超宽带信号穿透特性在矿井下应急救援的应用研究

　　《超宽带信号穿透特性在矿井下应急救援的应用研究》着重对超宽带信号的穿透探测、精确定位和穿透成像等进行研究，按照矿井下防爆和本安要求，选用不同频率和功率的超宽带信号进行测试，确定适合矿井下功率和频率的超宽带信号。主要包括以下几个内容。一是总结现在常用的几种穿透探测信号之间的优缺点，分析了超宽带信号应用于矿井下穿透塌方障碍物的优势；从超宽带信号的定义出发，介绍常见的几种信号波形——冲激脉冲信号、线性调频信号、步进变频信号和噪声信号；给出了适用于矿井下的超宽带单脉冲波形，研究信号发射功率、信号传送速度与通信系统的信号传送距离之间的关系。考虑到矿井巷道的特殊环境，计算信号在传播过程中产生的损耗时使用混合模型。通过论述分析，选取硬件电路易于产生的一阶高斯脉冲作为窄脉冲信号。二是研究了超宽带在煤矿井下精确定位。分析井下基于AOA测距、基于RSS测距和基于TOA/TDOA测距等超宽带无线测距定位技术的优缺点；介绍有线信标节点同一授时定位方案、信标节点差分定位方案和变频转发估计定位方案等井下精确定位方案；最后结合泰勒（Taylor）和Chan氏算法的讨论，提出井下非视距条件下超宽带定位改进算法且进行仿真分析。三是分析了煤矿井下超宽带信号的穿透特性。从超宽带信号应用于矿井下进行穿透探测的基本原理出发，分析研究塌方体的主要构成介质——石块和混凝土的相对介电常数，构建理想化塌方体介质；然后通过超宽带信号的穿透性能构建目标散射点模型和目标回波模型；最后根据矿井塌方的实际情形选取实孔径阵列。同时基于平面电磁波理论，分别研究在极化方向、入射角和损耗角正切不同的情况下，岩石、混凝土及其他复杂塌方体介质对各种频率超宽带电磁波的衰减特性。四是研究了超宽带信号穿透双层塌方体的衰减特性。通过仿真分析，可知超宽带信号在经过双层塌方体后其波形的振幅会衰减，塌方体厚度越大，穿透波的时延越大。随着信号穿透塌方体的层数增加，反射波中峰值信号的振幅越小，信号波动越频繁，这加大了提取目标信号的难度。另外，在信号的反射波中可以发现，反射波的峰值信号可以表示塌方的层数、反映塌方的严重程度。同时，根据井下的复杂环境提出一种适用于井下的经验模态分解和小波阈值滤波相结合去除直达波的方法。通过与经验模态分解法进行仿真对比，得出经验模态分解和自适应的小波阈值滤波相结合的方法，可有效去除回波信号的直达波，充分保留信号的局部特征，极大地提高了获取目标信号的可行性和准确性。五是研究了煤矿井下超宽带信号穿透塌方体生命特征检测方法。超宽带信号在矿井下穿透传播过程中，由于受到各种不同电磁特性介质的影响，导致有用的回波信号受到谐波干扰而难以分离。针对井下超宽带信号杂波具有不平稳性的特点，采用基于SVD与EMD联合算法，建立矿井下超宽带信号的传播过程模型。采用SVD方法滤除杂波分量，检测塌方体下生命信号，应用经验模态分解算法将回波信号分解为若干IMF分量，并在时域上分析生命特性曲线，在信干比高的情况下分开呼吸与心跳信号。实验仿真结果表明，该算法可以估计塌方体后生命体的距离信息，同时重构目标生命体呼吸、心跳的时频波形信息，因此适用于塌方体下的非接触式生命检测。六是研究了煤矿井下超宽带回波信号的杂波抑制方法。从矿井下塌方背景环境出发，分析矿井下杂波出现的原因；然后结合矿井下杂波起伏剧烈的情况，分析几种传统波谱分析方法的优点和缺点，提出基于EMD和ICA-R的方法，并对ICA-R方法进行改进，改进的方法解决了井下因杂波起伏剧烈导致目标信号分离困难的问题。同时，针对巷道壁和塌方体引起的多径效应问题，从回波信号的数学模型出发，分析超宽带回波信号中的塌方体杂波在井下穿透传播过程中具有变化缓慢及目标信号变化较大的特点，据此，提出一种基于PCA和SaS结合的杂波抑制算法。在仿真和实验中，所提的联合方法表现出对塌方体杂波良好的抑制能力。七是研究了煤矿井下超宽带信号穿透塌方体成像算法。首先，针对矿井巷道狭长障碍物电磁参数未知的问题，在传统的信号传播理论模型基础上，该书采用Ray-tracing技术对超宽带信号在井下的穿透传播过程进行时域模拟分析，最后通过SVM算法对回波样本数据进行训练得到一个分类器，对于任意的输入信号都可以直接计算出对应目标信号的物理信息。该算法避免了计算井下复杂塌方体的电磁参数，解决超宽带信号在井下传播时的非线性和病态性。仿真结果表明，采用Ray-tracing与SVM结合的算法可以很好地对塌方体未知情形下隐藏目标的基本类别进行区分。

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