超寬帶信號(hào)穿透特性在礦井下應(yīng)急救援的應(yīng)用研究

　　《超寬帶信號(hào)穿透特性在礦井下應(yīng)急救援的應(yīng)用研究》著重對超寬帶信號(hào)的穿透探測、精確定位和穿透成像等進(jìn)行研究，按照礦井下防爆和本安要求，選用不同頻率和功率的超寬帶信號(hào)進(jìn)行測試，確定適合礦井下功率和頻率的超寬帶信號(hào)。主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容。一是總結(jié)現(xiàn)在常用的幾種穿透探測信號(hào)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了超寬帶信號(hào)應(yīng)用于礦井下穿透塌方障礙物的優(yōu)勢；從超寬帶信號(hào)的定義出發(fā)，介紹常見的幾種信號(hào)波形——沖激脈沖信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、步進(jìn)變頻信號(hào)和噪聲信號(hào)；給出了適用于礦井下的超寬帶單脈沖波形，研究信號(hào)發(fā)射功率、信號(hào)傳送速度與通信系統(tǒng)的信號(hào)傳送距離之間的關(guān)系。考慮到礦井巷道的特殊環(huán)境，計(jì)算信號(hào)在傳播過程中產(chǎn)生的損耗時(shí)使用混合模型。通過論述分析，選取硬件電路易于產(chǎn)生的一階高斯脈沖作為窄脈沖信號(hào)。二是研究了超寬帶在煤礦井下精確定位。分析井下基于AOA測距、基于RSS測距和基于TOA/TDOA測距等超寬帶無線測距定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；介紹有線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)同一授時(shí)定位方案、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)差分定位方案和變頻轉(zhuǎn)發(fā)估計(jì)定位方案等井下精確定位方案；最后結(jié)合泰勒（Taylor）和Chan氏算法的討論，提出井下非視距條件下超寬帶定位改進(jìn)算法且進(jìn)行仿真分析。三是分析了煤礦井下超寬帶信號(hào)的穿透特性。從超寬帶信號(hào)應(yīng)用于礦井下進(jìn)行穿透探測的基本原理出發(fā)，分析研究塌方體的主要構(gòu)成介質(zhì)——石塊和混凝土的相對介電常數(shù)，構(gòu)建理想化塌方體介質(zhì)；然后通過超寬帶信號(hào)的穿透性能構(gòu)建目標(biāo)散射點(diǎn)模型和目標(biāo)回波模型；最后根據(jù)礦井塌方的實(shí)際情形選取實(shí)孔徑陣列。同時(shí)基于平面電磁波理論，分別研究在極化方向、入射角和損耗角正切不同的情況下，巖石、混凝土及其他復(fù)雜塌方體介質(zhì)對各種頻率超寬帶電磁波的衰減特性。四是研究了超寬帶信號(hào)穿透雙層塌方體的衰減特性。通過仿真分析，可知超寬帶信號(hào)在經(jīng)過雙層塌方體后其波形的振幅會(huì)衰減，塌方體厚度越大，穿透波的時(shí)延越大。隨著信號(hào)穿透塌方體的層數(shù)增加，反射波中峰值信號(hào)的振幅越小，信號(hào)波動(dòng)越頻繁，這加大了提取目標(biāo)信號(hào)的難度。另外，在信號(hào)的反射波中可以發(fā)現(xiàn)，反射波的峰值信號(hào)可以表示塌方的層數(shù)、反映塌方的嚴(yán)重程度。同時(shí)，根據(jù)井下的復(fù)雜環(huán)境提出一種適用于井下的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波閾值濾波相結(jié)合去除直達(dá)波的方法。通過與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法進(jìn)行仿真對比，得出經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和自適應(yīng)的小波閾值濾波相結(jié)合的方法，可有效去除回波信號(hào)的直達(dá)波，充分保留信號(hào)的局部特征，極大地提高了獲取目標(biāo)信號(hào)的可行性和準(zhǔn)確性。五是研究了煤礦井下超寬帶信號(hào)穿透塌方體生命特征檢測方法。超寬帶信號(hào)在礦井下穿透傳播過程中，由于受到各種不同電磁特性介質(zhì)的影響，導(dǎo)致有用的回波信號(hào)受到諧波干擾而難以分離。針對井下超寬帶信號(hào)雜波具有不平穩(wěn)性的特點(diǎn)，采用基于SVD與EMD聯(lián)合算法，建立礦井下超寬帶信號(hào)的傳播過程模型。采用SVD方法濾除雜波分量，檢測塌方體下生命信號(hào)，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法將回波信號(hào)分解為若干IMF分量，并在時(shí)域上分析生命特性曲線，在信干比高的情況下分開呼吸與心跳信號(hào)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，該算法可以估計(jì)塌方體后生命體的距離信息，同時(shí)重構(gòu)目標(biāo)生命體呼吸、心跳的時(shí)頻波形信息，因此適用于塌方體下的非接觸式生命檢測。六是研究了煤礦井下超寬帶回波信號(hào)的雜波抑制方法。從礦井下塌方背景環(huán)境出發(fā)，分析礦井下雜波出現(xiàn)的原因；然后結(jié)合礦井下雜波起伏劇烈的情況，分析幾種傳統(tǒng)波譜分析方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出基于EMD和ICA-R的方法，并對ICA-R方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的方法解決了井下因雜波起伏劇烈導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)分離困難的問題。同時(shí)，針對巷道壁和塌方體引起的多徑效應(yīng)問題，從回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，分析超寬帶回波信號(hào)中的塌方體雜波在井下穿透傳播過程中具有變化緩慢及目標(biāo)信號(hào)變化較大的特點(diǎn)，據(jù)此，提出一種基于PCA和SaS結(jié)合的雜波抑制算法。在仿真和實(shí)驗(yàn)中，所提的聯(lián)合方法表現(xiàn)出對塌方體雜波良好的抑制能力。七是研究了煤礦井下超寬帶信號(hào)穿透塌方體成像算法。首先，針對礦井巷道狹長障礙物電磁參數(shù)未知的問題，在傳統(tǒng)的信號(hào)傳播理論模型基礎(chǔ)上，該書采用Ray-tracing技術(shù)對超寬帶信號(hào)在井下的穿透傳播過程進(jìn)行時(shí)域模擬分析，最后通過SVM算法對回波樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到一個(gè)分類器，對于任意的輸入信號(hào)都可以直接計(jì)算出對應(yīng)目標(biāo)信號(hào)的物理信息。該算法避免了計(jì)算井下復(fù)雜塌方體的電磁參數(shù)，解決超寬帶信號(hào)在井下傳播時(shí)的非線性和病態(tài)性。仿真結(jié)果表明，采用Ray-tracing與SVM結(jié)合的算法可以很好地對塌方體未知情形下隱藏目標(biāo)的基本類別進(jìn)行區(qū)分。

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