UWB雷达在矿山钻孔救援中的应用研究

超宽带(UWB)雷达探测技术可实现面向钻孔救援的矿井人体目标探测,但UWB电磁波易受灾变矿井复杂环境影响,UWB雷达回波信号易受到灾变矿井背景杂波、环境噪声影响,导致难以实现灾变矿井人体目标精准探测。针对上述问题,介绍了基于UWB雷达的井下目标探测场景及人体目标探测原理,分析了UWB电磁波特性研究现状和UWB回波噪声滤除方法研究现状。总结了存在的问题:①UWB电磁波在灾变矿井复杂环境中的传播特性需深入研究。②背景杂波产生原因尚未明晰,灾变矿井背景杂波与环境噪声滤除技术研究较少。③面向钻孔救援的UWB雷达人体目标探测技术仍需改进。针对现有技术的不足,展望了面向钻孔救援的UWB雷达井下人体目标探测技术的发展趋势:①深入研究UWB电磁波穿透传输关键表征参数对井下复杂环境特征的敏感程度。②构建适用于灾变矿井的背景杂波与环境噪声滤除方法。③深入优化面向钻孔救援的UWB雷达人体目标探测技术。

基于钻孔救援的UWB雷达波传输衰减研究及展望

快速精准地获取井下受灾人员位置是钻孔救援前期生命信息探测的关键问题。针对在垂直钻孔救援过程中,由于探测区域巷道坍塌或终孔位置偏移,无法快速准确地获取被困人员位置,耽误救援的黄金时间,影响人员生命安全的问题,通过开展UWB雷达波传输衰减研究,为现场救援指挥人员快速制定救援方案。分析了UWB雷达波应用于矿山钻孔救援的现状和需求,并结合矿山钻孔救援背景,指出UWB雷达波传输衰减规律,从介质的各向同异性分析了介质的特性参数对雷达波传输衰减的影响;从介电常数、电导率、磁导率和时空变化4个方面分析了介质的电性参数对雷达波传输衰减的影响;从雷达频率和极化2个方面分析了雷达特征参数对雷达波传输衰减的影响。根据上述分析,指出目前对UWB雷达波同时穿透煤岩体等各向异性介质的研究和介质传播衰减机理研究较少;在井下复杂多变或模拟受灾后环境的UWB雷达波传输衰减理论与实验较少,相关规律总结较少;UWB雷达波关键参数与影响因素之间的映射关系数据库尚未完善。并给出未来需研究的关键技术:(1)对煤岩体等各向异性介质在宏观与微观上进行研究;(2)搭建灾变环境条件下雷达波传输衰减实验模拟系统;(3)增加灾变后非结构环境下UWB雷达信号传播特性的研究与信道建模数值模拟。

冲激超宽带雷达生命信号提取的新方法

冲激超宽带生命探测雷达中,传统的平均相消法不能有效去除直达波,从而影响目标回波信号的提取;同时对回波数据中呼吸、心跳信息的提取仍然基于FFT从频域上进行,因而呼吸信号谐波对心跳信号检测的干扰未得到很好解决。针对这两个问题,采用宽带互相关法对回波时延进行估计,然后提取各个回波时延序列的均值与方差作为特征量,采用C-均值聚类算法对回波进行分类,实现直达波与目标回波的分离;采用经验模态分解将目标回波时延序列分解成有限个固有模态函数,从时域上提取呼吸和心跳信号,从而避免呼吸谐波对心跳信号检测的干扰。

基于信号特征值相关性去除穿墙雷达直达波

穿墙雷达是一种用来探测被障碍物遮挡目标的新型雷达,障碍物对于穿墙雷达成像影响较大,回波中的目标信号往往淹没在直达波信号中。目前所提出的算法不能够完全去除直达波信号,或者在去除直达波信号的同时削弱了目标信号的幅度,影响目标信号的识别。针对超宽带步进变频穿墙雷达中去除直达波的问题,提出采用奇异值分解的方法提取回波信号中的目标信号分量和直达波信号分量,并去除直达波信号,最后采用HFSS仿真软件进行建模仿真。仿真结果表明,奇值分解方法能够有效去除直达波信号,并且能够保留目标信号的绝大部分信息,优于对消法。改进方法是处理相干信号的一种比较有效的手段,可用于强干扰噪声环境下的噪声去除。

面向钻孔救援的超宽带雷达技术研究现状与方向

针对目前基于视音频的钻孔生命信息识别技术在矿山救援过程中所面临的视频遇障失效和声波衰减速度快的问题,研究了能穿透煤岩体、砖墙等障碍物进行非接触式测量,实现生命信息识别的超宽带(UWB)雷达技术。从UWB电磁波的传输衰减特性、杂波的滤除与优化、目标生命识别方法3个方面分析了UWB雷达技术在矿山钻孔救援中应用的现状和存在的问题:①UWB电磁波可对障碍物后人员生命信息进行识别与定位,其衰减与电场强度、磁场强度、频率和介质有关,但目前针对UWB电磁波传输衰减特性的研究缺乏对不同温度、探测频率、变质程度下各种煤岩体与UWB电磁波传输衰减之间的关系研究,对UWB电磁波的频率、入射角、极化形式等关键参数及变化特征与UWB电磁波衰减的关系研究较少。②采用经验模态分解法、MUSIC算法等方法可以对UWB电磁波中的杂波进行滤除,但缺乏对杂波滤除后有效波特征和信息的准确提取和科学表征,难以提高生命信息特征提取与识别的速度与精度。③UWB电磁波可以实现对障碍物后多目标人员生命体征如呼吸或心跳的捕捉,采用多雷达观测点可以提高低信噪比环境下生命信息探测的准确性,但目前的研究缺乏对呼吸、心跳、胸腔起伏、体温等多方位、多角度的系统识别与量化分析,缺乏对生命信息识别模型的优化方法。针对存在的问题,指出了UWB雷达技术在矿山钻孔救援应用中的研究方向:①研究不同条件下各煤岩体自身性质和电磁波相关参数对UWB电磁波在煤岩体中传输衰减的影响,得出其传输衰减规律。②研究适用于矿井环境下杂波的滤除优化与回波特征提取算法,利用回波中的有效特征建立学习样本数据库。③构建适用于矿井环境的人员生命信息识别模型,结合样本数据库对模型不断优化,以提高生命信息识别的精度和速度。