專利名稱：基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井巷道超前探測(cè)儀所需要的嵌入式軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，更具體地說，本發(fā)明涉及基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。按本發(fā)明體系結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的軟件系統(tǒng)可以直接嵌入式到基于32位處理器的礦井巷道和道路隧道地質(zhì)超前探測(cè)儀器中。
背景技術(shù)：
道路隧道和礦井巷道超前探測(cè)是工程地球物理工作者所面臨的一個(gè)難題，此問題是由于大量道路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，以及礦產(chǎn)資源開采特別是煤礦資源開采中的巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)問題而延伸出來。從原理上講，凡是能夠進(jìn)行隧道和巷道掌子面超前地質(zhì)勘探的所有地質(zhì)和地球物理方法都能用來進(jìn)行隧道和巷道超前探測(cè)。
目前，可以用于隧道和巷道施工階段的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有如下幾種地質(zhì)分析法(包括斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法、地質(zhì)體投影法和掌子面編錄預(yù)測(cè)法等)、超前鉆探法(包括超前水平巖芯鉆探法、工作面淺孔鉆探法和超前導(dǎo)坑法等)、地球物理勘探方法(包括地震負(fù)視速度法、地震橫排列法、隧道地震預(yù)報(bào)法、隧道地震層析成像法、真反射層析成像法、高頻地震反射波法、瑞利面波法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法、電法和電磁法等)和地質(zhì)物探綜合分析法。
目前，國內(nèi)外先進(jìn)的隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀器有瑞士安伯格測(cè)量公司制造的TSP203隧道超前地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)和北京水電物探技術(shù)研究所開發(fā)的TGP12隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀。
TSP203隧道超前地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)分體組合結(jié)構(gòu)。主機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用防撞擊型便攜式計(jì)算機(jī)(Panasonic Toughbook CF-29)，主機(jī)系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用Windows操作系統(tǒng)，配套的應(yīng)用軟件為TSPwin地震軟件系統(tǒng)。
TGP12隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀采用地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)一體化的全密封防水抗震結(jié)構(gòu)，主機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用IBM便攜式計(jì)算機(jī)(其配置為DOTH(750)1.8G/256MB/40G/WINXPPRO/ATI RADEN*300 64MB DDR2/指紋識(shí)別系統(tǒng))，主機(jī)系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用Windows操作系統(tǒng)，配套的應(yīng)用軟件為TGPwin隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)處理系統(tǒng)。
TSP203隧道超前地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)和TGP12隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀具有技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、預(yù)報(bào)距離長、精確度高、地質(zhì)解釋直觀和形象等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不少缺陷，如TSP203不僅價(jià)格高并且耗材貴。TGP12隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)儀針對(duì)TSP203價(jià)格高和耗材貴等缺點(diǎn)進(jìn)行了不少改進(jìn)。但是，由于TSP203和TGP12都采用便攜式計(jì)算機(jī)作為儀器的主機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常大，難以滿足煤礦本安型產(chǎn)品對(duì)功耗要求。
因此，如何充分利用目前隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀器和系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)及其低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，研究與開發(fā)可在煤礦井下使用的低功耗本安型先進(jìn)的礦井巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀，是保證煤礦巷道掘進(jìn)的施工地質(zhì)安全迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用便攜式計(jì)算機(jī)作為主機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)所導(dǎo)致儀器功耗大的問題。
本發(fā)明提供一種基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，采用此體系結(jié)構(gòu)的裝置不僅可以解決操作系統(tǒng)占用儀器的存儲(chǔ)空間大的問題，而且能夠較理想地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理軟件一體化集成及其維護(hù)和升級(jí)問題。
為了實(shí)現(xiàn)以上所述目的，本發(fā)明裝置的軟件體系結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)加載程序模塊層、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層、應(yīng)用組件模塊層、應(yīng)用程序模塊層及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層五個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的模塊第一層為引導(dǎo)加載程序模塊層，其由板級(jí)驅(qū)動(dòng)程序、引導(dǎo)加載程序和監(jiān)控程序組成的，采用遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目的通用引導(dǎo)加載程序U-Boot，通過配置和移植構(gòu)成適合于礦井巷道超前探測(cè)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)的引導(dǎo)加載程序，編譯后燒寫到硬件系統(tǒng)平臺(tái)上Flash存儲(chǔ)器的引導(dǎo)區(qū)中；第二層為嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層，由板級(jí)支持包、進(jìn)程調(diào)度系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的，采用開放源碼的嵌入式Linux操作系統(tǒng)MontaVistaLinux、BlueCat Linux、EDLK或RTLinux，根據(jù)礦井巷道超前探測(cè)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)修改其板級(jí)支持包中的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，配置和編譯成小型嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過以太網(wǎng)和儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上的引導(dǎo)加程序?qū)懙絻x器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上Flash存儲(chǔ)器的Linux內(nèi)核存儲(chǔ)區(qū)中；第三層為應(yīng)用組件模塊層，其是由系統(tǒng)應(yīng)用程序、C鏈接庫、圖形用戶界面平臺(tái)和三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫組成的，其中，SA存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；CLib存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；GUI和SLIB存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；第四層為應(yīng)用程序模塊層，其是由現(xiàn)場探測(cè)軟件、文件管理軟件、波形顯示軟件、編輯處理軟件、分析處理軟件、濾波處理軟件、解釋處理軟件、向?qū)Ы忉屲浖?、常用工具軟件和使用幫助軟件模塊組成的礦井巷道超前探測(cè)儀器專用的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；第五層為應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層，其是由圖形界面圖像庫、系統(tǒng)參數(shù)庫、地震記錄波形數(shù)據(jù)庫、默認(rèn)參數(shù)庫和說明書文本庫組成的，作為應(yīng)用程序定制的專用數(shù)據(jù)庫，在儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)Flash存儲(chǔ)器中專門開辟一個(gè)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)作為其存儲(chǔ)空間。
三維地震波數(shù)據(jù)處理算法庫采用具有可裁剪處理算法模塊組件的層次化體系結(jié)構(gòu)，所依據(jù)的技術(shù)原理如下在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)處理系統(tǒng)中，基本上都是基于地震波數(shù)據(jù)處理的基本順序設(shè)計(jì)其每一個(gè)處理工具模塊，而處理工具模塊通常都是由處理參數(shù)設(shè)置、處理算法和結(jié)果顯示三個(gè)模塊組成的。其中，處理算法模塊是核心，因此完全可以獨(dú)立出來組建成為專用處理算法庫。這樣，即使儀器界面因不同硬件平臺(tái)而改變，但是處理算法庫可以不動(dòng)。此外，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的地震數(shù)據(jù)處理與解釋流程通常都是按編輯處理、分析處理、濾波處理和解釋處理順序進(jìn)行的，完全可以將其所涉及到處理算法模塊劃分成編輯處理、分析處理、濾波處理和解釋處理四大處理算法模塊，并按地震波數(shù)據(jù)處理程序的順序分成不同的層次，以便與儀器應(yīng)用軟件系統(tǒng)相應(yīng)層次的處理工具模塊相對(duì)應(yīng)。由于每個(gè)處理算法模塊都可能集成有針對(duì)特定處理工具的多種處理算法子模塊，并且這些子模塊中的處理算法隨著地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)與方法發(fā)展而變化。為了使儀器的地震數(shù)據(jù)處理算法能夠及時(shí)吸收地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)與方法發(fā)展的最新先進(jìn)優(yōu)秀的成果，同時(shí)也為了儀器的應(yīng)用軟件系統(tǒng)的修改、維護(hù)和升級(jí)的需要，必須將其構(gòu)建成具有可裁剪處理算法模塊組件的層次化體系結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明采用具有開源、可裁剪和自由等特性嵌入式Linux操作系統(tǒng)替代Windows操作系統(tǒng)作為主機(jī)系統(tǒng)軟件平臺(tái)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其開源和可裁剪性，可以通過配置和移植構(gòu)成適合于主機(jī)系統(tǒng)嵌入式硬件平臺(tái)的小型操作系統(tǒng)，從而達(dá)到降低代碼容量及軟件平臺(tái)成本方面的開銷的目的；此外，為了進(jìn)一步降低此嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)功耗，其存儲(chǔ)系統(tǒng)通常采用固態(tài)盤(即Flash盤)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬盤。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是，采用模塊化層次化設(shè)計(jì)思想與方法，可以構(gòu)成一套完整的、模塊層次結(jié)構(gòu)清晰的、地震波探測(cè)與處理一體化的嵌入式隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)，并且模塊組件是可裁剪的，系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)和升級(jí)都非常方便。


圖1是本發(fā)明基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀器軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)其中，第一層(引導(dǎo)加載程序?qū)?是運(yùn)行在儀器硬件平臺(tái)上板級(jí)初始化加載引導(dǎo)程序系統(tǒng)；第二層(Linux內(nèi)核層)是由引導(dǎo)加載程序加載到儀器硬件平臺(tái)內(nèi)存中運(yùn)行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核；第三層(應(yīng)用組件層)是架設(shè)在嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上的儀器通用軟件平臺(tái)和算法庫；第四層(應(yīng)用程序?qū)?是利用應(yīng)用組件資源開發(fā)的在操作系統(tǒng)調(diào)度和管理之下的隧道和巷道地質(zhì)超前探測(cè)儀器專用軟件系統(tǒng)；第五層(應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層)是應(yīng)用程序所使用的各種類型數(shù)據(jù)庫。
圖2是本發(fā)明基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀器圖形用戶界面(GUI)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)其中，第一層(硬件設(shè)備層)是位于儀器硬件平臺(tái)上的人機(jī)接口設(shè)備硬件系統(tǒng)；第二層(設(shè)備驅(qū)動(dòng)層)是硬件設(shè)備層的各種人機(jī)接口設(shè)備軟件驅(qū)動(dòng)程序；第三層(圖形引擎層)是架設(shè)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)層之上的屏幕繪制核心函數(shù)集；第四層(圖形顯示器層)利用圖形引擎層的屏幕繪制核心函數(shù)集開發(fā)的儀器通用的圖形顯示器與文本編輯器；第五層(用戶接口層)是圖形引擎層和圖形顯示器層的應(yīng)用程序接口。
圖3是本發(fā)明基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀器三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫總體結(jié)構(gòu)其中，第一層(編輯處理層)為地震波形數(shù)據(jù)編輯與預(yù)處理算法模塊層；第二層(分析處理層)為地震波形數(shù)據(jù)分析處理算法模塊層；第三層(濾波處理層)為地震波形數(shù)據(jù)數(shù)字濾波處理算法模塊層；第四層(解釋處理層)為隧道和巷道地質(zhì)超前探測(cè)的地震波形數(shù)據(jù)解釋處理算法模塊層。
圖4為本發(fā)明基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀器應(yīng)用軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)其中，第一層(現(xiàn)場探測(cè)層)是儀器現(xiàn)場地震波形數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)；第二層(文件管理層)是地震記錄波形數(shù)據(jù)庫的地震記錄文件管理軟件系統(tǒng)；第三層(波形顯示層)是儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)顯示控制軟件系統(tǒng)；第四層(編輯處理層)是地震記錄波形數(shù)據(jù)編輯與預(yù)處理軟件系統(tǒng)；第五層(分析處理層)是地震記錄波形數(shù)據(jù)分析處理與結(jié)果顯示軟件系統(tǒng)；第六層(濾波處理層)是地震記錄波形數(shù)據(jù)濾波處理軟件系統(tǒng)；第七層(解釋處理層)是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的地震記錄波形數(shù)據(jù)解釋處理軟件系統(tǒng)；第八層(向?qū)Ы忉寣?是基于流程圖的隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)向?qū)Ы忉屘幚碥浖到y(tǒng)。此外，在圖4中還提供有兩種儀器使用與操作的輔助工具，即常用工具和使用幫助工具。
具體實(shí)施例方式在圖1中，本發(fā)明裝置的軟件體系結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)加載程序模塊層、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層、應(yīng)用組件模塊層、應(yīng)用程序模塊層及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層五個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的模塊第一層為引導(dǎo)加載程序?qū)樱涫怯砂寮?jí)驅(qū)動(dòng)程序(Board Driver)、引導(dǎo)加載程序(BootLoader)和監(jiān)控程序(Monitor)組成的，主要功能是完成儀器硬件平臺(tái)啟動(dòng)到嵌入式Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過渡。具體地講，初始化儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)(包括CPU、堆棧、存儲(chǔ)系統(tǒng)、監(jiān)控串口、以太網(wǎng)口、鍵盤和顯示器等)，建立內(nèi)存映射表，給嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核提供儀器主機(jī)硬件平臺(tái)資源信息，加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核到儀器主機(jī)硬件平臺(tái)的內(nèi)存中并引導(dǎo)嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行。嵌入式Linux操作系統(tǒng)常用的引導(dǎo)加載程序有armboot、redboot、blob和U-Boot等。其中，U-Boot是目前嵌入式Linux操作系統(tǒng)最為常用的通用引導(dǎo)加載程序(Universal Boot Loader)，其是遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目，可以支持各種不同體系結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)平臺(tái)，包括基于x86、ARM、PowerPC、MIPS和Xscale等體系結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)平臺(tái)(目前所支持硬件參考板高達(dá)上百種)，所支持的目標(biāo)嵌入式操作系統(tǒng)包括OpenBSD、NetBSD，、FreeBSD、4.4BSD、Linux、SVR4、Esix，、Solaris、Irix，、SCO、Dell、NCR、VxWorks、LynxOS、pSOS、QNX、RTEMS和ARTOS。由于U-Boot是一種通用免費(fèi)的引導(dǎo)加載程序，因此必須根據(jù)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上的嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)和類型、存儲(chǔ)器系統(tǒng)類型和容量，以及串口和以太網(wǎng)接口等硬件資源對(duì)U-Boot進(jìn)行移植，并且重新編譯后通過代碼燒寫裝置將其寫到儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上Flash存儲(chǔ)器的復(fù)位向量地址起始單元區(qū)中。固化有移植后的U-Boot代碼的儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)，一加電就可以自舉。
第二層為嵌入式Linux內(nèi)核層，由板級(jí)支持包(BSP)、進(jìn)程調(diào)度系統(tǒng)(PSS)、文件系統(tǒng)(FS)、存儲(chǔ)系統(tǒng)(MS)、設(shè)備系統(tǒng)(DS)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(NS)和應(yīng)用程序接口(API)組成的，其是儀器主機(jī)軟件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理整個(gè)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行與操作。目前，常用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)有RT-Linux、uClinux、MontaVista Linux、BlueCat Linux和EDLK等。這些嵌入式Linux操作系統(tǒng)都是開放源代碼的通用操作系統(tǒng)，因此需要根據(jù)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)資源對(duì)其板級(jí)支持包(BSP)中的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行必要修改，然后利用其集成開發(fā)環(huán)境所提供的開發(fā)工具進(jìn)行裁減、配置與編譯形成小型的、礦井巷道超前探測(cè)儀器專用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，最后通過以太網(wǎng)口以及固化在儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上的引導(dǎo)加載程序?qū)懙接布脚_(tái)Flash存儲(chǔ)器中的嵌入式Linux內(nèi)核存儲(chǔ)區(qū)中，這樣儀器加電后就可以由引導(dǎo)加載程序啟動(dòng)其運(yùn)行。
第三層為應(yīng)用組件層，其是由系統(tǒng)應(yīng)用程序(SA)、C鏈接庫(CLib)、圖形用戶界面(GUI)平臺(tái)和三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫(3DLIB)組成，其主要功能是為應(yīng)用程序提供通用程序模塊。其中，系統(tǒng)應(yīng)用程序(SA)包括mount、bash、ifconfig、init、roote等工具軟件，通常放置在根文件系統(tǒng)的/usr/bin目錄下；C鏈接庫(CLib)為應(yīng)用程序的運(yùn)行庫，通常都放在根文件的/usr/lib目錄下；用戶圖形界面(GUI)平臺(tái)和三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫(3DLIB)是儀器應(yīng)用軟件系統(tǒng)專用的通用應(yīng)用組件，其與應(yīng)用程序一起放置在根文件系統(tǒng)的/usr/src目錄下。
第四層為應(yīng)用程序?qū)樱涫怯蓛x器現(xiàn)場探測(cè)、文件管理、波形顯示、編輯處理、分析處理、濾波處理、解釋處理和向?qū)Ы忉屜到y(tǒng)的定制應(yīng)用程序(IIA)組成的，其集成有現(xiàn)場探測(cè)軟件、文件管理軟件、波形顯示軟件、編輯處理軟件、分析處理軟件、解釋處理軟件、向?qū)Ы忉屲浖⒊Ｓ霉ぞ哕浖褪褂脦椭浖?，主要功能是完成淺層地震勘探儀器的現(xiàn)場探測(cè)與地震記錄波形數(shù)據(jù)的處理。應(yīng)用程序?qū)优c應(yīng)用組件層中的GUI和3DLIB一起放置在根文件系統(tǒng)的/usr/src目錄下。
第五層為應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層，由圖形界面圖像庫、系統(tǒng)參數(shù)庫、地震記錄波形數(shù)據(jù)庫、默認(rèn)參數(shù)庫和說明書文本庫組成的，其是應(yīng)用程序定制的數(shù)據(jù)庫。通常，需要在儀器主機(jī)硬件平臺(tái)Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)中開辟一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)作為其存儲(chǔ)空間。
完成了第三層(應(yīng)用組件層)、第四層(應(yīng)用程序?qū)?和第五層(應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層)軟件系統(tǒng)構(gòu)建后，就可以將其組建成嵌入式Linux操作系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，然后通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境提供的工具生成一個(gè)壓縮的根文件系統(tǒng)映像。得到了操作系統(tǒng)內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像后，需要使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境所提供的工具制作一個(gè)可下載的內(nèi)核映像文件，并將其與根文件系統(tǒng)映像合并成一個(gè)文件，然后將其燒寫到儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)的Flash存儲(chǔ)器中。這樣，通過適當(dāng)?shù)嘏渲脠D1第一層中的引導(dǎo)加載程序，系統(tǒng)就可以啟動(dòng)了。啟動(dòng)后，引導(dǎo)加載程序首先將內(nèi)核和根文件系統(tǒng)鏡像復(fù)制到儀器主機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中繼續(xù)執(zhí)行。待嵌入式Linux內(nèi)核完全啟動(dòng)后，啟動(dòng)各種應(yīng)用程序。
圖1第三層中的圖形用戶界面(GUI)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，其是本發(fā)明為礦井巷道超前探測(cè)儀器專門創(chuàng)建的一種GUI系統(tǒng)架構(gòu)，與其他GUI平臺(tái)系統(tǒng)的最大差別在于增加了一個(gè)專用圖形顯示器層。
圖2所示GUI平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)從原理上仍然采用的是分層設(shè)計(jì)方法，以便針對(duì)儀器的嵌入式硬件平臺(tái)多變的外部設(shè)備。采用這種分層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)在于，每一層次都完成某一特定功能，并且能夠在不影響其它層次的基礎(chǔ)上針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行改編或重寫。圖2的每一層組成結(jié)構(gòu)及功能如下第一層是硬件設(shè)備層，是由位于儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上的硬件設(shè)備組成的。具體地講，是由鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏和彩色LCD顯示屏及其接口電路組成的。硬件設(shè)備層隨儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)變化而變化。
第二層是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，是由鍵盤驅(qū)動(dòng)程序、鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序、觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序和顯示驅(qū)動(dòng)程序組成的。此層是直接與儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)中的物理設(shè)備打交道的層，因此是GUI平臺(tái)軟件系統(tǒng)的最底層，其隨著儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)的變化而變化，一旦硬件系統(tǒng)平臺(tái)改變就必須修改相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。顯示驅(qū)動(dòng)程序是整個(gè)儀器GUI平臺(tái)中最為復(fù)雜的部分，但是其復(fù)雜性卻帶來了移植方便性。顯示驅(qū)動(dòng)程序中有幾個(gè)接口和硬件直接打交道，其它程序都是提供核心的繪圖操作，例如讀取像素、繪制像素、繪制水平線和繪制直線等。這些繪圖操作對(duì)系統(tǒng)映射的內(nèi)存直接操作，從映射的內(nèi)存中讀取像素點(diǎn)的信息。顯示驅(qū)動(dòng)程序可以采用支持Linux 24.xx內(nèi)核的FrameBuffer(幀緩存)顯示系統(tǒng)，F(xiàn)rameBuffer技術(shù)是使底層的圖形繪制函數(shù)通過直接使用顯示設(shè)備顯存在屏幕上繪制圖形的一項(xiàng)技術(shù)。Linux操作系統(tǒng)下的FrameBuffer系統(tǒng)使用設(shè)備文件——/dev/fdo作為輸出，并且利用mmap()函數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用將顯示緩存映射到系統(tǒng)內(nèi)存空間中。儀器GUI平臺(tái)下的FrameBuffer驅(qū)動(dòng)程序通?？梢灾С?、2、4、8位灰度和8、15、16、32位彩色顯示。若在顯示中使用了調(diào)色版技術(shù)，則必須在顯示驅(qū)動(dòng)程序中增加一個(gè)特殊的例程，當(dāng)然也可以使用靜態(tài)的調(diào)色板映射技術(shù)。屏幕驅(qū)動(dòng)程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)告訴GUI平臺(tái)屏幕的大小、支持的色彩模式等。
第三層是圖形引擎層，是由鍵盤信息處理函數(shù)、鼠標(biāo)信息處理函數(shù)、觸摸屏信息處理函數(shù)、基本圖形繪制函數(shù)、剪裁操作函數(shù)、布爾操作函數(shù)、調(diào)色板映射處理函數(shù)、灰度映射處理函數(shù)、各種格式圖形顯示操作函數(shù)、各種格式文本顯示操作函數(shù)、不同字體字符顯示操作函數(shù)和不同字體漢字顯示操作函數(shù)組成的屏幕繪制核心函數(shù)。此層是一種與設(shè)備無關(guān)的基本圖形層，其提供包括畫點(diǎn)、畫直線、畫圓弧、畫多邊形、區(qū)域填充等基本的圖形函數(shù)。所有的鍵盤、觸摸屏和鼠標(biāo)動(dòng)作、文字顯示、位圖顯示都在圖形引擎層上實(shí)現(xiàn)。
第四層是圖形顯示器層，是由雙相波形顯示器、單相波形顯示器、平均振幅譜顯示器、頻率-波數(shù)譜顯示器、τ-p譜顯示器、偏移速度譜顯示器、深度偏移成像圖形顯示器、反射剖面圖形顯示器、二維地質(zhì)剖面圖像顯示器、三維地質(zhì)剖面圖像顯示器、向?qū)Ы忉屃鞒虉D顯示器、菜單顯示器、地震記錄文件瀏覽器、文本瀏覽器、圖文瀏覽器、簡單文本編輯器和高級(jí)文本編輯器組成的礦井巷道超前探測(cè)儀器專用的圖文顯示與編輯系統(tǒng)。此層是專門根據(jù)礦井巷道超前探測(cè)儀器數(shù)據(jù)采集、波形顯示、文件管理、編輯處理、分析處理、濾波處理、解釋處理、向?qū)Ы忉尯蛥?shù)設(shè)置的需要設(shè)計(jì)的，其主要功能是為儀器圖形用戶界面開發(fā)提供通用的圖形顯示器和圖文編輯器。其中，雙相波形顯示器是為地震記錄波形數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)的；單相波形顯示器是為一維頻譜顯示設(shè)計(jì)的；平均振幅譜顯示器是為三維地震記錄波形數(shù)據(jù)的三分量平均振幅譜顯示設(shè)計(jì)的；頻率-波數(shù)譜顯示器是為F-K譜顯示設(shè)計(jì)的；τ-p譜顯示器是為τ-p譜顯示設(shè)計(jì)的；偏移速度譜顯示器是為偏移速度譜顯示設(shè)計(jì)的；深度偏移成像圖形顯示器是為深度偏移圖像顯示設(shè)計(jì)的；二維地質(zhì)剖面圖像顯示器是為隧道和巷道二維地震地質(zhì)剖面顯示設(shè)計(jì)的；三維地質(zhì)剖面圖像顯示器是為隧道和巷道三維地震地質(zhì)剖面顯示而設(shè)計(jì)的；向?qū)Ы忉屃鞒虉D顯示器是為隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)向?qū)Ы忉屜到y(tǒng)的向?qū)Ы忉屃鞒田@示設(shè)計(jì)的；文件瀏覽器是為儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)庫中的地震記錄文件目錄顯示設(shè)計(jì)的；菜單顯示器是為儀器界面菜單顯示與操作設(shè)計(jì)的；文本瀏覽器是為儀器圖形用戶界面純文字文本顯示設(shè)計(jì)的；圖文瀏覽器是為儀器使用說明書、快速入門指南和技術(shù)應(yīng)用指南等圖文并茂的文本顯示而設(shè)計(jì)的；簡單文本編輯器是為儀器探測(cè)參數(shù)、分析參數(shù)、濾波參數(shù)、解釋參數(shù)、顯參、頭參、和道參等設(shè)置設(shè)計(jì)的；高級(jí)文本編輯器是為文本編輯而設(shè)計(jì)的一套文字處理系統(tǒng)。因此，圖形層中的圖文顯示與編輯器都是針對(duì)礦井巷道超前探測(cè)儀器圖形用戶界面實(shí)際需要設(shè)計(jì)的。
第五層是用戶接口層(是GUI平臺(tái)的最頂層)，是第三層(圖形引擎層)和第四層(圖形顯示器層)的各種圖形應(yīng)用程序的應(yīng)用編程接口(API)函數(shù)組成的。儀器應(yīng)用程序系統(tǒng)中的應(yīng)用程序通過這些接口函數(shù)調(diào)用GUI平臺(tái)內(nèi)的資源。
圖1第三層中的三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫(SLIB)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，其是本發(fā)明為礦井巷道超前探測(cè)儀器專門創(chuàng)建的一種地震記錄波形數(shù)據(jù)處理算法系統(tǒng)架構(gòu)。
圖3所示三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫(SLIB)從原理上仍然采用的是分層設(shè)計(jì)方法，以便針對(duì)儀器的地震記錄數(shù)據(jù)處理程序中的每個(gè)操作流程。采用這種分層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)在于，每一層次算法模塊都完成某一特定處理功能，并且能夠在不影響其它層次的基礎(chǔ)上針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行改編或重寫。圖3的每一層組成結(jié)構(gòu)及功能如下第一層為編輯處理算法模塊層，是由波形編輯算法模塊、波形預(yù)處理算法模塊和抽道與疊加合成算法模塊組成的。其中，波形編輯算法模塊內(nèi)嵌有道充零、道復(fù)制、道移動(dòng)、道疊加及其取消、道重排、道反相、道逆序、道切除和道刪除算法子模塊，其主要功能是為儀器的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)編輯處理工具提供編輯處理算法；波形預(yù)處理算法模塊內(nèi)嵌有零飄校正、切除背景噪聲、道內(nèi)振幅平衡、道間振幅平衡、自動(dòng)與手動(dòng)倍數(shù)浮點(diǎn)放大、自動(dòng)和手動(dòng)對(duì)數(shù)浮點(diǎn)放大、線性與拋物線插值二次采樣、波組增強(qiáng)、微分和積分算法子模塊，其主要功能是為儀器的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)編輯處理工具提供預(yù)處理算法；抽道與疊加合成算法模塊內(nèi)嵌有手工和自動(dòng)抽道合成算法、手動(dòng)和自動(dòng)疊加合成算法子模塊，其主要功能是為儀器的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)編輯處理工具提供抽道合成和疊加合成算法。
第二層為分析處理算法模塊層，是由一維譜分析算法模塊、平均振幅譜分析算法模塊、二維譜分析算法模塊、τ-p變換分析算法模塊和偏移速度分析算法模塊組成的，其主要功能是為儀器的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)分析處理工具提供各種譜分析算法，并且為后續(xù)的濾波處理算法提供基礎(chǔ)。其中，一維譜分析算法模塊內(nèi)嵌有FFT分析正與逆變換算法模塊；平均振幅譜算法模塊內(nèi)嵌的是一維、二維和三維地震數(shù)據(jù)均振幅譜分析算法；二維譜分析算法模塊內(nèi)嵌有F-K譜分析正與逆變換算法模塊；τ-p變換分析算法模塊內(nèi)嵌有τ-p譜分析正與逆變換算法模塊；偏移速度分析算法模塊內(nèi)嵌有基于網(wǎng)格的偏移速度譜分析算法模塊。
第三層為濾波處理算法模塊，是由一維時(shí)域?yàn)V波算法模塊、一維頻域?yàn)V波算法模塊、無限沖激響應(yīng)濾波算法模塊、二維濾波算法模塊、τ-p變換濾波算法模塊、分段時(shí)變?yōu)V波算法模塊、相關(guān)濾波算法模塊、Q值計(jì)算模塊和反Q濾波算法模塊組成的，其主要功能是為儀器的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)濾波處理工具提供各種數(shù)字濾波算法。其中，一維時(shí)域?yàn)V波算法模塊內(nèi)嵌有理想、線性鑲邊、余弦鑲邊和三角波鑲邊四種褶積濾波算法子模塊；一維頻域?yàn)V波算法模塊內(nèi)嵌有理想、線性鑲邊、余弦鑲邊和三角波鑲邊四種頻域?yàn)V波算法子模塊；無限沖激響應(yīng)濾波算法模塊內(nèi)嵌的是一種零相位IIR濾波算法；二維濾波算法模塊內(nèi)嵌的是頻率-波數(shù)(F-K)域?yàn)V波算法；τ-p變換濾波算法模塊內(nèi)嵌的是τ-p域傾角濾波算法；分段時(shí)變?yōu)V波算法模塊內(nèi)嵌的是頻率濾波算法(包括一維時(shí)域?yàn)V波算法、一維頻域?yàn)V波算法和無限沖激響應(yīng)濾波算法)；相關(guān)濾波算法模塊內(nèi)嵌的是一種零相位地震子波互相關(guān)算法；Q值計(jì)算模塊內(nèi)嵌的是基于頻域的分時(shí)段Q值計(jì)算算法；反Q濾波算法模塊內(nèi)嵌的是基于分時(shí)段Q值的反Q濾波算法。此外，一維時(shí)域?yàn)V波算法模塊、一維頻域?yàn)V波算法模塊、無限沖激響應(yīng)濾波算法模塊和二維濾波算法模塊都集成有低通、高通、帶通和帶組四種濾波方式算法。
第四層為解釋處理算法模塊層，是由三維地震波形數(shù)據(jù)解釋處理流程中所需要的全部算法模塊組成的，其內(nèi)集成有三維地震波形數(shù)據(jù)解釋處理流程中所需要的數(shù)據(jù)奇異切除、解釋窗口選取、零漂校正、背景噪聲濾除、帶通濾波、初至拾取、初至校成直線、直達(dá)波速計(jì)算、能量均衡、Q值計(jì)算、反射波提取(包括二維濾波、τ-p變換濾波和反Q濾波)、縱橫波分離、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、隧道巷道二維地質(zhì)剖面計(jì)算和隧道巷道三維地質(zhì)剖面計(jì)算十六個(gè)模塊組成的。此層是專門針對(duì)三維地震數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的，因此其內(nèi)嵌有與底層(圖3中的第一層和第二層相同)相同名稱的算法是在它們的基礎(chǔ)上專門針對(duì)三維地震數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)的。
圖1的第四層應(yīng)用程序?qū)拥捏w系結(jié)構(gòu)如圖4所示，其是本發(fā)明為礦井巷道超前探測(cè)儀器專門創(chuàng)建的一種三維地震波數(shù)據(jù)采集與處理解釋應(yīng)用軟件系統(tǒng)架構(gòu)，其主要特征是應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思想構(gòu)建可裁剪組件的層次化體系結(jié)構(gòu)。
圖4所示的儀器應(yīng)用軟件系統(tǒng)架構(gòu)是一種集成有現(xiàn)場探測(cè)、文件管理、波形顯示、編輯處理、分析處理、濾波處理、解釋處理和向?qū)Ы忉尩乃淼篮拖锏赖卣饠?shù)據(jù)采集與處理解釋軟件系統(tǒng)架構(gòu)，其在原理上仍然采用分層設(shè)計(jì)方法，以便為儀器應(yīng)用軟件系統(tǒng)版本升級(jí)和維護(hù)時(shí)增減模塊提供一個(gè)理想的體系結(jié)構(gòu)架構(gòu)。采用這種分層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)在于，每一層次都是針對(duì)隧道和巷道地震波形的探測(cè)、管理、顯示、編輯、分析、處理與解釋的每一步驟，并且完成某一特定功能。每個(gè)層次能夠在不影響其它層次的基礎(chǔ)上針對(duì)不同的或新的隧道和巷道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與方法的應(yīng)用進(jìn)行改編或重寫。圖4的每一層結(jié)構(gòu)、功能和實(shí)現(xiàn)方法如下第一層為現(xiàn)場探測(cè)模塊層，由巷道超前探測(cè)、保存默認(rèn)探參、讀取默認(rèn)探參、讀取廠商默認(rèn)探參、保存探測(cè)記錄和退出探測(cè)狀態(tài)六個(gè)輔助工具模塊組成的。其中，巷道超前探測(cè)模塊內(nèi)嵌有施工方法提示模塊、現(xiàn)場背景噪聲顯示模塊、探測(cè)參數(shù)設(shè)置模塊、共激發(fā)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、測(cè)點(diǎn)地震記錄保存模塊、測(cè)線地震記錄顯示和保存模塊；后五個(gè)模塊是現(xiàn)場探測(cè)使用的輔助工具模塊。因此，此層的主要功能是完成地震波數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)，所提供的現(xiàn)場探測(cè)工具是礦井巷道超前探測(cè)儀器必備的地震數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工具，也是礦井巷道超前探測(cè)儀器的地震數(shù)據(jù)采集與處理工作必須進(jìn)行的第一步操作所使用的工具。此層所提供的現(xiàn)場探測(cè)工具模塊界面開發(fā)都是基于GUI平臺(tái)(見圖2)，由于采用了可裁剪組件的模塊化結(jié)構(gòu)，因此可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)添加或刪除現(xiàn)場探測(cè)工具模塊。在現(xiàn)場探測(cè)工具模塊編程的具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)該規(guī)范每一種施工方法和探測(cè)方法流程，并將每一種施工方法所使用的探測(cè)參數(shù)規(guī)范到同一探測(cè)參數(shù)設(shè)置標(biāo)簽中，這樣可以使現(xiàn)場探測(cè)工具模塊編程方法獲得統(tǒng)一，從而為現(xiàn)場探測(cè)工具模塊的添加、改編或重寫提供方便。
第二層為文件管理模塊層，由文件操作與轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊、文件瀏覽器和文件參數(shù)編輯器組成的。文件操作與轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊是由文件夾管理、常規(guī)文件管理、文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)操作和操作撤銷四個(gè)模塊組成的。其中，文件夾管理模塊內(nèi)嵌有地震記錄文件夾的創(chuàng)建、刪除、復(fù)制、移動(dòng)和改名子模塊，其主要功能是對(duì)儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)庫中的地震記錄文件夾進(jìn)行管理；常規(guī)文件管理模塊內(nèi)嵌有地震記錄文件的打開、關(guān)閉、保存、另存、復(fù)制、刪除、恢復(fù)、清除、改名、移動(dòng)和拼接子模塊，其主要功能是對(duì)儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)庫中的地震記錄文件進(jìn)行管理；文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)操作模塊內(nèi)嵌有U盤掛載和卸載模塊，其主要功能是掛載插接在儀器上的通用U盤，并且將U盤的存儲(chǔ)空間當(dāng)作儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)庫一部分，這樣就可以利用文件夾管理模塊和文件管理模塊中的復(fù)制和移動(dòng)工具模塊實(shí)現(xiàn)地震記錄文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)；操作撤銷模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)前操作的回退和前進(jìn)，以便回到上一步或下一步的操作結(jié)果。文件瀏覽器內(nèi)嵌的是地震記錄波形數(shù)據(jù)庫地震記錄文件目錄的圖形化樹狀層次結(jié)構(gòu)文件瀏覽器，可以訊速瀏覽和打開保存在地震記錄波形數(shù)據(jù)庫中的地震記錄文件。文件參數(shù)編輯器內(nèi)嵌有地震記錄文件的顯示參數(shù)編輯器、文件頭參和道參編輯器三個(gè)子工具模塊，可以快速地修改當(dāng)前地震記錄文件的顯參、頭參和道參。因此，此層次所提供的文件管理工具主要功能是對(duì)存儲(chǔ)在儀器地震記錄波形數(shù)據(jù)庫或U盤中的地震記錄文件進(jìn)行管理。此層次所提供的文件管理工具是礦井巷道超前探測(cè)儀器必備的，也是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)的采集與處理工作必須進(jìn)行的第二步操作所使用的工具。存儲(chǔ)在地震記錄波形數(shù)據(jù)庫中的地震記錄文件可以是來自現(xiàn)場探測(cè)工具模塊的原始記錄，也可以是原始記錄經(jīng)過預(yù)處理和數(shù)字濾波處理后新地震記錄。由于所提供的大部分工具模塊都是針對(duì)地震記錄波形數(shù)據(jù)庫，因此在實(shí)際開發(fā)時(shí)應(yīng)該先建立儀器的地震記錄波形數(shù)據(jù)庫。此層次的所有文件管理工具模塊的界面開發(fā)都基于GUI平臺(tái)(見圖2)。
第三層為波形顯示模塊層，由波形顯示參數(shù)設(shè)置工具、波形顯示控制工具、波形顯示瀏覽工具和默認(rèn)工具模塊組成的。其中，波形顯示參數(shù)設(shè)置工具模塊內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形顯示參數(shù)設(shè)置工具，此參數(shù)設(shè)置工具可以設(shè)置與當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)顯示相關(guān)的參數(shù)，包括屏幕顯示、刻度顯示、標(biāo)度顯示、重疊顯示、波形顯示、光標(biāo)顯示、道選顯示、段選顯示、點(diǎn)選顯示和單位顯示十種參數(shù)，其主要功能是通過參數(shù)設(shè)置的方式來控制顯示在波形窗中的當(dāng)前地震記錄波形顯示方式與顯示顏色；波形顯示控制工具模塊內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形顯示的樣點(diǎn)顯示控制、道數(shù)顯示控制、全屏顯示控制和全屏正常顯示四個(gè)模塊，其主要功能是控制波形窗中的地震記錄波形顯示的道數(shù)和樣點(diǎn)數(shù)；波形顯示瀏覽工具內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形顯示的光標(biāo)移動(dòng)、翻屏、道選、段選和點(diǎn)選操作與顯示模塊，其主要功能是瀏覽顯示在波形窗中地震記錄波形并且選擇波形數(shù)據(jù)道、段和點(diǎn)，以便為后續(xù)的地震記錄波形數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)；默認(rèn)工具模塊內(nèi)嵌有讀取廠商默認(rèn)顯參、保存用戶默認(rèn)顯參和讀取用戶默認(rèn)顯參模塊，其主要功能是通過保存在儀器默認(rèn)參數(shù)庫中顯示參數(shù)快速控制波形窗中的地震記錄波形顯示方式和顯示顏色。因此，此層次所提供的波形顯示工具主要功能是控制與瀏覽顯示在波形窗中的地震記錄波形數(shù)據(jù)。此層所提供的波形顯示工具是礦井巷道超前探測(cè)儀器必備的，是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)的采集與處理工作必須進(jìn)行的第三步操作所使用的工具。波形顯示模塊的界面開發(fā)是完全基于GUI平臺(tái)(見圖2)。具體地講，是基于GUI平臺(tái)中的雙相波形顯示器、簡單文本編輯器和菜單顯示器(見圖2中的第四層圖形顯示器層)。
第四層為編輯處理模塊層，是由選擇取消模塊、波形編輯模塊、波形預(yù)處理模塊和抽道與疊加合成模塊組成的。其中，選擇取消模塊內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形的道選擇取消、道全部選擇和取消選擇工具模塊，其主要功能是為顯示在波形窗中地震記錄波形提供快速道選工具；波形編輯模塊內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形的道充零、道復(fù)制、道移動(dòng)、道疊加及其取消、道重排、道反相、道逆序、道切除和道刪除工具模塊；其主要功能是為顯示在波形窗中地震記錄波形數(shù)據(jù)不正常的道、道序和數(shù)據(jù)段提供編輯工具；波形預(yù)處理模塊內(nèi)嵌有零飄校正、切除背景噪聲、道內(nèi)振幅平衡、道間振幅平衡、浮點(diǎn)放大、二次采樣、波組增強(qiáng)、微分與積分工具模塊，其主要功能是為顯示在波形窗中的地震記錄波形數(shù)據(jù)提供預(yù)處理工具；抽道與疊加合成模塊內(nèi)嵌有當(dāng)前地震記錄波形的手動(dòng)和自動(dòng)抽道合成工具模塊以及手動(dòng)和自動(dòng)疊加合成工具模塊，其主要功能是為顯示在波形窗中的地震記錄波形數(shù)據(jù)提供抽道合成和疊加合成為一個(gè)或數(shù)個(gè)新的地震記錄文件的合成工具。因此，此層次所提供的編輯處理工具主要功能是對(duì)所顯示的當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和預(yù)處理。此層所提供的編輯處理工具是隧道和巷道地質(zhì)的探測(cè)與處理工作必須進(jìn)行的第四步操作所使用的工具。此層次的所有工具模塊及其界面開發(fā)都是基于GUI平臺(tái)(見圖2)和波形數(shù)據(jù)處理算法庫(見圖3)。
第五層為分析處理模塊層，是由一維譜分析模塊、平均振幅譜分析模塊、二維譜分析模塊、τ-p變換分析模塊和偏移速度分析模塊組成的。每個(gè)譜分析模塊都是由分析參數(shù)設(shè)置工具模塊、分析處理算法模塊和相應(yīng)的譜顯示器模塊組成的。其中，一維譜分析模塊的主要功能是為后續(xù)一維頻率濾波處理模塊(包括一維時(shí)域?yàn)V波、一維頻域?yàn)V波和無限沖激響應(yīng)濾波處理工具模塊)提供最佳的濾波參數(shù)；平均振幅譜分析模塊的主要功能是也是為后續(xù)一維頻率濾波處理模塊提供最佳的濾波參數(shù)，只不過所顯示頻譜是多道疊加的平均振幅譜；二維譜分析模塊的主要功能是為后續(xù)二維濾波處理工具模塊提供最佳的濾波參數(shù)；τ-p變換分析模塊的主要功能是為后續(xù)的τ-p變換濾波處理工具模塊提供最佳的濾波參數(shù)；偏移速度分析模塊的主要功能是為后續(xù)深度偏移成像工具提供最佳的偏移速度。因此，此層次所提供的分析處理工具主要功能是為后續(xù)的濾波處理和解釋處理提供最佳的濾波參數(shù)和速度參數(shù)。顯然，此層所提供的分析處理模塊是進(jìn)行隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)濾波處理和解釋處理前必須使用的工具，也是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)的采集與處理工作必須進(jìn)行的第五步操作所使用的工具。此層次的分析處理算法開發(fā)是完全基于波形數(shù)據(jù)處理算法庫第二層所提供的分析算法模塊(見圖3)，分析參數(shù)設(shè)置工具模塊和分析處理結(jié)果顯示模塊開發(fā)是基于GUI平臺(tái)第四層中的圖形顯示器(見圖2)。
第六層為濾波處理模塊層，是由一維時(shí)域?yàn)V波、一維頻域?yàn)V波、無限沖激響應(yīng)濾波、二維濾波、τ-p變換濾波、分段時(shí)變?yōu)V波和相關(guān)濾波、Q值計(jì)算和反Q濾波處理工具模塊組成的，前四類濾波處理工具模塊都集成有低通、帶通、高通和帶阻四種濾波方式。每個(gè)濾波處理工具模塊都內(nèi)嵌有濾波參數(shù)設(shè)置模塊、濾波算法模塊和濾波結(jié)果顯示模塊。其中，一維時(shí)域?yàn)V波工具模塊內(nèi)嵌有理性、線性鑲邊、余弦鑲邊和三角波鑲邊四種褶積濾波工具模塊；一維頻域?yàn)V波工具模塊內(nèi)嵌有理性、線性鑲邊、余弦鑲邊和三角波鑲邊四種頻域?yàn)V波工具模塊；分時(shí)段濾波工具模塊內(nèi)集成有一維時(shí)域?yàn)V波、一維頻域?yàn)V波和無限沖激響應(yīng)分段濾波算法模塊。此層次所提供的一維時(shí)域?yàn)V波、一維頻域?yàn)V波和無限沖激響應(yīng)濾波模塊都屬于頻率濾波工具模塊，其主要功能是壓制地震信號(hào)中在頻譜上可以分離干擾波并突出有效地震波；二維濾波工具模塊的主要功能是壓制地震信號(hào)中在頻率-波數(shù)譜上可以分離干擾波并突出有效地震波；τ-p變換濾波工具模塊的主要功能是壓制地震信號(hào)中在τ-p譜上可以分離的干擾波突出有效地震波；分段時(shí)變?yōu)V波工具模塊的主要功能是對(duì)地震記錄各道波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)間段濾波處理，以便分段壓制干擾波突出有效波；相關(guān)濾波處理工具模塊的主要功能是濾除地震記錄波形數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾波；Q值計(jì)算工具模塊的主要功能是為反Q濾波處理工具提供分時(shí)段的Q值表；反Q濾波處理工具的主要功能是提高位于續(xù)至區(qū)的反射波幅度。因此，此層次所提供的濾波處理工具模塊的主要功能是提取當(dāng)前地震記錄波形數(shù)據(jù)中的有效波壓制影響后續(xù)解釋處理結(jié)果的干擾波。此層所提供的濾波處理軟件模塊是地震數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵工具，也是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)的采集與處理工作必須進(jìn)行的第六步操作所使用的工具。此層次的濾波處理算法開發(fā)是完全基于波形數(shù)據(jù)處理算法庫第三層所提供的濾波算法模塊(見圖3)，濾波參數(shù)設(shè)置工具模塊和濾波處理結(jié)果顯示模塊是開發(fā)基于GUI平臺(tái)第四層中的圖形顯示器(見圖2)。
第七層為解釋處理模塊層，是由數(shù)據(jù)奇異切除、解釋窗口選取、零漂校正、背景噪聲濾除、帶通濾波、初至拾取、初至校正成線、直達(dá)波速計(jì)算、能量均衡、Q值計(jì)算、反射波提取(包括二維濾波、τ-p變換濾波和反Q濾波)、縱橫波分離、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、二維地質(zhì)剖面和三維地質(zhì)剖面十七個(gè)工具組成的。每個(gè)工具都是為巷道和隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)三維地震數(shù)據(jù)解釋處理流程中每一個(gè)環(huán)節(jié)所需要的處理與顯示手段設(shè)計(jì)的，這些工具集成在一起形成了完整的巷道和隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)三維地震數(shù)據(jù)解釋處理系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)奇異切除工具主要功能是切除位于三維地震數(shù)據(jù)記錄道上的明顯奇異數(shù)據(jù)(如管道波數(shù)據(jù)等)；解釋窗口選取工具主要功能是選取進(jìn)行解釋處理的地震記錄有效數(shù)據(jù)段以便節(jié)約后續(xù)處理的運(yùn)算時(shí)間；零漂校正工具主要功能是校正地震波形數(shù)據(jù)的直流偏移；背景噪聲濾除工具主要功能是壓制地震記錄上隨機(jī)噪聲信號(hào)；帶通濾波工具主要功能是限制地震記錄信號(hào)的頻率將有用信號(hào)從干擾信號(hào)中分離出來，此處的帶通濾波內(nèi)嵌的是一種三維地震數(shù)據(jù)帶通濾波算法；初至拾取工具主要功能是確定每道縱波初至?xí)r間；初至校正成線工具主要功能是將所拾取的初至點(diǎn)校正成一條直線；直達(dá)波速計(jì)算工具主要功能是計(jì)算直達(dá)縱波和橫波的速度，以便為圍巖石參數(shù)計(jì)算和后續(xù)的偏移速度分析提供基礎(chǔ)；能量均衡工具主要功能是補(bǔ)償各道由于每炮放炮的能量不同而造成的地震波能量的差異；Q值計(jì)算工具主要功能是獲得被測(cè)地質(zhì)體分時(shí)段品質(zhì)因子參數(shù)表，以便為反Q濾波處理工具提供基礎(chǔ)；反射波提取工具主要功能是提取地震記錄信號(hào)中有效的反射波，其內(nèi)嵌有三維地震數(shù)據(jù)的二維濾波、τ-p變換濾波和反Q濾波工具，其中二維濾波和τ-p變換濾波工具主要功能是濾除地震記錄波形中的干擾波(包括面波、直達(dá)波和折射波等)提取有效的反射波，反Q濾波工具主要功能是補(bǔ)償被測(cè)地質(zhì)體濾波作用所造成的反射波振幅和頻率的衰減；縱橫波分離工具主要功能是將三維地震數(shù)據(jù)中的縱波和橫波的轉(zhuǎn)換波分離，以便保證后續(xù)的成像效果和超前預(yù)報(bào)精度；偏移速度分析工具主要功能是獲得縱波和橫波的偏移速度譜，以便確定最佳的偏移速度參數(shù)，從而為深度偏移提供基礎(chǔ)；深度偏移成像工具主要功能是基于偏移縱橫波速畫出深度偏移成像剖面；反射界面提取工具主要功能是利用圖像處理分隔算法從深度偏移成像結(jié)果中提取較強(qiáng)的縱波和橫波反射界面；二維地質(zhì)剖面工具主要功能是根據(jù)反射界面確定隧道和巷道掌子面前方異常地質(zhì)體界面的位置與傾角，并且繪制其二維地質(zhì)剖面；三維地質(zhì)剖面工具主要功能是根據(jù)縱橫波反射界面確定隧道和巷道掌子面前方異常地質(zhì)體界面的空間位置與傾角，并且繪制其三維地質(zhì)剖面。因此，第七層所提供的解釋處理工具主要功能是對(duì)當(dāng)前地震記錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋處理并獲得最終結(jié)果。此層所提供的解釋處理工具是隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)的采集與處理工作必須進(jìn)行的第七步也是最后一步操作所使用的工具。此層所提供的各種解釋處理工具模塊的算法開發(fā)是完全基于波形數(shù)據(jù)處理算法庫第四層所提供的各種解釋處理算法模塊(見圖3)，解釋參數(shù)設(shè)置工具模塊和解釋處理結(jié)果顯示模塊開發(fā)是基于GUI平臺(tái)第四層中的圖形顯示器(見圖2)。
第八層為向?qū)Ы忉屇K層，是由第四層(編輯處理)、第五層(分析處理)、第六層(濾波處理)和第七層(解釋處理)工具集成到一個(gè)流程圖中而形成的一種完整解釋處理系統(tǒng)。流程圖中的每個(gè)工具模塊都按照隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)處理與解釋流程所需要的工具制作的。此層內(nèi)嵌有三維地震數(shù)據(jù)奇異切除、解釋窗口選取、零漂校正、背景噪聲濾除、平均振幅譜分析、帶通濾波、初至拾取、初至校正成線、直達(dá)波速計(jì)算、能量均衡、Q值計(jì)算、二維譜分析與濾波、τ-p變換分析與濾波、反Q濾波、縱橫波分離、偏移速度分析、深度偏移成像、反射界面提取、二維地質(zhì)剖面和三維地質(zhì)剖面等二十二個(gè)工具模塊提示節(jié)點(diǎn)框圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)框圖對(duì)應(yīng)一個(gè)集成有參數(shù)設(shè)置模塊(若有的話)、處理算法模塊和處理結(jié)果顯示模塊的工具模塊。解釋處理流程圖模塊中的解釋處理算法是完全基于波形數(shù)據(jù)處理算法庫第四層所提供的各種解釋處理算法模塊(見圖3)，解釋參數(shù)設(shè)置模塊和解釋處理結(jié)果顯示模塊開發(fā)是基于GUI平臺(tái)的第三層和第四層(見圖2)。由于向?qū)Ы忉尮ぞ呤菍⑺淼篮拖锏赖刭|(zhì)超前預(yù)報(bào)地震數(shù)據(jù)處理與解釋過程中所需要的顯示、編輯、預(yù)處理、分析、濾波與解釋工具按一定的程序規(guī)則集成到一個(gè)全圖形化的流程圖中，用戶只需要根據(jù)此流程圖按順序進(jìn)行操作就可獲得最終正確的解釋結(jié)果，從而大大簡化了隧道和巷道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)解釋處理工作，也為非專業(yè)地震勘探工作者提供了一個(gè)明確清晰的解釋流程，解決了用戶在地震勘探資料解釋處理方面難題。
本發(fā)明所述應(yīng)用軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)除了提供上八層次的探測(cè)與處理模塊外，還提供有兩個(gè)儀器操作和使用輔助工具模塊，包括常用工具模塊和使用幫助工具模塊。常用工具模塊是由常用輔助工具模塊、儀器自檢測(cè)試工具模塊、儀器參數(shù)設(shè)置工具模塊和常用速度換算工具模塊。其中，常用輔助工具模塊內(nèi)嵌有簡單計(jì)算器和記事本，簡單計(jì)算器主要是為現(xiàn)場探測(cè)計(jì)算方便設(shè)計(jì)的，記事本主要是為現(xiàn)場踏勘和現(xiàn)場探測(cè)資料記錄方便設(shè)計(jì)的；儀器自檢測(cè)試工具模塊內(nèi)嵌有地震記錄波形數(shù)據(jù)庫容量檢測(cè)、電池電量檢測(cè)、鍵盤測(cè)試等工具；儀器參數(shù)設(shè)置工具模塊內(nèi)嵌有機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置等工具；常用速度換算工具模塊內(nèi)嵌有地震記錄解釋處理中常用幾種速度換算工具。使用幫助工具模塊內(nèi)嵌有快速入門手冊(cè)、使用說明書、技術(shù)應(yīng)用指南和關(guān)于制造商四個(gè)圖文瀏覽器，其主要功能是為用戶提供在線使用幫助文本，以方便用戶使用與操作儀器。無論是常用工具模塊還是使用幫助工具模塊開發(fā)都是基于GUI平臺(tái)(見圖2)。
權(quán)利要求
1.一種基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于該裝置的軟件體系結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)加載程序模塊層、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層、應(yīng)用組件模塊層、應(yīng)用程序模塊層及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層五個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的模塊第一層為引導(dǎo)加載程序模塊層，其由板級(jí)驅(qū)動(dòng)程序、引導(dǎo)加載程序和監(jiān)控程序組成的，采用遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目的通用引導(dǎo)加載程序U-Boot，通過配置和移植構(gòu)成適合于礦井巷道超前探測(cè)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)的引導(dǎo)加載程序，編譯后燒寫到硬件系統(tǒng)平臺(tái)上Flash存儲(chǔ)器的引導(dǎo)區(qū)中；第二層為嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層，由板級(jí)支持包、進(jìn)程調(diào)度系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的，采用開放源碼的嵌入式Linux操作系統(tǒng)MontaVistaLinux、BlueCat Linux、EDLK或RTLinux，根據(jù)礦井巷道超前探測(cè)儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)修改其板級(jí)支持包中的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，配置和編譯成小型嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過以太網(wǎng)和儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上的引導(dǎo)加程序?qū)懙絻x器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)上Flash存儲(chǔ)器的Linux內(nèi)核存儲(chǔ)區(qū)中；第三層為應(yīng)用組件模塊層，其是由系統(tǒng)應(yīng)用程序、C鏈接庫、圖形用戶界面平臺(tái)和三維地震數(shù)據(jù)處理算法庫組成的，其中，SA存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；CLib存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；GUI和SLIB存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；第四層為應(yīng)用程序模塊層，其是由現(xiàn)場探測(cè)軟件、文件管理軟件、波形顯示軟件、編輯處理軟件、分析處理軟件、濾波處理軟件、解釋處理軟件、向?qū)Ы忉屲浖⒊Ｓ霉ぞ哕浖褪褂脦椭浖K組成的礦井巷道超前探測(cè)儀器專用的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，存放在根文件系統(tǒng)的目錄下；第五層為應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層，其是由圖形界面圖像庫、系統(tǒng)參數(shù)庫、地震記錄波形數(shù)據(jù)庫、默認(rèn)參數(shù)庫和說明書文本庫組成的，作為應(yīng)用程序定制的專用數(shù)據(jù)庫，在儀器主機(jī)硬件系統(tǒng)平臺(tái)Flash存儲(chǔ)器中專門開辟一個(gè)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)作為其存儲(chǔ)空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的第三層中的波形數(shù)據(jù)處理算法庫是由編輯處理算法模塊層、分析處理算法模塊層、濾波處理算法模塊、解釋處理算法模塊層這四個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的處理算法模塊組成的可裁剪組件的層次化體系結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的第四層的應(yīng)用程序模塊層是由現(xiàn)場探測(cè)模塊層、文件管理模塊層、波形顯示模塊層、編輯處理模塊層、分析處理模塊層、濾波處理模塊層、解釋處理模塊層及向?qū)Ы忉屇K層這八個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的工具模塊組成的可裁剪組件的層次化體系結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的第四層的應(yīng)用程序模塊層還提供有兩種輔助工具模塊，即常用工具模塊和使用幫助模塊，其中，常用工具模塊內(nèi)嵌有常用輔助工具模塊、儀器自檢測(cè)試工具模塊、儀器參數(shù)設(shè)置模塊和常用速度換算模塊；使用幫助工具模塊內(nèi)嵌有快速入門指南、使用說明書、技術(shù)應(yīng)用指南和關(guān)于制造商圖文瀏覽器，兩種輔助工具模塊界面都是基于GUI平臺(tái)開發(fā)的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于嵌入式Linux的礦井巷道超前探測(cè)儀軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置的軟件體系結(jié)構(gòu)包括引導(dǎo)加載程序模塊層、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核模塊層、應(yīng)用組件模塊層、應(yīng)用程序模塊層及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫層五個(gè)不同層次、相互關(guān)聯(lián)的模塊，采用該軟件體系結(jié)構(gòu)的裝置不僅可以解決操作系統(tǒng)占用儀器的存儲(chǔ)空間大的問題，而且能夠較理想地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理軟件一體化集成及其維護(hù)和升級(jí)問題。
文檔編號(hào)G06F17/00GK101082677SQ20071000918
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者林學(xué)龍 申請(qǐng)人:福州華虹智能科技開發(fā)有限公司