波过冲切除控制信号延迟电路等构成，专门用于产生1路单相12.5Hz调制方波(供三端调制器)、1路双相12.5Hz方波(供同步积分器)、另1路双相12.5Hz方波(供同步相位检波器)及第3路双相12.5Hz方波(供过冲切除控制信号延迟电路)；图中，1是调制式射电辐射接收装置平板天线接口；2是三端口视频调制器的50Ω终端负载接口；3是可调增益主视频放大器的50Ω终端负载接口；4是可调增益主视频放大器的控制电压接口；5是多倍频程可调带宽放大器的控制电压接口；6是锁相同步信号发生器的外同步信号接口；7是调制式射电辐射接收装置解调输出接口；8是调制式射电辐射接收装置的电源输入及滤波接口。

见图3，全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置含装在屏蔽外壳上的连接天线输出电缆的50ΩSMA插座连接多分段铁氧体天线的16个接口，经过16条同轴电缆分别连接宽带视频开关式机械调谐电路的16个同轴干簧开关的一头，16个同轴干簧开关的另一头全部并联后与另4个一头全部并联的同轴干簧开关相连，这4个同轴干簧开关的另一头分别接以不同容量的低损耗调谐电容，总共20个同轴干簧开关外套以电磁线圈，其导通与否由20个继电器电感负载驱动集成电路(MDC3105)为电磁线圈基本导通控制单元，该集成电路(MDC3105)控制输入端接到外同步单片机前端选频控制器的输出端，外同步单片机前端选频控制器由CMOS单片机(AT89C2051)和2块高速CMOS移位寄存器(74HC595)构成，可接受篏入式CPU中心控制数据处理显示装置的外同步信号控制，也可自行产生总共16+4＝20路MDC3105的导通控制信号，可构成16×4＝64或16×1＝16个调谐回路；外同步单片机前端选频控制器与宽带视频开关式机械调谐电路之间用排线相连。20个同轴干簧开关的20个头全部并联后经同轴电缆接到屏蔽外壳上的SMA插座作为铁氧体天线选频调谐输出，经半刚性电缆及SMA接头后接到屏蔽外壳上的低噪声视频前置放大器的SMA输入插座；再经过半刚性电缆接到低噪声视频前置放大器的输入端。低噪声视频前置放大器由两级低噪声结型场效应差分共射共集电路及两级低噪声双运放(EL2227)构成的高共模抑制比仪用放大器电路组成，仪用放大器输出端经半刚性电缆接到多倍频程可调带宽放大器的输入端；多倍频程可调带宽放大器由宽带运放积分器、可控增益放大器(VCA810)及单位增益缓冲级构成，可由外加控制电压改变带宽，其输出端经半刚性电缆接到可选簿膜隔离衰减器的输入端；可选簿膜隔离衰减器由簿膜集成电路构成，其衰减可在10～30db之间调整，可选簿膜隔离衰减器输出端经半刚性电缆接到四频有源带阻滤波器的输入端；四频有源带阻滤波器由8块双运放(EL2227)构成4级有源二阶带阻滤波器，以抑制50Hz、10KHz、15KHz、100KHz干扰信号通过，四频有源带阻滤波器输出端经半刚性电缆接到宽带缓冲放大器的输入端；宽带缓冲放大器由2级宽带运放(OPA846)构成，其输出端经半刚性电缆接到大动态范围的AGC可程控主视频放大器的输入端；大动态范围的AGC可程控主视频放大器由小电容积分比较器及检波器、可控增益放大器(VCA810)及单位增益缓冲级构成，小电容积分比较器比较可控增益放大器(VCA810)的输出与AGC起控电平之间的电平差，经检波后接入可控增益放大器的增益控制端，AGC可程控主视频放大器的输出端以半刚性电缆接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端；低温漂双差分对管倍压检波器由均连接成cb-e结的超高频双差分对管(2FC2C)构成带温度补偿的倍压检波器，后接可调零点直流放大器(OPA27)。低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到有源积分器的输入端；有源积分器由运放(OPA27)及时间常数为0.5S的积分电路构成，其低阻抗输出即整个全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置的输出，经半刚性电缆及SMA接头接到篏入式CPU中心控制数据处理显示装置的全功率A/D的SMA输入接头；图中，1是全功率式射电辐射接收装置的外置铁氧体磁性天线及隔爆输送电缆；2是单片机选频控制器之外同步信号接口；3是可控AGC可程控主视频放大器的控制电压接口；4是多倍频程可调带宽放大器的控制电压接口；5是全功率式射电辐射接收装置解调输出接口；6是全功率式射电辐射接收装置的电源输入及滤波接口。

见图4，高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置含装在屏蔽外壳上的连接平板天线输出电缆的50ΩSMA接头，该同轴接头经半刚性电缆接到低噪声视频前置放大器的输入端。低噪声视频前置放大器由两级低噪声结型场效应差分共射共集电路及两级低噪声双运放(EL2227)构成的高共模抑制比仪用放大器电路组成，低噪声视频前置放大器输出端经半刚性电缆接到低通滤波器的输入端；低通滤波器为5级T型LC集总参数低通滤波器，截止频率1.4MHz，低通滤波器的输出端经半刚性电缆接到宽带缓冲放大器的输入端；宽带缓冲放大器由2级宽带运放(OPA846)构成，其输出端经半刚性电缆接到可选簿膜隔离衰减器的输入端；可选簿膜隔离衰减器由簿膜集成电路构成，其衰减可在10～30db之间调整，可选簿膜隔离衰减器的输出端经半刚性电缆接到双频有源带阻滤波器的输入端；双频有源带阻滤波器由4块双运放(EL2227)构成2级有源二阶带阻滤波器，以抑制10KHz、100KHz干扰信号通过，双频有源带阻滤波器输出端经半刚性电缆接到多倍频程混频器的输入端；多倍频程混频器由1.7MHz高中频□波器、双栅MOS场效应管混频级及1.7MHz高中频变压器等组成，双栅MOS场效应管G1栅极经耦合电容接输入信号，双栅MOS场效应管G₂栅极经耦合电容、半刚性电缆接到装在屏蔽外壳上的SMA本振信号输入插座，再经过半刚性电缆及SMA接头后接到屏蔽外壳上的可程控DDS直接数字合成高本振信号产生器的SMA本振信号输出插座；1.7MHz高中频变压器的低阻输出接到前置高中频放大器的输入端。前置高中频放大器由宽带运放(OPA820)组成，其低阻输出经半刚性电缆接到1.7MHz高中频带通滤波器的输入端；高中频带通滤波器为1.7MHzLC集总参数带通滤波器，带宽100KHz，其输出端经3db隔离衰减器及半刚性电缆接到高中频石英晶体滤波器的输入端；高中频石英晶体滤波器为1.7MHz的复合石英晶体滤波器，带宽1-5KHz(可选定)，高中频石英晶体滤波器的输出端经半刚性电缆接到后级高中频放大器输入端；后级高中频放大器由中功率晶体三极管及1.7MHz高中频变压器等组成，后级高中频放大器输出端接到高中频缓冲放大器输入端；高中频缓冲放大器为宽带运放(OPA820)组成的单位增益同相放大器，其输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端；低温漂双差分对管倍压检波器由均连接成cb-e结的超高频双差分对管(2FC2C)构成带温度补偿的倍压检波器，后接视频直流放大器(OPA27)，其低阻抗输出即整个高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置的输出，经半刚性电缆后接到屏蔽外壳上的信号SMA输出插座；再经过半刚性电缆及SMA接头接到篏入式CPU中心控制数据处理显示装置的频谱仪A/D的SMA输入接头。可程控DDS直接数字合成高本振信号产生器由晶体振荡器、缓冲器、多级可变分频器、直接数字合成电路及控制接口等组成，本振扫频频率范围为1.705～3.0MHz，扫频周期1-12S(可选定)，步进频率5-25KHz(可选定)，步进间隔0.05-0.2S(可选定)，扫频频率范围、扫频周期、步进频率、步进间隔及本振输出电平均可经RS232接口由篏入式CPU中心控制数据处理显示装置进行控制和改变。可程控DDS直接数字合成高本振信号产生器的输出经过依次串接的10db簿膜隔离衰减器、3.1MHz低通滤波器、3db簿膜隔离衰减器、1.66MHz高通滤波器及本振缓冲放大器滤除谐波及串扰杂波后才经半刚性电缆接到屏蔽外壳上的本振信号SMA输出插座作为本振输出。

见图5，篏入式CPU中心控制数据处理显示装置含运行WIN XP操作系统的单板工控机(iEi WAFER-LX-800)、其CPU为AMD的TDP＜6W的低功耗芯片L800、512MB DDR内存及4～16G CF卡存储器、12bit 100KHz 16选1的A/D变换器(PCM-3718H0A/D)、3路12bit 33KHz D/A变换器(PCM-3712D/A)、6.4吋彩色LCD显示屏以及相应的A/D转换板(PCLD-780)、D/A转换板(ADAM-3909)及相应I/O接口；总共3路A/D输入、3路D/A输出、3路数字同步信号输出，均经过屏蔽外壳上的总共9个SMA接头相连。3路A/D输入端分别以半刚性电缆连到调制、全功率及频谱仪的SMA信号输出接头；3路D/A输出分别以半刚性电缆连到调制仪的程控带宽SMA输入接头、调制仪的程控增益SMA输入接头、全功率仪的程控带宽SMA输入接头；3路数字同步信号输出分别以半刚性电缆连到调制仪的调制方波外同步SMA输入接头、全功率仪的单片机外同步SMA输入接头及频谱仪的DDS本振外同步SMA输入接头；单片工控机LX-800的232接口与频谱仪的DDS本振的232接口相连；单片工控机LX-800的LCD显示输出插座与6.4吋LCD显示屏的控制输入插座相连。此外，尚有PS2插座连接外接鼠标等；1是篏入式CPU装置A/D变换器模拟信号输入接口；2是篏入式CPU装置D/A变换器模拟信号输出接口；3是篏入式CPU装置数字控制信号输出接口；4是篏入式CPU装置RS-232串行控制接口；5是键盘、鼠标、CF卡等外设接口；6是篏入式CPU装置的电源输入及滤波接口；

见图7，稳压电源，包括+15V、+8V、+8V、-8V，4组镍氢可充电池组及相应的4组恒压恒流镍氢电池充电器和+12V、+5V、+5V、-5V，4路精密稳压电源及相应的EMI保护、滤波、去耦、过热保护、过流保护、短路保护电路；4组镍氢可充电池组均由1.2V10Ah单元组成，置于单独镀锌铁皮屏蔽合内通过5个Φ6 4700PF穿心电容引出(公共地浮地)，以粗阻燃导线分别经5个Φ6 4700PF穿心电容接到+12V、+5V、+5V、-5V共4路高稳定度稳压电源的输入端；4路高稳定度稳压电源共用一个基准源，均采用串联稳压方式：大功率晶体三极管+高精度运放(OPA27)，运放的供电均经过开关升压稳压模块→EMI滤波→稳压集成电路等2级预稳，取样分压电阻均为高精密金属膜电阻，为减少等效输出电阻均采用4线制方式，4路输入端均串以过热自保护电阻、输出端串接过流保护电路，2路+5V电源为扩大输出电流均在运放后加以OTL输出，从而保证电压稳定度～10^-6量级电流稳定度10^-5量级(输出穿心电容之前)。4路高稳定度稳压电源的输出端均通过5个Φ64700PF穿心电容引出(公共地接外壳)；

见图8，长中波定向天线组为双天线的长中波定向天线组。双天线系由安装在一起的低损耗高ε介质包封电感加戴曲折线延长振子准对数周期平板天线和单片机控制可遂段切换多分段双倍加长锰锌铁氧体天线共同组成双定向天线接收，平板天线通过SFF-50-3同轴电缆经隔爆外壳的隔爆头与调制及频谱仪的SMA天线输入插座相连、铁氧体天线则通过阻燃外皮包复的16根SFF-50-1.5电缆经隔爆外壳的隔爆头与全功率仪的3组7芯天线输入插座相连。两种天线在接收频带的中端以上均有方向性，利用双定向天线中的低损耗高ε介质包封电感加戴曲折线延长振子准对数周期平板天线在中波和中长波的天线主瓣方向性及多分段双倍加长锰锌铁氧体天线的8字形方向性实现±15°的水平面天线定位、并利用可在垂直方向旋转90°进行接收信号偏振特性测定；并利用三角定位法在相距一定距离的两点放置天线，分别测出源与两点之间连线的夹角及两点之间连线的長度，求出煤层瓦斯射电辐射源的方位及到两点之间连线的法距。图中，1是外置磁性天线的16路隔爆输送电缆；2是外置平板天线隔爆输送同轴电缆；3是联接平板天线支干与其延长线的加载色码电感；4是平板天线支干的延长线；5是准对数周期天线的主干和支干；6是外置磁性天线的由两段胶接而成的中波铁氧体磁棒；7是铁氧体磁棒上绕制的16段线圈；

以上设备的主要技术指标为：

调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置：灵敏度≤0.2°K(τ＝2S、Δf≈7MHz)、增益稳定性±0.33％/每小时、频带宽度1KHz～7MHz(-3db)、频带宽度可控范围10KHz～7MHz、输入端噪声系数2db(典型值)、整机增益120～140db、可程控增益范围70db、整机输出电压≥±1V；

全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置：灵敏度≤0.5°K(τ＝1S、Δf＝7MHz)、增益稳定性≤±2％/每10分钟、频带宽度1KHz～7MHz(-3db)、频带宽度可控范围10KHz～7MHz、噪声系数3db(典型值)、整机增益100～120db、AGC控制范围≥60db、整机输出电压≥±1V；

高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置：扫频频带宽度≥5KHz～1.3MHz(-3db)、瞬间通频带≈1KHz-5KHz(可选定)、噪声系数≤4db(典型值)、整机增益～100db、全频段扫频时间～1-12S(可选定)、中频抑制比≥25db、整机输出电压≥±1V；

篏入式CPU中心控制数据处理显示装置：单板计算机、板载CPU AMD LX800主频500MHz、内存512MB、存储器8G、可运行WIN XP操作系统、A/D 12bit 100KHz、D/A 12bit33KHz、6.4吋TFT LCD彩色显示、含RS232、RJ45接口、具有完整的程序控制调节数据处理存储显示报警软件；

稳压电源：防爆可充电池组、至少支持整个系统8小时连续工作、精密稳压电源电压稳定度≈10^-6、纹波及噪声电压≯0.33mVp_p(50Hz-20MHz)；

长中波定向天线组：平板天线，可工作频带≥1KHz～1.5MHz、中心频段增益≥6db、中心频段天线主瓣半功率宽度≈±15°，铁氧体天线，可工作频带10KHz～1MHz、可分64段频段单片机控制机械调谐；

上述设备的详细工作原理如下：

1、调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置工作原理：由天线来的信号由天线接口进入低插入损耗(＜0.2db，0～7MHz)三端口视频调制器，被12.5Hz方波调制后，进入低噪声J-FET视频前置放大器(Nf：2db、Gmax：37db)，该放大器为降低1/f噪声及高频白噪声并降低直流漂移，第一级采用了低噪声J-FET差分对管作差分放大并以晶体三极管对管构成恒流源，第二级同样采用了低噪声J-FET差分对管作差分源极跟随器。为使输出端直流电平近于零电平及补偿FET差分放大器的高频下降，采用了由两块高速宽带低噪声双运放及四个±0.1％高精密电阻构成的高共模抑制比仪用放大电路并加以频率补偿，得到几乎从0～6.5MHz的平坦响应及mv级输出偏置。放大后的信号进入多倍频程可调带宽放大器，为降低后级噪声，第一级仍采用高速宽带低噪声运放，第二三级为带频率反馈的以模拟乘法器为基础的可调带宽电路，第四级为缓冲射随器，可得到fh(-3db)自10KHz～14MHz可调的低通滤波调节效果，可手调亦可计算机程序控制，增益Gmax：12db。为调节输出电平及隔离后级影响，在其输出端加入了薄膜隔离衰减器，其衰减量可在10～30db之间选定。为了抑制定频长波干扰，对于确知的罗兰-C导航100KHz、未知的长波通信10KHz、15KHz加以抑制，特加入了这三个频率的由高速宽带低噪声双运放构成的二阶三频有源带阻滤波器，由于本调制式接收机的同步相位检波器的偶次谐波抑制能力，对于50Hz(12.5×4)市电干扰基波无须带阻抑制。为了隔离和补偿有源滤波器的损耗及失配特加入一级高速宽带低噪声运放构成的宽带缓冲放大器(Δf：0-60MHz，Gmax：6db)。之后就是可调增益主视频放大器了，它有两个特点：一是带有由宽带CMOS模拟开关构成的过冲切除电路，受过冲切除控制信号控制，切除调制器开关闭合时的因干簧触点多次跳动造成的方波包络前沿的抖动波形；二是带有以模拟乘法器为基础的可调增益电路，受嵌入式CPU程序控制也可手动，增益变化范围达+35db～-35db。主放大器通带高端可达20～30MHz，Gmax可达60db。主放大器后接低温漂双差分对管倍压检波器，由封装在一个管壳内的硅晶体三极管双差分对管构成的带温度补偿及硅二极管起始电压补偿的倍压检波电路，其检波有效输入电压范围可自10～750mV。其后为带输出偏置调节的宽带低噪声运放构成的视频直流放大器，可在无输入电压时调节输出偏置为≤1mV。电压增益约3倍。经视放后送入由双宽带CMOS模拟开关与宽带低噪声运放构成的同步积分电路，其驱动与调制方波同步，可以极大地抑制与调制方波不同步的干扰和噪声信号，大大加強调制式辐射接收设备的抗干扰能力。信号经同步积分后送入双宽带CMOS模拟开关与宽带低噪声运放构成的同步相位检波电路，在与调制方波同步的控制信号作用下，从调制方波包络下解调出有用信号，再经过有源积分器积累后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，送到嵌入式CPU的第一个A/D输入端。

2、全功率式煤层瓦斯射电辐射接收设备工作原理：由加长铁氧体多分段天线来的信号，经多路天线接口进入由外同步单片机前端选频控制器控制的多点低插入损耗宽带视频开关式机械调谐电路64个调谐频点初选后送入由天线来的信号由天线接口进入低噪声J-FET视频前置放大器(Nf：2db、Gmax：37db)，该放大器为降低1/f噪声及高频白噪声并降低直流漂移，第一级采用了低噪声J-FET差分对管作差分放大并以晶体三极管对管构成恒流源，第二级同样采用了低噪声J-FET差分对管作差分源极跟随器。为使输出端直流电平近于零电平及补偿J-FET差分放大器的高频下降，采用了由两块高速宽带低噪声双运放及四个±0.1％高精密电阻构成的高共模抑制比仪用放大电路并加以频率补偿，得到几乎从0～6.5MHz的平坦响应及mv级输出偏置。放大后的信号进入多倍频程可调带宽放大器，为降低后级噪声，第一级仍采用高速宽带低噪声运放，第二三级为带频率反馈的以模拟乘法器为基础的可调带宽电路，第四级为缓冲射随器，可得到fh(-3db)自10KHz～14MHz可调的低通滤波调节效果，可手调亦可计算机程序控制，增益Gmax：12db。为调节输出电平及隔离后级影响，在其输出端加入了薄膜隔离衰减器，其衰减量可在10～30db之间选定。为了抑制定频长波干扰，对于确知的罗兰-C导航100KHz、未知的长波通信10KHz、15KHz以及50Hz市电干扰基波加以抑制，特加入了这四个频率的由高速宽带低噪声双运放构成的二阶四频有源带阻滤波器。为了隔离和补偿有源滤波器的损耗及失配特加入一级高速宽带低噪声运放构成的宽带缓冲放大器(Δf：0-60MHz，Gmax：6db)。之后就是AGC可程控主视频放大器了，它有载波电平检出电路和以标准电平为基础的比较器控制的模拟乘法器式自动增益控制电路，也可受嵌入式CPU程序控制，增益变化范围达+35db～-35db。主放大器通带高端可达20～30MHz，Gmax可达60db。主放大器后接低温漂双差分对管倍压检波器，由封装在一个管壳内的硅晶体三极管双差分对管构成的带温度补偿及硅二极管起始电压补偿的倍压检波电路，其检波有效输入电压范围可自10～750mV。其后为带输出偏置调节的宽带低噪声运放构成的视频直流放大器，可在无输入电压时调节输出偏置为≤1mV。电压增益约6倍。经视放后送入以宽带低噪声运放构成的有10倍电压增益的有源积分器积累后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，送到嵌入式CPU的第二个A/D输入端。

3、高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收设备工作原理：由天线来的信号由天线接口进入低噪声J-FET视频前置放大器(Nf：2db、Gmax：37db)，该放大器为降低1/f噪声及高频白噪声并降低直流漂移，第一级采用了低噪声J-FET差分对管作差分放大并以晶体三极管对管构成恒流源，第二级同样采用了低噪声J-FET差分对管作差分源极跟随器。为使输出端直流电平近于零电平及补偿J-FET差分放大器的高频下降，采用了由两块高速宽带低噪声双运放及四个误差≤±0.1％高精密电阻构成的高共模抑制比仪用放大电路并加以频率补偿，得到几乎从0～6.5MHz的平坦响应及mv级输出偏置。放大后的信号为降低频谱仪工作频带以外的高频信号引起高次差频杂散频谱分量，采用了低通滤波器，fh(-3db)1.4MHz，至1.7MHz可衰减25db。在其后接入二级高速宽带低噪声运放构成的宽带缓冲放大器(Δf：0-60MHz，Gmax：26db)。为了抑制定频长波干扰，对于确知的罗兰-C导航100KHz、未知的长波通信15KHz，特加入了这个频率的由高速宽带低噪声双运放构成的二阶双频有源带阻滤波器予以抑制，至于10KHz及50Hz市电干扰基波因在频谱仪低端工作频率以外可不予考虑。为调节输出电平及隔离后级影响，在其输出端加入了薄膜隔离衰减器，其衰减量可在10～30db之间选定。之后就是多倍频程宽带混频器了，本机取高中频为1.7MHz，正好介于中波广播波段与短波通信波段之间，为减少中频干扰，在混频输入端接入高Q中频LC□波器，对1.7MHz高中频的抑制达25db。混频器后接以1.7MHz前置高中频放大器，经由宽带低噪声运放构成的单位增益放大器隔离后送入1.7MHz集总参数LC高中频带通滤波器(Δf≈100KHz)，为进一步压缩通带采用了1.7MHz高中频石英晶体滤波器(Δf≈1-5KHz、30KHz处抑制≥25db)。晶滤后是后置高中频放大器，为扩展输出动态范围，在其后又接入一级宽带大动态运放构成的4倍同相放大器作为高中频缓冲放大器。混频中放增益Gmax可达50db。混频中放后接低温漂双差分对管倍压检波器，由封装在一个管壳内的硅晶体三极管双差分对管构成的带温度补偿及硅二极管起始电压补偿的倍压检波电路，其检波有效输入电压范围可自10～750mV。其后为带输出偏置调节的宽带低噪声运放构成的视频直流放大器，可在无输入电压时调节输出偏置为≤1mV。电压增益约6倍。经视放后输出一个代表天线输入频谱強度的直流信号，送到嵌入式CPU的第三个A/D输入端。频谱仪的扫频本振由DDS直接数字合成信号发生器产生，步进扫描模式，嵌入式CPU控制外触发同步，输出频率范围1.705～3MHz(相应接收频率范围10KHz～1.3MHz)，步进扫描间隔频率5-25KHz，步进扫描间隔时间约0.05-0.2S(可选定)，全频段扫频时间约1-12S(可选定)。为减少输出失真及减少混频过程产生的高次差拍及交互失真分量，输出幅度约+13dbm。为进一步降低本振输出中的高次分量及数字噪声，在DDS直接数字合成信号发生器输出端使用了10db薄膜隔离衰减器、3.1MHz的低通滤波、3db薄膜隔离衰减器、1.66MHz的高通滤波器和本振缓冲放大器，带外抑制25db以上，这样使得DDS产生器输出信号中的二次谐波(≥3.4MHz)及高次分量至少抑制25db，而DDS产生器输出信号中的数字量化噪声也得到了有效抑制。从而很大程度上改善了频谱混杂、交迭及相位噪声，改善了频谱显示效果也降低了频谱接收信号的下限即提高了频谱接收灵敏度。

4、篏入式CPU中心控制数据处理显示设备工作原理：采用了研华工控生产的WAFER-LX-800型3.5吋单板工控机，板载AMD LX-800低功耗移动型CPU，主频500MHz，TDP≤6W(待机功耗1.4W)，板载内存512MB SDRAM，外接8GB CF卡，可运行Windows XP操作系统。显示器为6.4吋彩色TFT LCD，分辨率为640×480，26万色，亮度为300cd/m²，对比度120∶1。变換接口采用了PCM-3718HD 12bit 100KHzA/D及PCLD-780模数信号转接板，以及PCM-3712 12bit 33KHzD/A及ADAM-3909数模信号转接板。工作流程请见附图6，这是全机工作主程序，尚有LO预置模块、初始化模块、状态控制模块、中断子程序等次要程序要嵌入安置，这里不赘述。

5、稳压电源设备工作原理：防爆镍氢可充电池组为+15V、+8V、+8V、-8V共4组，容量均为10AH，每组负荷电流分别为约0.8A、1A、1.2A、0.5A，以外附4组恒压恒流镍氢电池充电器充电，充足电以后可连续工作8小时以上。4路(+12V、+5V、+5V、-5V)稳定度＜十万分之一的精密稳压电源均为单级稳压。采用开环增益120db以上的运放作调整放大器。运放所需的正负供电压均由正负压电池升压稳压模块经EMI滤波后再经正负三端稳压器供应，+18V及-15V供电稳定度均优于±0.5％×±1％＝±0.005％，+12V电源的基准源为经特殊挑选的带温度补偿的低噪声6V稳压管，+5V电源的基准源为6V经高精密电阻分压得到，基准源均用供应运放电源的+18V供电，基准源对电池电压变化的稳定度优于±0.005％×0.02＝±0.0001％，温度系数优于10ppm。为减少电源输出内阻，本稳压器4组电路均采用4线制输出，输出端口的负载稳定度达±0.001％。为适合井下使用，全机不采用熔断式保险丝，均采用过流自保护电阻。4路稳压电源均含过流限制电路。为减少模拟电路与数字电路之间的串扰，两组+5V电源分别供应接收部分及篏入式CPU部分。-5V电源与供应接收部分的+5V电源采用±0.1％高精密电阻跟踪稳压，一旦+5V电源失压-5V电源也无电压输出，较好地保护了正负压供电的集成电路的安全。

6、高增益长中波定向天线组工作原理：本天线组为双天线，电感加戴低损耗高ε介质包封对数周期平板天线和双倍加长铁氧体多分段天线。平板天线为0.5M外径，理论上可良好工作于2M波段，采用折迭振子又可工作于4M波段，电感加载后可工作于8-12M波段，外面包封以低损耗的ε达8000-10000的介质后，即可工作于1000M波段即300KHz左右，在更低频率上接照鞭状天线工作可达λ/20，则在效率降低后可工作到60KHz左右，当然1KHz左右只能感应到。至于长度达40cm的铁氧体天线，作为调谐回路可工作到10KHz，但实际上有8字形天线方向图的频段估计只能到长波广播波段约150KHz左右，再往下其8字形天线方向图就不明显了。

图12中，A/D采样顺序为S1 S2 D1 S3 S4 S5 S6 P1 S7 S8，其中Sn：指频谱仪数据(n＝1-8)，D1：指迪克仪数据，P1：指全功率仪数据；而其输出数据的处理显示方式为：Dout：每秒钟平均一次并存储显示；Pout：每秒钟平均一次并存储显示；Sout：为S1、S2、S3、S4或S5、S6、S7、S8中的Smax，每4个数据处理一次并存储显示；

图13是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件D/A初始化设置模块方框图；

图14是煤层瓦斯射电辐射接收设备软件中断子程序模块方框图。

本发明用于煤矿井下煤层瓦斯射电辐射源测量的实施例：

1、测量有无瓦斯射电辐射：将包含有共6个设备的带有隔爆外壳的煤层瓦斯射电接收系统运到煤矿的掘进工作面(一般是工作面中间位置)，将平板天线和铁氧体天线对准煤壁，如调制和全功率输出以及频谱仪三者均有指示，则表明接收到了信号。

2、判断是不是瓦斯射电辐射信号：慢慢地左右旋转平板天线和铁氧体天线同时观测LCD上的调制和全功率输出读数和频谱仪显示，确认是否对准煤壁时最強，如是，则多半是来自煤层瓦斯射电辐射；否则，多半是干扰或天线方向图有问题。

3、测定瓦斯射电辐射源方位及距离：将包含有共6个设备的带有隔爆外壳的煤层瓦斯射电接收系统运到煤矿的掘进工作面的一端A点，籍天线上的小罗盘确定源的输出最大值测的角度α，再搬到掘进工作面的另一端B点依法测出角度β，若AB距离为L，则源到L的垂距为r＝tgα·tgβ/tgα+tgβ。

4、测定瓦斯射电辐射源的辐射温度：将包含有共6个设备的带有隔爆外壳的煤层瓦斯射电接收系统运到煤矿的掘进工作面到L与r的交点即距瓦斯源最近的点上，将天线对准源的位置，稍待片刻(因篏入式CPU要进行自动调整、计算)可在LCD上看到源的辐射温度值及谱峯对应的频率值(必须是经过冷热源定标和口面定标且机器置于“程控”而非手动位置)。

5、持续监控煤层瓦斯射电辐射源的变化及预警煤瓦突出危险：大致判断瓦斯射电辐射源的辐射类型(稳态、非稳态、快速变化、谱峯移动)，并通过持续监控全功率输出读数是否快速增加及频谱输出谱峯是否向高端移动，判断瓦斯射电辐射源区域地质变化剧烈程度，如三者(调制、全功率、频谱)均快速增強且伴有谱峯向高端移动情况，则机器将自动闪烁蜂鸣器发出预警声音。

6、钻孔实测瓦斯压力建立辐射温度、垂距、煤质与瓦斯压力关系：在测出的垂距处钻孔、取样并在实验室测出瓦斯压力，结合煤质、垂距、辐射温度建立关系公式及数学模型，以有可能直接在LCD上显示瓦斯压力。

7、上井以后在大型计算工作站上回放一个工作班次数据并存盘，积累若干次后进行综合处理，求出瓦斯射电辐射源的稳态辐射温度，结合地质数据及瓦斯仪实测数据求出瓦斯射电辐射源的玻尔兹曼温度并反向判读瓦斯富集区物理状态。

Claims (5)

1.一种煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是该系统综合应用射电天文方法中的调制辐射计方法、全功率辐射计方法、外差频谱仪方法、绝对定标方法及煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法，测定煤岩层中不同天线方位及仰角下的瓦斯射电辐射源的辐射温度、相对強度、辐射频谱及辐射源方位和极化，籍以测量煤岩层中瓦斯富集区的方位、瓦斯压力大小及其变化，预警煤瓦突出危险；设有包括：

射电天文调制辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电稳态和非稳态辐射温度信号，籍以测定煤层瓦斯压力；

射电天文全功率辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态及快速变化的辐射強度及形态信号，籍以判别所测瓦斯射电辐射类型及变化速率；

射电天文频谱辐射接收子系统，通过其接收煤岩层中瓦斯富集区瓦斯射电非稳态及快速变化的辐射频谱峯值及其向高频端的漂移，籍以预警煤瓦突出；

长中波定向天线组，通过其将上述三种接收的信号通过双方向性天线的转动及移位，获得在不同天线方位及仰角下最大值的吻合，再经三角法计算，测定瓦斯富集区的极化、方位、仰角和法距，以确定瓦斯富集区到天线的距离；

通过射电天文绝对定标方法及煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法，将显示的输出信号转换为天线收到的瓦斯富集区天线辐射温度，在知道单位长度煤层的电波损耗系数和煤层瓦斯富集区的瓦斯压力后，再将天线辐射温度转换为瓦斯压力，就可以从仪器显示读出瓦斯压力。

2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是：

射电天文调制辐射接收子系统设有调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置，含宽带定向天线接口、三端口视频调制器、低噪声视频前置放大器、多倍频程可调带宽放大器、可选薄膜隔离衰减器、三频有源带阻滤波器、宽带缓冲放大器、可调增益主视频放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器、同步积分器、同步相位检波器、有源积分器、锁相同步信号产生器、多路CMOS缓冲器以及过冲切除控制信号延迟电路；由宽带定向天线来的天线信号经宽带天线接口进入三端口视频调制器的信号输入端口，三端口视频调制器的另一输入端口接50Ω终端负载，三端口视频调制器的驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器7路同步方波信号输出的其中一路输出口，经方波调制后的天线信号由三端口视频调制器的信号输出端口接到低噪声视频前置放大器的输入端，低噪声视频前置放大器的输出端接到多倍频程可调带宽放大器的信号输入端，多倍频程可调带宽放大器的程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的调制带宽程序控制电压输出口，可调带宽放大器的信号输出端接到可选薄膜隔离衰减器的输入端，可选薄膜隔离衰减器输出端接到三频有源带阻滤波器的输入端，三频有源带阻滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端，宽带缓冲放大器的输出端接到可调增益主视频放大器的信号输入端，可调增益主视频放大器的过冲切除电路的驱动方波输入端接到过冲切除控制信号延迟电路的输出端，可调增益主视频放大器的可调增益程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的调制增益程序控制电压输出口，可调增益主视频放大器的输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端，低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出端接到同步积分器的信号输入端，同步积分器的双相驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器的其中两路的输出口，同步积分器的信号输出端接到同步相位检波器信号输入端，同步相位检波器的双相驱动方波输入端接到多路CMOS缓冲器7路同步方波信号输出的其中两路的输出口，同步相位检波器的信号输出端，接到有源积分器的输入端，经过有源积分器积分后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，有源积分器的输出端接到嵌入式CPU的第一个A/D输入端口，即调制解调信号输入端口，所有的调制方波信号均由锁相同步信号产生器产生，锁相同步信号产生器的方波输出端接到多路CMOS缓冲器的输入端，锁相同步信号产生器的基准信号输入端接到嵌入式CPU的锁相基准信号输出口，多路CMOS缓冲器共有7路CMOS电平同步方波信号输出，其中2路接到同步积分器的双相驱动方波输入端，2路接到同步相位检波器的双相驱动方波输入端，另2路接到同步积分器的双相驱动方波输入端，还有2路接到过冲切除电路控制信号延迟电路的双相驱动方波输入端，最后1路接到三端口视频调制器的驱动方波输入端；

射电天文全功率辐射接收子系统设有全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置，含多分段天线接口、宽带视频开关式机械调谐电路、外同步单片机前端选频控制器、低噪声视频前置放大器、多倍频程可调带宽放大器、可选薄膜隔离衰减器、四频有源带阻滤波器、宽带缓冲放大器、AGC可程控主视频放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器以及有源积分器；由多分段铁氧体天线来的多路天线信号经多分段天线接口进入宽带视频开关式机械调谐电路，该宽带视频开关式机械调谐电路的信号输出端把选出的某一频率的天线信号送到低噪声视频前置放大器的输入端，宽带视频开关式机械调谐电路由外同步单片机前端选频控制器控制，外同步单片机前端选频控制器的外同步信号输入端接到嵌入式CPU的单片机外同步信号输出口，低噪声视频前置放大器的输出端接到多倍频程可调带宽放大器的输入端，多倍频程可调带宽放大器的输出端可选薄膜隔离衰减器的输入端，可选薄膜隔离衰减器的输出端接到四频源带阻滤波器的输入端，四频有源带阻滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端，宽带缓冲放大器的输出端接到AGC可程控主视频放大器的信号输入端，AGC可程控主视频放大器的信号输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端，AGC可程控主视频放大器的程控信号输入端接到嵌入式CPU的3路D/A输出的之一的全功率增益程序控制电压输出端，低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出端接到有源积分器的输入端，经有源积分器积分后输出一个代表天线输入信号強度的直流信号，有源积分器的输出端接到嵌入式CPU的第二个A/D输入端，即全功率解调信号输入端口；

射电天文频谱辐射接收子系统设有高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置，含宽带定向天线接口、低噪声视频前置放大器、低通滤波器、宽带缓冲放大器、可选薄膜隔离衰减器、双频有源带阻滤波器、多倍频程混频器、前置高中频放大器、高中频带通滤波器、高中频石英晶体滤波器、后级高中频放大器、高中频缓冲放大器、低温漂双差分对管倍压检波器、视频直流放大器、积分器、可程控DDS直接数字合成本振信号产生器、高通滤波器以及本振缓冲放大器；由宽带定向天线来的天线信号，经宽带定向天线接口接到低噪声视频前置放大器的输入端，低噪声视频前置放大器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接到宽带缓冲放大器的输入端，宽带缓冲放大器的输出端接薄膜隔离衰减器的输入端，薄膜隔离衰减器的输出端接到双频有源带阻滤波器的输入端，有源带阻滤波器的输出端接到多倍频程宽带混频器的信号输入端，在多倍频程宽带混频器的信号输入端接入高Q中频LC□波器；多倍频程宽带混频器的本振输入端接到本振缓冲放大器的输出端，经多倍频程宽带混频器变频后的高中频信号输出端接到前置高中频放大器的输入端，前置高中频放大器的输出端接到集总参数高中频带通滤波器的输入端，高中频带通滤波器的输出端接到高中频石英晶体滤波器的输入端，石英晶体滤波器的输出端接到后置高中频放大器的输入端，后置高中频放大器的输出端接到大动态高中频缓冲放大器的输入端，高中频缓冲放大器的输出端接到低温漂双差分对管倍压检波器的输入端，低温漂双差分对管倍压检波器的输出端接到视频直流放大器的输入端，视频直流放大器的输出经过积分器积分抑噪后得到一个代表天线输入频谱強度的直流信号，送到嵌入式CPU的第三个A/D输入端，即频谱解调信号输入端口，频谱仪的扫频本振由可程控DDS直接数字合成信号发生器产生，可程控DDS直接数字合成信号发生器的外触发同步信号输入端接到嵌入式CPU的本振外触发同步信号输出口，可程控DDS直接数字合成信号发生器的本振输出端接到10db薄膜隔离衰减器的输入端，薄膜隔离衰减器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端经3db薄膜隔离衰减器接到高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到本振缓冲放大器的输入端，本振缓冲放大器的输出端接到多倍频程宽带混频器的本振输入端；

系统还设有

簌入式CPU中心控制数据处理显示装置：含运行WIN XP操作系统的单板CPU、512MDDR内存及8G CF卡存储器、12bit 100KHz16选1的A/D变换器、3路12bit 33KHzD/A变换器、LCD显示屏以及相应的A/D、D/A转换板及相应I/O接口；

防爆镍氢可充电池组及稳压电源：包括+15V、+8V、+8V、-8V，4组镍氢可充电池组及相应的4组恒压恒流镍氢电池充电器和+12V、+5V、+5V、-5V，4路稳压电源及相应的EMI保护、滤波、去耦、过热、过流、短路保护电路。

3.根据权利要求1所述的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是：所说双方向性天线系由安装在一起的电感加载低损耗高ε介质包封宽带准对数周期平板天线和单片机控制可遂段切换双倍加长铁氧体多分段天线共同组成双定向接收天线组，两者在接收频带的高端、中端、中低端均有方向性，利用双定向天线中的电感加载低损耗高ε介质包封宽带准对数周期平板天线在中波和中长波的天线主瓣方向性及双倍加长铁氧体多分段宽带天线的8字形方向性，以天线平面法线为准，在采掘面前两边各选一点，各自转动天线找出煤层瓦斯射电辐射最大响应值的天线平面与两点之间连线的夹角及两点之间连线的長度，即可求出煤层瓦斯射电辐射源的方位及到两点之间连线的法距，从而可以确定瓦斯射电辐射源到天线的距离。

4.根据权利要求2所述的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是：射电天文绝对定标方法采用冷热源定标及天线口面定标，对调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置进行接收端面冷热源绝对定标及天线口面冷热源绝对定标和标准天线比对，以测定天线收到的煤层瓦斯射电辐射温度，再通过两点测向确定瓦斯射电辐射源到天线与瓦斯射电辐射的距离，经实测得到煤层单位长度衰减系数，计算出瓦斯源本身的辐射流量，进而配合煤矿地质学中的煤层瓦斯压力测量方法即密封钻孔实测瓦斯源的压力，获得某一地质及煤层条件下辐射流量与瓦斯源的压力关系，从仪器显示直读瓦斯压力。

5.根据权利要求2或3或4所述的煤层瓦斯射电频谱测向预警系统，其特征是：调制式煤层瓦斯射电辐射接收装置、全功率式煤层瓦斯射电辐射接收装置及高中频外差扫频式煤层瓦斯射电辐射频谱接收装置装在同一隔爆铁合内构成三通道共同接收来自同一辐射源的信号，其不同的接收体制、增益、带宽、积分时间及显示方式，经嵌入式CPU处理实现有效地抑制干扰和观测有用信号形态及参数并采用高中频外差扫频式频谱仪来接收和分析显示煤层瓦斯射电辐射频谱，并监控其频谱峯值向频率高端的移动以作为预警煤瓦突出的重要依据。

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