井下人員定位系統(tǒng)的研究

1、西安工程大學(xué)碩士學(xué)位論文答辯 作 者: 鄧凱倫 導(dǎo) 師: 徐 進 學(xué) 院: 電信學(xué)院 井下人員定位系統(tǒng)的研究緒論 我國依然處于世界最大的發(fā)展中國家，每天作用煤炭數(shù)量是驚人的，而井下礦難時由于未得到及時有效的救援而罹難的礦工數(shù)量一直居高不下。根據(jù)國家監(jiān)管局發(fā)布的有關(guān)消息，20022009年我國死于礦難的井下工人人數(shù)高達41064人，同一時期美國卻僅有277人喪生（我國死亡人數(shù)的148分之一）。近六年中國礦難死亡人數(shù)趨于降低，但每年依然有成百上千人死于礦難，所以，我國的礦難營救任務(wù)是嚴峻又急切的。隨著世界整體科技的不斷進步，近些年人員定位系統(tǒng)的課題被廣泛研究，不同的科技領(lǐng)域同時碰撞，現(xiàn)已有多種不同

2、領(lǐng)域技術(shù)的相關(guān)人員定位系統(tǒng)的研究。例如：無線人員定位系統(tǒng)（WIFI、RFID、ZIGBEE技術(shù)等）、紅外成像技術(shù)、聲納系統(tǒng)、超低頻電磁波技術(shù)等等。但每種技術(shù)在井下人員定位的應(yīng)用中均存在局限性。如何充分利用各種技術(shù)的優(yōu)勢，并利用多種技術(shù)的融合來彌補各技術(shù)上的缺陷，是當(dāng)今國內(nèi)外主要研究方向。主要研究內(nèi)容1、基于RFID射頻技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)2、基于紅外成像技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)3、基于超低頻電磁波技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)4、三種技術(shù)相互融合，建立一套完善的井下人 員定位系統(tǒng)，從而解決井下救援行動中所能遇到的各種突發(fā)事故，真正有效快速準確的找到被困人員位置，為進一步開展救援行動提供寶貴時間。第一章

3、 RFID井下人員定位系統(tǒng)的研究1、射頻識別系統(tǒng)的介紹2、用RFID 實現(xiàn)井下人員定位設(shè)計3、系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)射頻識別系統(tǒng)的介紹圖圖1 射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖射頻識別系統(tǒng)的介紹圖圖2 RFID工作原理圖工作原理圖射頻識別系統(tǒng)的介紹表表1 不同頻段不同頻段RFID工作參數(shù)對比工作參數(shù)對比射頻識別系統(tǒng)的介紹用RFID 實現(xiàn)井下人員定位設(shè)計圖圖3 井下井下RFID人員定位系統(tǒng)人員定位系統(tǒng)用RFID 實現(xiàn)井下人員定位設(shè)計圖圖3 井上監(jiān)控中心直觀示意圖井上監(jiān)控中心直觀示意圖用RFID 實現(xiàn)井下人員定位設(shè)計圖圖5 井上局域網(wǎng)的架構(gòu)井上局域網(wǎng)的架構(gòu)系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)通過前面對RFID技術(shù)的分

4、析，根據(jù)井下作業(yè)具體環(huán)境的考慮，提出以下設(shè)計要求：工作頻率：微波段；天線結(jié)構(gòu)：小型，輻射性能：全向；標簽結(jié)構(gòu)：小型，天線集成化，供電形式：自帶電源；閱讀器結(jié)構(gòu)：小型，裝于井下巷道壁上；識別范圍10米以上；系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)圖圖6 RFID系統(tǒng)的硬件框圖系統(tǒng)的硬件框圖AT89S512.4GH頻段MCU模塊：收發(fā)模塊：RFW302芯片組CC2420NRF2401T6963C的液晶驅(qū)動控制器該模塊為240*64點陣。T6963C具有自動進行功能，可以自動處理液晶屏的顯示驅(qū)動、點陣掃描、顯示存儲器管理等操作NRF24E1NRF905第二章紅外成像井下人員定位技術(shù)1、紅外成像特點及其圖像處理的算法2

5、、井下便攜式紅外人員定位系統(tǒng)的設(shè)計分析紅外成像特點及其圖像處理的算法圖圖7 紅外圖像的成像過程紅外圖像的成像過程 下圖展示的是紅外圖像形成的大致流程，由于任何高于零點溫度的物體均可向外放射紅外輻射，當(dāng)物體向外放射的紅外輻射通過空氣傳輸后，被紅外探測系統(tǒng)所捕獲，緊接著輻射信號通過光學(xué)組件成像后進入紅外探測器，隨即再進行一些列的信號轉(zhuǎn)換與處理。并通過探測器輸出出去。輸出出去的原始電信號數(shù)據(jù)進一步進行相關(guān)的紅外圖像處理，就能得到可以在顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，通過顯示模塊顯示出來。 能夠影響紅外成像質(zhì)量的因素有：目標的能量輻射強度、目標輻射與紅外接收器的距離、大氣傳輸過程、系統(tǒng)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換過程、光學(xué)成像等

6、，他們都能導(dǎo)致最終的紅外成像具有對比度低、信噪比低、響應(yīng)非均勻性差等缺點。因此對紅外圖像進行預(yù)處理是能夠提高圖像質(zhì)量的方式，其方式主要分為非均勻性校正、盲元補償和圖像增強。紅外成像特點及其圖像處理的算法1、校正紅外成像的非均勻性的算法有好多種，主要可以分為兩種算法方式：按參考輻射源定標的方法、以場景統(tǒng)計為依據(jù)的校正方法。此種方式會隨著運行時間增加而失效，導(dǎo)致紅外成像的非均勻性反復(fù)出現(xiàn)發(fā)展水平依然處于研究階段，還不具備在市場上應(yīng)用的條件綜上所述，為了改善兩點校正算法自身的缺陷（響應(yīng)時間漂移帶來的參數(shù)失效），本文還設(shè)計了一種新型的兩點校正補償?shù)乃惴āD圖8 8 兩點校正響應(yīng)映射圖兩點校正響應(yīng)映射圖

7、( )( )( )( )( )( )HLHLLLIIG iIiIiO iIG iIi111( )MNLLijIIiMN111( )MNHHijIIiMN( )( )( )( )newTiG iT iO i紅外成像特點及其圖像處理的算法 原始圖像原始圖像 校正后的圖像校正后的圖像 圖圖9 9 紅外紅外原始圖像校正前后的對比原始圖像校正前后的對比2、盲元檢測和補償圖圖1010 盲元補償前后效果圖盲元補償前后效果圖紅外成像特點及其圖像處理的算法3、紅外成像系統(tǒng)的圖像增強 原始圖現(xiàn)在沒有經(jīng)過處理前，原始數(shù)值會集中在狹窄的灰度區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)致圖像質(zhì)量不高，只有經(jīng)過圖像增強處理后的紅外圖像才能適合人眼的分辨和

8、對目標物體的定位查詢。圖圖1 11 1 紅外圖像增強前后的對比圖紅外圖像增強前后的對比圖井下紅外定位系統(tǒng)中采用的圖像增強方式是線性灰度拉伸方法。紅外成像特點及其圖像處理的算法圖圖12 12 改進型灰度線性拉伸法改進型灰度線性拉伸法min()newIk IrmaxmaxminSkrr maxmaxminmaxminmaxminnewSSIIrrrrr 兩個圖像拉伸參數(shù)S、Offset為：maxmaxminSSrrmaxminmaxminSrOffsetrr井下紅外人員定位系統(tǒng)的設(shè)計分析圖圖13 13 系統(tǒng)框架圖系統(tǒng)框架圖第三章主動電磁波井下人員定位技術(shù)1、主動式雷達探測系統(tǒng)的基本原理2、連續(xù)波雷

9、達生命探測系統(tǒng)設(shè)計主動式雷達探測系統(tǒng)的基本原理 主動式生命探測系統(tǒng)又稱雷達探測系統(tǒng)，其實就是生命呼吸和運動的探測器，系統(tǒng)主動連續(xù)發(fā)射電磁信號，對工作區(qū)域進行“掃描”，同時系統(tǒng)不斷接收反射信號，并對這些反射信號中尋找是否存在生命信號的信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)此類信號后，再對其進行濾波提取，經(jīng)過放大把此類波譜信息通過PC機或嵌入式系統(tǒng)進行分析與算法處理，最后在顯示屏上顯示檢測結(jié)果信息。雷達探測的基本原理是利用物體運動時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。多普勒雷達超寬帶雷達連續(xù)波雷達圖圖14 14 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖主動式雷達探測系統(tǒng)的基本原理連續(xù)波雷達發(fā)射的信號為：)2cos()(tfAtsc由目標反射的回波信號為：)(2

10、cos)()(rcrrttfKAttKsts當(dāng)目標與雷達之間距離勻速隨時間變化時，則在t時刻兩者之間的距離為：tvRtRr0)(由于電磁波的速度c比雷達和目標間的相對速度rv很多，故時延rt表示為：)(2)(20tvRcctRtrr回波信號與發(fā)射信號進行對比，高頻相位差為：)(22)(2200tvRtvRcfrrc該式速度rv為常數(shù)時產(chǎn)生頻率差為：rdvdtdf221該式為多普勒頻率。連續(xù)波雷達生命探測系統(tǒng)設(shè)計 人體心跳呼吸影響胸腔起伏運動，人體的生命信號特征有：（1）生命信號具有非正弦性。（2）生命信號具有平穩(wěn)特征。心跳和呼吸頻率呈周期性的變化。（3）采用不同頻率發(fā)射雷達時，所得到生命信號的

11、頻率變化范圍不同。對于最佳探測頻率，人的生命信號頻率變化范圍為0.1-3Hz。（4）人體生命信號的探測就是低速運動目標的檢測。（5）生命信號的徑向運動方向是周期往復(fù)變化的，這樣使目標與雷達造成的平均距離近似恒值。（6）多普勒頻率接近零，同時外界物體所產(chǎn)生的多普勒頻率與其接近。雷達生命探測系統(tǒng)對障礙物背后的目標進行探測時，特點為：1、固定物體（巖石、障礙物、墻壁）對雷達波的反射能力強，生命體呼吸心跳產(chǎn)生的微動形成的反射回波經(jīng)過外界因素而變得很弱。2、探測器會在工作過程中接收到很多不必要的低頻振動誤差干擾，如操作員的心跳、身體抖動，外界移動物體，水滴，墜物等的影響。3、井下環(huán)境復(fù)雜多變，溫度、濕度

12、、氣體成分等不同的惡劣條件均會不同程度影響探測器的工作質(zhì)量。根據(jù)井下應(yīng)用的工作環(huán)境，結(jié)合上述分析，本文的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計總體要求如下：1增強干擾抑制模塊，減少直達波的干擾。2增強信號處理模塊，增強生命信號的提取。3增強電源控制模塊，增強對外界環(huán)境的適應(yīng)性。連續(xù)波雷達生命探測系統(tǒng)設(shè)計 本文提出了雙天線抑制法與回波對消法相結(jié)合的系統(tǒng)模式。并通過改進電源模塊和探測方式進一步的提高本套系統(tǒng)的先進性。圖圖15 井下雷達人員定位系統(tǒng)框圖井下雷達人員定位系統(tǒng)框圖連續(xù)波雷達生命探測系統(tǒng)設(shè)計圖圖1616 收發(fā)模塊系統(tǒng)框圖收發(fā)模塊系統(tǒng)框圖連續(xù)波雷達生命探測系統(tǒng)設(shè)計 所謂對消，就是利用一個大小相同，方向相反的波

13、形與目標波形進行結(jié)合來抵消原本的波形的過程。本文在研究中，可以利用一個矢量來描述原連續(xù)波的波形，通過產(chǎn)生一個方向相反的矢量進行對消，就能解決本文中的回波對消任務(wù)。圖圖1717 回波對消設(shè)計結(jié)構(gòu)圖回波對消設(shè)計結(jié)構(gòu)圖連續(xù)波雷達生命探測系統(tǒng)設(shè)計 主天線采集到的信號中，包含了從目標物體反射回來的回波，也存在外界環(huán)境導(dǎo)致的干擾波（期望信號）。而由于輔助天線無法穿透墻壁探測目標信號，所以采集到的信號均是干擾信號（參考信號）。通過相關(guān)的信號處理算法，我們可以根據(jù)參考信號將期望信號中的干擾雜波抵消，從而起到消雜的功能。圖圖1818 雙天線模塊結(jié)構(gòu)框圖雙天線模塊結(jié)構(gòu)框圖第四章三種井下人員定位系統(tǒng)地融合與應(yīng)用1、

14、RFID井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析2、井下紅外成像探測系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析3、井下雷達探測系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析4、新型井下人員定位系統(tǒng)RFID井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析1、RFID閱讀器與標簽對特殊環(huán)境具有很強抵抗性。2、標簽輕便靈巧，適合井下人員的隨身攜帶；3、RFID技術(shù)的識別率更高，更加精準，距離更可控；4、RFID所具備的穿透性，可以做到無屏障閱讀；5、安全性能高，不易泄露；6、RFID芯片數(shù)據(jù)容量很大。1、超高頻RFID標簽具有反向反射特點，在金屬、液體物體中難以工作；2、價格成本高；3、RFID井下定位需依托安裝在不同巷壁上的閱讀器和天線，一旦發(fā)生井下突發(fā)事故很容易損壞設(shè)備，不能對事故

15、發(fā)生后有效的起到作用；4、國內(nèi)RFID技術(shù)標準不一，不同RFID標簽互不兼容；井下紅外成像探測系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析1、被動式的無線的檢測與識別技術(shù)，適合開展搜救搜索工作；2、紅外成像技術(shù)不受電磁干擾。探測距離遠、目標精確，并可同時跟蹤多個生命源；3、紅外輻射是最為普遍的輻射，可以在完全惡劣環(huán)境下能夠清晰地觀察到所需追蹤的目標；4、紅外成像技術(shù)探測距離遠；1、當(dāng)被搜物體與周圍環(huán)境溫度不大或近似相近時，紅外圖像對比度低，分辨細節(jié)能力差；2、井下紅外探測系統(tǒng)無法穿越墻壁、阻擋物、玻璃等物體，無法定位障礙物背后的生命目標；3、紅外成像系統(tǒng)的成本高，不利于其廣泛的應(yīng)用。井下雷達探測系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析1、雷達生命探測