井下人員定位系統(tǒng)研究第一頁(yè)，共36頁(yè)。

井下人員定位系統(tǒng)的研究

第二頁(yè)，共36頁(yè)。緒論

我國(guó)依然處于世界最大的發(fā)展中國(guó)家，每天作用煤炭數(shù)量是驚人的，而井下礦難時(shí)由于未得到及時(shí)有效的救援而罹難的礦工數(shù)量一直居高不下。根據(jù)國(guó)家監(jiān)管局發(fā)布的有關(guān)消息，2002—2009年我國(guó)死于礦難的井下工人人數(shù)高達(dá)41064人，同一時(shí)期美國(guó)卻僅有277人喪生（我國(guó)死亡人數(shù)的148分之一）。近六年中國(guó)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(guó)的礦難營(yíng)救任務(wù)是嚴(yán)峻又急切的。隨著世界整體科技的不斷進(jìn)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(shí)碰撞，現(xiàn)已有多種不同領(lǐng)域技術(shù)的相關(guān)人員定位系統(tǒng)的研究。例如：無(wú)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(shì)，并利用多種技術(shù)的融合來(lái)彌補(bǔ)各技術(shù)上的缺陷，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外主要研究方向。第三頁(yè)，共36頁(yè)。主要研究?jī)?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(dòng)中所能遇到的各種突發(fā)事故，真正有效快速準(zhǔn)確的找到被困人員位置，為進(jìn)一步開(kāi)展救援行動(dòng)提供寶貴時(shí)間。第四頁(yè)，共36頁(yè)。第一章

RFID井下人員定位系統(tǒng)的研究

1、射頻識(shí)別系統(tǒng)的介紹2、用RFID實(shí)現(xiàn)井下人員定位設(shè)計(jì)3、系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第五頁(yè)，共36頁(yè)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的介紹圖1射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第六頁(yè)，共36頁(yè)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的介紹圖2RFID工作原理圖第七頁(yè)，共36頁(yè)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的介紹表1不同頻段RFID工作參數(shù)對(duì)比第八頁(yè)，共36頁(yè)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的介紹第九頁(yè)，共36頁(yè)。用RFID實(shí)現(xiàn)井下人員定位設(shè)計(jì)圖3井下RFID人員定位系統(tǒng)第十頁(yè)，共36頁(yè)。用RFID實(shí)現(xiàn)井下人員定位設(shè)計(jì)圖3井上監(jiān)控中心直觀示意圖第十一頁(yè)，共36頁(yè)。用RFID實(shí)現(xiàn)井下人員定位設(shè)計(jì)圖5井上局域網(wǎng)的架構(gòu)第十二頁(yè)，共36頁(yè)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通過(guò)前面對(duì)RFID技術(shù)的分析，根據(jù)井下作業(yè)具體環(huán)境的考慮，提出以下設(shè)計(jì)要求：·工作頻率：微波段；·天線結(jié)構(gòu)：小型，輻射性能：全向；·標(biāo)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(shí)別范圍10米以上；第十三頁(yè)，共36頁(yè)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖6RFID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(dòng)控制器該模塊為240*64點(diǎn)陣。T6963C具有自動(dòng)進(jìn)行功能，可以自動(dòng)處理液晶屏的顯示驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)陣掃描、顯示存儲(chǔ)器管理等操作NRF24E1NRF905第十四頁(yè)，共36頁(yè)。第二章

紅外成像井下人員定位技術(shù)1、紅外成像特點(diǎn)及其圖像處理的算法2、井下便攜式紅外人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析第十五頁(yè)，共36頁(yè)。紅外成像特點(diǎn)及其圖像處理的算法圖7紅外圖像的成像過(guò)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(diǎn)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(guò)空氣傳輸后，被紅外探測(cè)系統(tǒng)所捕獲，緊接著輻射信號(hào)通過(guò)光學(xué)組件成像后進(jìn)入紅外探測(cè)器，隨即再進(jìn)行一些列的信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理。并通過(guò)探測(cè)器輸出出去。輸出出去的原始電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)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(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。

能夠影響紅外成像質(zhì)量的因素有：目標(biāo)的能量輻射強(qiáng)度、目標(biāo)輻射與紅外接收器的距離、大氣傳輸過(guò)程、系統(tǒng)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程、光學(xué)成像等，他們都能導(dǎo)致最終的紅外成像具有對(duì)比度低、信噪比低、響應(yīng)非均勻性差等缺點(diǎn)。因此對(duì)紅外圖像進(jìn)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(bǔ)償和圖像增強(qiáng)。第十六頁(yè)，共36頁(yè)。紅外成像特點(diǎn)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(biāo)的方法、以場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)為依據(jù)的校正方法。此種方式會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)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(chǎng)上應(yīng)用的條件綜上所述，為了改善兩點(diǎn)校正算法自身的缺陷（響應(yīng)時(shí)間漂移帶來(lái)的參數(shù)失效），本文還設(shè)計(jì)了一種新型的兩點(diǎn)校正補(bǔ)償?shù)乃惴?。圖8

兩點(diǎn)校正響應(yīng)映射圖第十七頁(yè)，共36頁(yè)。紅外成像特點(diǎn)及其圖像處理的算法

原始圖像

校正后的圖像

圖9

紅外原始圖像校正前后的對(duì)比2、盲元檢測(cè)和補(bǔ)償圖10

盲元補(bǔ)償前后效果圖第十八頁(yè)，共36頁(yè)。紅外成像特點(diǎn)及其圖像處理的算法3、紅外成像系統(tǒng)的圖像增強(qiáng)

原始圖現(xiàn)在沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理前，原始數(shù)值會(huì)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(guò)圖像增強(qiáng)處理后的紅外圖像才能適合人眼的分辨和對(duì)目標(biāo)物體的定位查詢。圖11

紅外圖像增強(qiáng)前后的對(duì)比圖井下紅外定位系統(tǒng)中采用的圖像增強(qiáng)方式是線性灰度拉伸方法。第十九頁(yè)，共36頁(yè)。紅外成像特點(diǎn)及其圖像處理的算法圖12改進(jìn)型灰度線性拉伸法

兩個(gè)圖像拉伸參數(shù)S、Offset為：第二十頁(yè)，共36頁(yè)。井下紅外人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析圖13系統(tǒng)框架圖第二十一頁(yè)，共36頁(yè)。

第三章

主動(dòng)電磁波井下人員定位技術(shù)

1、主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的基本原理2、連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二十二頁(yè)，共36頁(yè)。主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的基本原理

主動(dòng)式生命探測(cè)系統(tǒng)又稱雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)就是生命呼吸和運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器，系統(tǒng)主動(dòng)連續(xù)發(fā)射電磁信號(hào)，對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行“掃描”，同時(shí)系統(tǒng)不斷接收反射信號(hào)，并對(duì)這些反射信號(hào)中尋找是否存在生命信號(hào)的信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)此類信號(hào)后，再對(duì)其進(jìn)行濾波提取，經(jīng)過(guò)放大把此類波譜信息通過(guò)PC機(jī)或嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行分析與算法處理，最后在顯示屏上顯示檢測(cè)結(jié)果信息。雷達(dá)探測(cè)的基本原理是利用物體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。多普勒雷達(dá)超寬帶雷達(dá)連續(xù)波雷達(dá)圖14系統(tǒng)原理圖第二十三頁(yè)，共36頁(yè)。主動(dòng)式雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的基本原理連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)為：由目標(biāo)反射的回波信號(hào)為：當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)之間距離勻速隨時(shí)間變化時(shí)，則在t時(shí)刻兩者之間的距離為：由于電磁波的速度c比雷達(dá)和目標(biāo)間的相對(duì)速度很多，故時(shí)延表示為：回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，高頻相位差為：該式速度為常數(shù)時(shí)產(chǎn)生頻率差為：該式為多普勒頻率。第二十四頁(yè)，共36頁(yè)。連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體心跳呼吸影響胸腔起伏運(yùn)動(dòng)，人體的生命信號(hào)特征有：（1）生命信號(hào)具有非正弦性。（2）生命信號(hào)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(dá)時(shí)，所得到生命信號(hào)的頻率變化范圍不同。對(duì)于最佳探測(cè)頻率，人的生命信號(hào)頻率變化范圍為0.1-3Hz。（4）人體生命信號(hào)的探測(cè)就是低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。（5）生命信號(hào)的徑向運(yùn)動(dòng)方向是周期往復(fù)變化的，這樣使目標(biāo)與雷達(dá)造成的平均距離近似恒值。（6）多普勒頻率接近零，同時(shí)外界物體所產(chǎn)生的多普勒頻率與其接近。雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)對(duì)障礙物背后的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，特點(diǎn)為：1、固定物體（巖石、障礙物、墻壁）對(duì)雷達(dá)波的反射能力強(qiáng)，生命體呼吸心跳產(chǎn)生的微動(dòng)形成的反射回波經(jīng)過(guò)外界因素而變得很弱。2、探測(cè)器會(huì)在工作過(guò)程中接收到很多不必要的低頻振動(dòng)誤差干擾，如操作員的心跳、身體抖動(dòng)，外界移動(dòng)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、氣體成分等不同的惡劣條件均會(huì)不同程度影響探測(cè)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(jì)總體要求如下：1．增強(qiáng)干擾抑制模塊，減少直達(dá)波的干擾。2．增強(qiáng)信號(hào)處理模塊，增強(qiáng)生命信號(hào)的提取。3．增強(qiáng)電源控制模塊，增強(qiáng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性。第二十五頁(yè)，共36頁(yè)。連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出了雙天線抑制法與回波對(duì)消法相結(jié)合的系統(tǒng)模式。并通過(guò)改進(jìn)電源模塊和探測(cè)方式進(jìn)一步的提高本套系統(tǒng)的先進(jìn)性。圖15井下雷達(dá)人員定位系統(tǒng)框圖第二十六頁(yè)，共36頁(yè)。連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖16

收發(fā)模塊系統(tǒng)框圖第二十七頁(yè)，共36頁(yè)。連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂對(duì)消，就是利用一個(gè)大小相同，方向相反的波形與目標(biāo)波形進(jìn)行結(jié)合來(lái)抵消原本的波形的過(guò)程。本文在研究中，可以利用一個(gè)矢量來(lái)描述原連續(xù)波的波形，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)方向相反的矢量進(jìn)行對(duì)消，就能解決本文中的回波對(duì)消任務(wù)。圖17

回波對(duì)消設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖第二十八頁(yè)，共36頁(yè)。連續(xù)波雷達(dá)生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主天線采集到的信號(hào)中，包含了從目標(biāo)物體反射回來(lái)的回波，也存在外界環(huán)境導(dǎo)致的干擾波（期望信號(hào)）。而由于輔助天線無(wú)法穿透墻壁探測(cè)目標(biāo)信號(hào)，所以采集到的信號(hào)均是干擾信號(hào)（參考信號(hào)）。通過(guò)相關(guān)的信號(hào)處理算法，我們可以根據(jù)參考信號(hào)將期望信號(hào)中的干擾雜波抵消，從而起到消雜的功能。圖18

雙天線模塊結(jié)構(gòu)框圖第二十九頁(yè)，共36頁(yè)。第四章

三種井下人員定位系統(tǒng)地融合與應(yīng)用1、RFID井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析2、井下紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析3、井下雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析4、新型井下人員定位系統(tǒng)第三十頁(yè)，共36頁(yè)。RFID井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析1、RFID閱讀器與標(biāo)簽對(duì)特殊環(huán)境具有很強(qiáng)抵抗性。2、標(biāo)簽輕便靈巧，適合井下人員的隨身攜帶；3、RFID技術(shù)的識(shí)別率更高，更加精準(zhǔn)，距離更可控；4、RFID所具備的穿透性，可以做到無(wú)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(biāo)簽具有反向反射特點(diǎn)，在金屬、液體物體中難以工作；2、價(jià)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(duì)事故發(fā)生后有效的起到作用；4、國(guó)內(nèi)RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，不同RFID標(biāo)簽互不兼容；第三十一頁(yè)，共36頁(yè)。井下紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析1、被動(dòng)式的無(wú)線的檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)，適合開(kāi)展搜救搜索工作；2、紅外成像技術(shù)不受電磁干擾。探測(cè)距離遠(yuǎn)、目標(biāo)精確，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)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(biāo)；4、紅外成像技術(shù)探測(cè)距離遠(yuǎn)；1、當(dāng)被搜物體與周圍環(huán)境溫度不大或近似相近時(shí)，紅外圖像對(duì)比度低，分辨細(xì)節(jié)能力差；2、井下紅外探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法穿越墻壁、阻擋物、玻璃等物體，無(wú)法定位障礙物背后的生命目標(biāo)；3、紅外成像系統(tǒng)的成本高，不利于其廣泛的應(yīng)用。

第三十二頁(yè)，共36頁(yè)。井下雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析1、雷達(dá)生命探測(cè)儀可以穿透事故發(fā)生后的各種障礙物；2、便攜式攜帶，使搜救小組的營(yíng)救行動(dòng)開(kāi)展更加快速便