一种矿山钻孔应急救援鞭型超宽带雷达装置的制作方法

本实用新型涉及矿山钻孔救援领域，具体涉及一种矿山钻孔应急救援鞭型超宽带雷达装置。

背景技术：

目前，国际上应用的生命信息探测技术有音频生命信息探测技术、视频生命信息探测技术、红外热成像探测技术、气体探测技术、超低频电磁波生命信息探测技术、静电场生命信息探测技术、雷达生命信息探测技术等。当井下发生矿难时，巷道光照条件会受到限制，可见光探测仪靠自身携带的光源不够，造成其有效探测距离减小；声波信号在井下巷道中传播时，信号衰减较大。音频、视频、红外热成像、气体、超低频及静电场等生命信息探测技术存在着抗干扰性差、易受温度影响及不具备穿透性等缺点。在实施探人的钻孔时，若钻孔的终孔位置偏离设计位置，或目标位置附近巷道发生坍塌，以上生命信息探测技术无法对障碍物后人员进行精确的定位。因此，以上方式不适用于有障碍物情况下的被困人员位置探测，对被困人员位置的探测精确度较低且及时性较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有生命信息探测技术存在对被困人员位置的探测精确度较低、无法穿透探测、及时性较差的问题，提供一种矿山钻孔应急救援鞭型超宽带雷达装置及应用方法。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种矿山钻孔应急救援鞭型超宽带雷达装置，其特征在于：包括超宽带雷达钻孔探测器、数据传输线、上位机，所述超宽带雷达钻孔探测器，所述超宽带雷达钻孔探测器将采集到的信息通过数据传输线传递到无线通信模块，所述无线通信模块通过无线通讯传递给上位机。

所述超宽带雷达钻孔探测器包括外壳和设置在外壳体内的电源管理模块、数据传输模块、主控模块、数据采集模块、接收天线、发射天线，所述外壳体上设置有雷达发射口，所述发射天线通过雷达发射口向外发射冲击脉冲超宽带雷达波，所述接收天线通过雷达发射口接收反射回来的电磁波，所述数据采集模块将接收天线接收的电磁波传输给主控模块，所述主控模块将采集到的信息通过数据传输模块传输至数据传输线输出。

所述发射天线和接收天线均为蝶形天线，一发三收呈鞭型布置。

所述外壳体为圆柱形壳体，所述圆柱形壳体上部留有充电口和数据传输口，所述圆柱形壳体侧壁下部设置有雷达发射口。

所述雷达发射口的形状为长方形，长度a＝70mm，宽度b＝50mm。

所述超宽带雷达钻孔探测器通过线盘、定滑轮及三角支架调节探测深度，所述三角支架安装在地面，所述定滑轮安装在三角支架上，所述数据传输线的一端与超宽带雷达钻孔探测器连接，另一端穿过定滑轮绕制在线盘上，所述线盘上设置有无线通信模块。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型提供的超宽带雷达与红外、声波探测技术相比，雷达生命探测不受环境温度、热物体的影响，具有非接触可穿透的能力，能有效穿透煤层、岩石、石膏等介质体，很好地解决了红外探测受环境温度影响严重，与物体遮挡失效及误报率高的问题，同时也克服了超声探测受环境杂物反射干扰等问题，适合于矿山钻孔应急救援。

2.本实用新型提供的矿山钻孔应急救援超宽带雷达装置操作简单，能满足救援不同环境下的钻孔探测，并且结构简单、体积小、重量轻、接线简便、成本较低、携带及搬运方便，采用数据传输线可以直接进行下放，不受周围环境的限制，使用效果好。

3.本实用新型提供的矿山钻孔应急救援超宽带雷达装置的信号传输采用有线加无线的传输方式，首先，钻孔探测器通过有线通信的方式将信号传输到线轮盘，然后线轮盘通过自身的无线通信模块与上位机进行信号传输。

4.本实用新型前端探测单元所采用的壳体结构设计合理，壳体设计成圆柱形壳体，在圆柱形壳体上部安装数据传输线的传输线接口和无线接口，圆柱形壳体侧壁上开设一个雷达发射口，雷达发射口为长方形，具有防水和耐腐蚀性能，壳体采用不锈钢金属，能满足防水、抗震强度和耐腐蚀性要求，防水壳体结构简单且加工制作简便，投入成本较低。

5.本实用新型在数据传输线口采用密封垫片进行防水处理，密封垫片通过碳纤维复合材料加工而成的，具有耐冲击韧度好、耐水和耐湿气、化学稳定性好、摩擦系数小、导热性好等优点。同时，对于细小缝隙采用液体密封胶进行密封，进一步保证密封及防水效果。

附图说明

图1为本发明系统工作原理示意图；

图2为本发明超宽带雷达钻孔总体结构示意图；

图3为本发明系统人体体表微动对电磁波幅度调制模型示意图；

图4为本发明穿透探测定位模型示意图；

图5为本发明的时延带相交定位原理示意图；

图中，1-充电口，2-电池，3-电源管理模块，4-数据传输口，5-数据传输模块，6-主控模块，7-数据采集模块，8-接收天线，9-发射天线，10-壳体，11-雷达发射口，12-上位机，13-线盘，14-三角支架，15-定滑轮，16-地面，17-数据传输线，18-超宽带雷达钻孔探测器，19-巷道，20-无线通信模块。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳的实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例一：

如图1所示，一种矿山钻孔应急救援鞭型超宽带雷达装置，其特征在于：包括超宽带雷达钻孔探测器(18)、数据传输线(17)、上位机(12)，所述超宽带雷达钻孔探测器(18)，所述超宽带雷达钻孔探测器(18)将采集到的信息通过数据传输线(17)传递到无线通信模块(20)，所述无线通信模块(20)通过无线通讯传递给上位机(12)。

所述超宽带雷达钻孔探测器(18)通过线盘(13)、定滑轮(15)及三角支架(14)调节探测深度，所述三角支架(14)安装在地面，所述定滑轮(15)安装在三角支架(14)上，所述数据传输线(17)的一端与超宽带雷达钻孔探测器(18)连接，另一端穿过定滑轮(15)绕制在线盘(13)上，所述线盘(13)上设置有无线通信模块(20)。

数据传输线(17)采用mhjyv型矿用加强线芯聚乙烯绝缘保护套通信电缆，其作用是将超宽带雷达钻孔探测器(18)采集到的信号通过数据传输口(4)传递到井上地面，在进行救援投放钻孔的过程中，通过在钻孔口的地面上固定三角支架(14)来进行钻孔的投放，线盘(13)采用zkj500-l矿用一般兼本安型钻孔通信装置线轮盘，其具有发射无线局域网的功能，它可以将数据传输线所传输过来的信号经过线盘的无线通信模块(20)，然后将数据信号以无线传输的方式传送到上位机(12)。无线通信是线轮盘自身可以发射无线局域网，无线采用mimo-ofdm技术，与上位机(12)进行信号的传输。

上位机：首先通过ads930型模数转换器将模拟信号转为数字信号；然后利用带通滤波器筛选频率范围，利用复数快速独立成分分析算法处理信号，隔离直流分量；其次对上步处理后信号依次进行快速傅里叶变换和离散傅里叶变换处理，实现心跳和呼吸信号的识别与提取。

实施例二

如图2所示，所述超宽带雷达钻孔探测器包括外壳(10)和设置在外壳体内的电源管理模块(3)、数据传输模块(5)、主控模块(6)、数据采集模块(7)、接收天线(8)、发射天线(9)，所述外壳体上设置有雷达发射口(11)，所述发射天线(9)通过雷达发射口向外发射冲击脉冲超宽带雷达波，所述接收天线(8)通过雷达发射口接收反射回来的电磁波，所述数据采集模块(7)将接收天线(8)接收的电磁波传输给主控模块(6)，所述主控模块(6)将采集到的信息通过数据传输模块(5)传输至数据传输线(17)输出。

所述发射天线(9)和接收天线(8)均为蝶形天线，一发三收呈鞭型布置。

所述外壳(10)体为圆柱形壳体，所述圆柱形壳体上部留有充电口(1)和数据传输口(4)，所述圆柱形壳体侧壁下部设置有雷达发射口(11)。

所述雷达发射口(11)的形状为长方形，长度a＝70mm，宽度b＝50mm。

进一步的，外壳(10)体材质采用隔爆型不锈钢材质，防护性能不低于ip54防护等级的要求，且具备防水、耐腐蚀和抗震强度等要求。外壳(10)尺寸采用圆柱体外形，尺寸为：半径r＝75mm，圆柱体外壳厚度l＝2mm。外壳(10)体顶端设置有充电口(1)，充电口(1)对电池(2)进行充电，其设计成圆柱孔，电池(2)通过电源管理模块(3)对数据传输模块(5)、主控模块(6)及数据采集模块(7)进行供电，电池选取12节(12串)可充电镍氢电池封装而成。电池(2)设置在壳体(10)体内表面上部，使用粘结性较好的垫片粘贴到圆形钻孔内表面上部。数据传输口(4)位于钻孔壳体的顶部，将所采集的数据传输到地面(16)上上位机(12)，其设计成圆柱孔；数据传输模块对数据采集模块所采集的数据进行传输；主控模块对各个模块的控制；数据采集模块对接收天线所接收数据的采集和处理；发射天线设计成蝶形薄片，长度a＝50mm，宽度b＝30mm，高度c＝20mm，发射天线的发射冲击脉冲超宽带雷达波；接收天线与发射天线外形尺寸相同，接收反射回来的波，发射天线和接收天线固定在壳体的底部，发射天线紧接在接收天线的底部。雷达发射口是指对超宽带雷达进行发射的口，设置在发射天线和接收天线的中央位置，雷达发射口的形状为长方形，长度a＝70mm，宽度b＝50mm，雷达发射口的材质采用钢化玻璃，具有抗冲击强度高、热稳定性好以及很好的耐腐蚀性能，通过环保透明热熔胶棒进行密封雷达发射口钢化玻璃与壳体周围的缝隙，达到密封和防水的性能，热熔胶具有快速粘合、耐老化、热稳定性好的性能。

进一步的，数据传输模块(5)：通过ads930型模数转换器对采集的回波信号进行模数转换，并模拟信号通过通信电缆传输至地面。

主控模块(6)：核心为ep3c16q240c8型可编程逻辑门阵列芯片，根据上位机指令，协调各部芯片，控制系统的工作时序，实现与上位机的数据交换。

数据采集模块(7)：通过阶跃恢复二极管脉冲发生器产生超宽带脉冲信号，经发射天线发出探测信号；时频混合域多通道匹配滤波接收机将接收天线接收的回波信号与预设参考信号通过相乘、积分、采样等步骤，实现信号数据的高效采集；利用主控模块中的ds1023-25型高精度数字延时芯片提供步进延时，确保发射脉冲与采样数据间的同步性。

矿山钻孔应急救援超宽带雷达装置的雷达系统为近距离探测定位，对冲激信号源峰值功率要求相对较低；由于人体的呼吸、心跳频率不高，而且进行探测时雷达系统保持静止，因此不要求雷达对冲激脉冲信号进行实时取样采集，可采用成本较低的、技术成熟的等效取样技术实现可通过数据采集模块实现。采用高速数字芯片设计的高精度、低抖动的步进控制逻辑电路，是主控模块，核心为ep3c16q240c8型可编程逻辑门阵列芯片，根据上位机指令，协调各部芯片，控制系统的工作时序，实现与上位机的数据交换。最小步长不大于10ps，抖动不大于10ps，理论上，雷达系统能够分辨目标在空气中产生1.5mm的位移。收发天线后向采取屏蔽设计，如图2所示，保证探测的方向性。由于不锈钢材质对电磁波的传播具有屏蔽作用，因此，后向的壳体材质采用隔爆型不锈钢材质，防护性能不低于ip54防护等级的要求，且具备防水、耐腐蚀和抗震强度等要求。

根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度，使用超宽带雷达可对一定范围内被困人员的体动和呼吸信号进行快速检测。首先利用fir低通滤波器消除直达波和部分背景噪声，利用自适应最小均方算法剔除非周期性干扰波和窄带波，提高信噪比；其次进行目标特征信息识别，如图3所示；最后进行生命信息定位。

生命信息提取具体方法：分析超宽带雷达波在煤体进行传输探测的过程，研究其对人体的碰撞所造成的单位冲击响应可表示为：

式中，τ为超宽带雷达进行实体扫描时信号传输中的较快时间(ns)，t为超宽带雷达进行实体扫描时信号传输中的较慢时间(ns)，τv(t)是超宽带雷达波在到达探测目标后反射在快时间轴(τ)的时延。avδ(τ-τv(t))为人体胸腔起伏所导致的微动信号位移相，∑iaiδ(τ-τi)为障碍物后所要被探测的人体目标信号。

考虑到超宽带雷达波上加载的胸腔起伏信号主要是由于被探测人员的呼吸、心跳等身体生理活动所引起的，所以τv(t)可表示为

式中：d0可认为是超宽带雷达探测系统中发射和接收天线(收发一体)距离探测目标胸腔表面的平均距离(m)；δd(t)表示单位时间t内胸腔振动起伏的幅度(m)；c是超宽带雷达波的传播速度，3×10⁸m/s；f1，f2，f3……分别为多次探测目标胸腔起伏的瞬时频率，δ1，δ2，δ3，δ4……分别为多次探测目标的胸腔起伏幅度。

脉冲制雷达波在进行生命信息侦测时，由于脉冲波之间的间隔很小，在进行多次连续侦测时，可忽略脉冲波之间的波峰间隔。设发射天线所发出的信号为p(τ)，忽略噪声和探测目标周围的环境信息影响，即只保留由于信号冲击所造成的响应信号h(t，τ)，则雷达接收天线接收到的信号为：

将上式中关于快时间轴(τ)和慢时间轴(t)的参数进行离散化后，得到了一个关于雷达回波的二维矩阵：

上式中，tf和ts分别代表二维扫描中快时间和慢时间之间的采样间隔，m＝1,2,3，…，m，n＝1,2,3…，n。r[m,n]为由计算数据所组成的雷达图。由上式可知，探测目标的胸腔起伏信号和探测时延均包括在矩阵(24)中，利用回波矩阵算法进行相应的处理，即可提取出连续探测下目标的胸腔起伏信息。

人体目标定位方法：在超宽带雷达波进行生命信息识别探测过程中，其主要原理为雷达波对加载了生命信息的有效波进行特征信号的提取与分析，进而推算出被探测目标的生命信息和距离位置。本实用新型采用的是单发多收类天线形式，即只有一个发射天线、多个接收天线共同接收信号确定位置的体制，如图4。通过构建天线与被探测目标之间雷达波的传输模型来研究对被探测目标的定位机理。

考虑到实际生命信息识别过程中，主要是区分被探测人员的信息，将被探测人员看作三维空间坐标中的一点，假设其坐标为(x，y，z)，发射天线位于z轴正下方，设其坐标为(0，0，-d)。接收天线分布在与发射天线同一水平高度的平面内，设其坐标为ri(xi，yi，zi)，在距离发射天线d处为障碍物，即在xy平面内有探测障碍物，默认此障碍物密实性较好，里面的空隙可忽略，即忽略超宽带雷达波在障碍物内部的反射、折射、散射等现象。当发射天线发射的雷达波抵达障碍物表面时，其会发生折射来穿透障碍物进行传输，设其在m0处发生折射，入射角和折射角分别为α0，β0，雷达波传输到被探测目标时，由于碰撞到人体，雷达波会发生反射，在雷达波返回途径中会再次经过障碍物发生折射现象，此时的入射角和折射角分别为αi，βi，折射后的雷达波最终被接收天线ri所接收。在实际的生命信息识别过程中，由于障碍物的物理属性、厚度、面积和介电常数等参数的不同，会对发射出来的雷达波造成一定的干扰和吸收，导致雷达波的传输路径和能量损耗也不一样。所以在确定了以上参数的条件下，雷达波在返回接收天线的过程中的回波延时ti也是唯一确定的，具体可由delay函数表示为下式

ti＝delay(x，y，z，t，ri，d，ε)(25)

其中，t和ri分别在上面介绍过，d为障碍物厚度，ε为障碍物的介电常数。基于此，需要三个上述方程即可求得x，y的实际数值，即可计算出被探测目标的实际位置。发射天线t所发出的雷达波在障碍物不同位置的折射点不同，其传播路径也不同。假设选取其中的折射点mi(xi，yi，z)(i的值可为任意值)，其中雷达波在障碍物的折射点为同一平面内，故z为定值。则探测到目标后的雷达波在经过折射所到接收天线的回波时延可表示为：

对于方程(26)而言，存在4个未知变量，无法进行求解，所以需要假定时延ti和探测目标坐标之间的一一对应关系，即假设探测目标的具体位置已知，这样就只剩探测目标的三个坐标的解，通过多次计算来获取在不同时延下探测目标的坐标值。通过绘制不同位置坐标之间的关系，找出重合度最高的区域即为探测目标的具体范围。

从图5可见，时延带在不同的坐标位置处都不同得到分布点，但是与三个坐标都有重合的部分并不多，此处的坐标位置即满足上述方程的解，其为目标人体的三维坐标位置，即可通过这种方法确定了探测目标的具体位置信息。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。