基于DSP鉴相技术的红外激光矿井提升机位置跟踪系统的研究

矿井提升机作为地面与井下物质与人员流通的运输工具，在操作安全性和提升控制精确性等 方面都有很高的要求。为了便于对提升机运行的准确操作，方便物质与人员上 下，防止 冲罐、坠罐等恶性事故的发生，精确测得提升机箕斗（罐笼）任一时刻在井中的位置与运行速度这两个数据指标具有十分重要的意义。 　　矿井提升机运行中的位置显示信号大都来自于间接位置信号，和实际的罐笼位置 差别有时很 大。先进的矿井提升机箕斗位置信号采用了计算机的定点校正技术，减少了提升机箕斗位置 的相对误差。但这种方法存在的问题是，校正点开关不管是机械式的位置开关，还是感应式 开关，不论是国产的开关元件，还是进口的同类开关，由于受移动箕斗运行中 摆动对开关的撞击（尤其是多绳摩擦轮提升机）很容易损坏，修复工作量很大，同时还由于 受校正点点数的限制，在两校正点开关区段内误差仍然较大。为消除提升机箕斗运行中的位 置误差，国内外均想通过直接测量箕斗的位置信号对提升机进行控制和位置显示，到目前为 止尚无成功的实例。山东兖州HT6SS基金项目：安徽省教育厅科技项目(2002kj273)HT 矿业集团公司难题招标中屡次提出解决主、副井提升机箕斗位置显示问题，因 此研制高精度的矿井提升机箕斗位置显示系统是迫在眉睫的重要课题。 　　基于DSP鉴相技术的红外激光矿井提升机位置跟踪系统的研究是利用工作在红外波段的激光 ，通过测量“调制光波”往返于被测距离上相位差的方法来测定距离。红外激光位置跟踪系 统在矿井提升机中的应用能实现实时测量矿井提升机与地面的距离及其运行速度，这种激光 测量无传递误差，无需辅助校正开关，能极其准确地显示提升机的实际位置，通过DSP鉴相 技术并可获得理想的位置控制信号，实现对提升机速度的数字化控制。　 　　 激光跟踪系统工作原理系统工作原理框图如图1所示，由于红外光频率为3×1011～4×1014Hz，要精 确测量这样高 频率的相位，目前是比较难的，为此以光频作为载波，再用一较低调制频率（15MHz）对光 波进行幅度调制，直接测量幅度调制光波在发送端和接受端的相位差。为进一步提高相位检 测的精度，根据外差接收原理，把与调制信号相差一低频的同一本机振荡信号（15MHz～6kH z）分别与发送和接收信号进行混频放大，取出两差频信号，再用数字信号处理（DSP）方法检测两差频信号的相位差，利用相位差确定被测两点间的距离。 　　2　 DSP鉴相技术的实现 　　根据系统的设计指标和技术要求，从光学和电学设计的总体考虑，主要研究如何提高测量精 度和动态响应速度。由于待测物体有10m/s的运动速度，并且在运动中有可达300～400mm的 摆 动量，系统设计的关键是高速精密数字信号处理（DSP）鉴相器和大面积后向反射器的设计 。 　　图1　红外激光位置跟踪系统原理框图HT（略） 　　图2　DSP鉴相电路的实现（略） 　　2.1 　 DSP鉴相器硬件的实现 　　基于通用高速单片机（如TMA320）技术的DSP鉴相器技术是信号处理系统中的重要应用，其 所能达到的鉴相精度和稳定性均高于模拟或模拟数字混合式相位鉴别系统，在本系统中DSP 鉴相的实现以高速A/D对两路混频信号的数字化为前提，采用DSP102型双通道18位模数转换 器ADC芯片。它能处理100kHz的模拟输入，其最低有效位代表0.0005%输入信号峰值。DSP102 是高性能采样模数转换器，它是专门为DSP处理器而设计的，其采样和转换率均可达到256kH z。串行输出的18位数据可与各种逻辑处理器接口相兼容，它能以200kHz的采样和转换速度 把运算放大器缓冲的信号数字化。而TMS320C30型DSP芯片，它能以C语言编写软件，并 采用快速傅里叶变换（FFT），在完成离散傅里叶变换（DFT）循环卷积运算后，形成一个新 的离散序列，进行差分运算就可得到序列的相位差，即要测量的两信号相位差，再把这一数 字化量送给单片机，通过简单的运算即可得到测量的距离值。 　　2.2　 DSP鉴相的基-2按频率抽取FFT算法 　　按频率抽取DIF是得到广泛应用的FFT算法。对于这种形式的FFT，输入序列x［n］分成两 个有N/2个样本的序列，分别由前、后N/2个的点组成，因此 x1［n］=x［n］　　　(n=0,1,2,…,N/2-1) x2［n］=x［n+N/2］  　　　　　　　　　(n=0,1,2,…,N/2-1) 现将x［n］的N点DFT写成如下形式： X(k)=∑DD(N/2-1　n=0DD)x［n］WnkN+∑DD(N-1 　n=N/2DD)x［n］WnkN =∑DD(N/2-1　n=0DD)(x1［n］+e-jπkx2［n］WnkN  　　 式中用了WNk/2=e-jπk这一关系，如分别考虑DFT的偶数样本和奇数样本 ，则有下列关系： X(2k)=∑DD(N/2-1n=0DD)(x1［n］+x2［n］)(W2 N)nk =∑DD(N/2-1n=0DD)(x1［n］+x2［n］WnkN/2 X(2k+1)=∑DD(N/2-1n=0DD)(x1［n］-x2［n］)Wn(2k+1)N =∑DD(N/2-1n=0DD)(x1［n］-x2［n］WnN)·W nkN/2 　　 式（3）和（4）表明，DFT的偶数样本和奇数样本可由x1［n］与x2［n］之和与 之 差乘以因子WnN的两个N/2序列的DFT得出。于是N点DFT就转换成N/2点DFT的问题 。 反复运用此方法，将每个N/2点DFT表示成两个N/4点的DFT组合，即将4点DFT表示成两 点DFT并最终能直接算出两点DFT的简化结果。 　　图3　将8点DFT按频率抽取简化成4点DFT（略） 　　3　结语 　　基于DSP鉴相技术的红外激光矿井提升机位置跟综系统研究的主要特色，是尝试将先进的 军事侦察红外 激光定位技术用于煤矿提升机位置显示，同时利用数字信号处理（DSP） 鉴相技术，采用高速A/D和DSP通用高速单片机技术使系统的测量精度和动态响应能力得到改 善。系统硬件电路简单、体积小，做到技术性能好，可靠性高，价格低。这种测量能极其准 确地显示提升机的实际位置，并可获得理想的位置控制信号，实现对提升机速度的数字化控 制。该研究对于在煤矿中的推广具有广阔的前景。 　　参考文献 1　 夏荣海.矿井提升机械设备　.徐州：中国矿业大学出版社, 1987 2　周孟然.PLC在提升机电控系统改造中的应用　.煤炭科学技术，1998（6）：　　5～7 3　兖州矿务局引进办公室译.瑞典ASEA公司提升机SCR-D调速系统资料 4　刘建国，魏庆农.使用DSP鉴相器的激光雷达测距系统　.应用激光，1997（　　　8）：173 ～175 5　 周孟然.提升机速度给定数字化控制的实现　.中国煤炭, 2001.3 信息来源于：中国煤炭