CN110275208A - 一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法 - Google Patents

一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法 Download PDF

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伊世学
王世博
谢洋
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窦希杰
卢召栋
黄苏龙
张辉
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Abstract

一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法，属于煤矸雷达识别系统及方法。通过发射超宽带脉冲信号到煤矸混合物中，信号通过煤矸时产生的回波具有不同的相位；根据回波相位与发射回波的相位之间的关系来确定不同介质的介电常数的大小关系；煤矸石都属于弱导电介质，电磁波在其中传播经过煤矸分界面时产生的入射波与反射波相位差以此进行煤矸识别；在液压支架尾梁处安装收发天线，通过收发电线发射信号与接收回波并把信号传递给数据处理系统；数据处理系统通过分析回波的相位信息以此识别出煤矸混合物中的矸石。本发明受到矿下湿度或者粉尘带来的影响比较小，探测精度与速度更高，降低了工人劳动强度使其远离恶劣环境。

Description

一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法
技术领域
本发明涉及一种煤矸雷达识别系统及方法，特别是一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法。
背景技术
煤炭是我国的主体能源，厚煤层储量丰富且主要采用综放开采方法，加快推进煤炭无人开采技术研发和应用”列入能源领域重点工程，国家安全监管总局开展的“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动为煤炭行业科技创新指明了方向，厚煤层实现智能化综放开采将成为重要的发展趋势。
但在放顶煤开采的过程中放煤是一项亟待处理的难题。目前，放顶煤开采时，主要是依靠人工判别顶煤放落程度以进行控制。但由于采煤工作面灰尘大，条件恶劣，工人依靠视觉，听觉以及经验难以准确判断顶煤放落程度不免造成过放或者欠放的问题，同时在放煤过程中产生大量的粉尘与瓦斯对工人的生命健康也有着巨大的威胁。其次，一些煤矿企业及科研院所通过采用电液控制系统控制放煤技术，声音控制放煤技术等方法来试图解决放煤问题。同时，现有的煤矸识别技术如灰度识别，在灰尘较大的环境下准确度比较低；再如基于自然射线煤矸识别的效率不高。虽然这些表面上实现了煤矸识别，但在实际生产中效果都不太理想。
发明内容
本发明的目的是要提供一种高效，准确度高且受灰尘影响较小的高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统及识别方法。
本发明的目的是这样实现的：本发明包括高速超宽带雷达成像式的煤矸雷达识别系统以及煤矸识别方法。
所述的煤矸雷达识别系统包括：发射机、接收机、控制机、信号处理单元和数据处理单元；在发射机和接收机的输入端分别连接有发射天线和接收天线，发射天线连接在发射机的输出端，接收天线连接在接收机的输入端；接收机的输出端通过信号处理单元连接在数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端与控制机的输入端连接，控制机的输出端与发射机的输入端连接。
所述的发射机包括：固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器；固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器顺序连接；输出射频功率放大器的输出端与发射天线连接；控制机的脉冲调制器输出端同时与固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器连接。
所述的接收机包括：中频放大器、变频器和高频放大器；中频放大器、变频器和高频放大器顺序连接，中频放大器为接收机的信号输出端。
所述的控制机包括：定时器、脉冲调制器和显示器；定时器为脉冲调制器提供定时信号。
所述的数据处理单元包括：计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元；计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元顺序连接；计算机数据处理系统为数据处理单元的输出端，多处理器数据读取单元为数据处理单元的输入端。
所述的煤矸识别方法，包括接收天线和发射天线、天线传输导线、发射机、接收机、控制机、信号处理单元和数据处理单元；具体识别步骤如下：
步骤a、将收发天线安装在支架尾梁处，在液压支架上设置防爆雷达外壳；在雷达外壳里安装雷达系统；
步骤b、通过发射天线向输送机上的煤矸混合物发射高频脉冲信号，由接收天线接收回波信号并交于发射机与信号处理单元处理；
步骤c、对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理；具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪；
步骤d、对回波信号进行相位分析处理，根据回波相位与发射回波的相位之间的关系来确定不同介质的介电常数的大小；煤矸石都属于弱导电介质，电磁波在其中传播经过煤矸分界面时产生的入射波与反射波相位差以此进行煤矸识别。
所述的脉冲信号频段为2∽3.5GHz，脉冲宽度为600ps的单周期脉冲信号；其探测煤矸混合物的深度为40-60cm，该频段在满足探测深度的要求下有较高的分辨率。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明使用的超宽带脉冲信号的功率谱密度极低，穿透能力强、分辨力高。通过发射超宽带脉冲信号到煤矸混合物中，信号通过煤矸时产生的回波具有不同的相位；根据回波相位与发射回波的相位之间的关系来确定不同介质的介电常数的大小关系；煤矸石都属于弱导电介质，电磁波在其中传播经过煤矸分界面时产生的入射波与反射波相位差以此进行煤矸识别；在液压支架尾梁处安装收发天线，通过收发电线发射信号与接收回波并把信号传递给数据处理系统；数据处理系统通过分析回波的相位信息以此识别出煤矸混合物中的矸石。在接收到回波信号时依据其回波信号相位差可明确判别出煤和矸石在相对介电常数的差异由此识别矸石。由于信号的探测速度极快可迅速识别出矸石，满足输送机输送速度对识别速度的要求。同时，粉尘对电磁波信号影响比较小，能够准确地实现煤矸识别。在整个过程无需人工干预，降低了放煤工人劳动强度使其远离井下工作面的恶劣环境。
附图说明
图1是本发明的安装结构示意图。
图2是本发明的雷达系统结构示意图。
图3是本发明的煤矸识别流程图。
图中，1-液压支架；2-雷达外壳；3-刮板输送机；4-收发天线。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的高速超宽带雷达成像式的煤矸雷达识别系统由发射机、接收机、控制机、信号处理单元和数据处理单元构成；在发射机和接收机的输入端分别连接有发射天线和接收天线，发射天线连接在发射机的输出端，接收天线连接在接收机的输入端；接收机的输出端通过信号处理单元连接在数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端与控制机的输入端连接，控制机的输出端与发射机的输入端连接；
所述的发射机包括：固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器；固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器顺序连接；输出射频功率放大器的输出端与发射天线连接；控制机的脉冲调制器输出端同时与固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器连接；
所述的接收机包括：中频放大器、变频器和高频放大器；中频放大器、变频器和高频放大器顺序连接，中频放大器为接收机的信号输出端；
所述的控制机包括：定时器、脉冲调制器和显示器；定时器为脉冲调制器和显示器提供定时信号；
所述的数据处理单元包括：计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元；计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元顺序连接；计算机数据处理系统为数据处理单元的输出端，多处理器数据读取单元为数据处理单元的输入端。
本发明的高速超宽带雷达成像式的煤矸识别方法，包括接收天线和发射天线、天线传输导线、发射机、接收机、控制机、信号处理单元和数据处理单元；识别步骤如下：
步骤a、将雷达系统的天线安装在支架尾梁处，所述的天线为空气耦合式天线，包括有发射天线和接收天线，并位于刮板输送机的上方，通过电磁波进行探测，受到矿下湿度或者粉尘带来的影响比较小，探测精度与速度更高；在液压支架上设置防爆雷达外壳，在雷达外壳里安装雷达系统；
步骤b、通过发射天线向输送机上的煤矸混合物发射高频脉冲信号，由接收天线接收回波信号并交于发射机与信号处理单元处理；
步骤c、对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理；具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪；
步骤d、对回波信号进行相位分析处理，根据回波相位与发射回波的相位之间的关系来确定不同介质的介电常数的大小；煤矸石都属于弱导电介质，电磁波在其中传播经过煤矸分界面时产生的入射波与反射波相位差以此进行煤矸识别。
所述的脉冲信号频段为2∽3.5GHz，脉冲宽度为600ps的单周期脉冲信号。其探测煤矸混合物的深度为40-60cm，该频段在满足探测深度的要求下有较高的分辨率。

Claims (7)

1.一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统，其特征是：煤矸雷达识别系统包括：发射机、接收机、控制机、信号处理单元和数据处理单元；在发射机和接收机的输入端分别连接有发射天线和接收天线，发射天线连接在发射机的输出端，接收天线连接在接收机的输入端；接收机的输出端通过信号处理单元连接在数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端与控制机的输入端连接，控制机的输出端与发射机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统，其特征是：所述的发射机包括：固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器；固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器顺序连接；输出射频功率放大器的输出端与发射天线连接；控制机的脉冲调制器输出端同时与固体微波源、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器连接。
3.根据权利要求1所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统，其特征是：所述的接收机包括：中频放大器、变频器和高频放大器；中频放大器、变频器和高频放大器顺序连接，中频放大器为接收机的信号输出端。
4.根据权利要求1所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统，其特征是：所述的控制机包括：定时器、脉冲调制器和显示器；定时器为脉冲调制器提供定时信号。
5.根据权利要求1所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统，其特征是：所述的数据处理单元包括：计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元；计算机数据处理系统和多处理器数据读取单元顺序连接；计算机数据处理系统为数据处理单元的输出端，多处理器数据读取单元为数据处理单元的输入端。
6.采用权利要求1所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统的煤矸识别方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤a、将收发天线安装在支架尾梁处，在液压支架上设置防爆雷达外壳；在雷达外壳里安装雷达系统；
步骤b、通过发射天线向输送机上的煤矸混合物发射高频脉冲信号，由接收天线接收回波信号并交于发射机与信号处理单元处理；
步骤c、对接收到的超宽带雷达信号进行去噪处理；具体为：小波去噪、反卷积自适应去噪和偏微分去噪；
步骤d、对回波信号进行相位分析处理，根据回波相位与发射回波的相位之间的关系来确定不同介质的介电常数的大小；煤矸石都属于弱导电介质，电磁波在其中传播经过煤矸分界面时产生的入射波与反射波相位差以此进行煤矸识别。
7.根据权利要求6所述的一种高速超宽带雷达成像式煤矸雷达识别系统的煤矸识别方法，其特征是：所述的脉冲信号频段为2∽3.5GHz，脉冲宽度为600ps的单周期脉冲信号；其探测煤矸混合物的深度为40-60cm，该频段在满足探测深度的要求下有较高的分辨率。
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