探地雷达接收机系统在煤矿中的应用设计.pdf

第4 7 卷第l 0 期 煤炭工程 C 0AL E NGI N EE RI NG Vo 1 ． 4 7， No ．1 0 do i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 51 0 0 0 9 探地雷达 接收机 系统在煤矿 中的应 用设计 韩晓冰，李守杰，杨静雅 西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要针对 当下煤矿安全以及煤矿开采的探究 ，设计 了一种能够探测煤层厚度以及周围其 它介质的探地雷达接收机 系统。接收机前端射频部分的天线接收到信号后 ，利用接收机设计所需 要的低噪 声放 大 器，将接 收 到的微 弱信 号放 大，然后 进行 采样 完成数 据信 息 的采 集。通过 C y c l o n e I V 系列 F P G A开发板完成数据 处理 ，并采用 自适应 算法中的 最小均方误差 实现数据 处 理。研 究设计的接收机 系统可以应用在煤矿开采 区，通过超前探测获得煤矿开采 区的数据 ，从而 确保 了煤矿开采过程的安全 ，也可以提 高煤矿开采的生产效率。 关键 词 探 地 雷达 ；接 收机 ；F P G A；发 射 系统 ；超 前探 测 中图分类号T D 1 6 6 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 1 0 - 0 0 2 6 - 0 4 App l i c a t i o n o f Gr o un d Pe ne t r a t i ng Ra da r Re c e i v e r Sy s t e m i n Co a l M i ne H A N X i a o b i n g ，L I S h o u j i e ，Y A N G J i n g y a C o l l e g e o f C o mm u n i c a t i o n a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ，X i a u U n i v e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i n u 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e c u r r e n t e x p l o r a t i o n o f c o a l mi n e s a f e t y a n d c o a l mi n i n g，a g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r r e c e i v e r s y s t e m w a s d e s i g n e d t o s u r v e y t h e c o a l s e a m t h i c k n e s s a n d o t h e r me d i a a r o u n d ． Af t e r r e c e i v i n g s i g n a l s b y t h e a e r i al a t t h e f r o n t e n d o f t h e s y s t e m， t h e l o w n o i s e a mp l i fi e r c o u l d b e u s e d t o a mp l i f y t h e s i g n a l s ． T h e n h i g h s p e e d s a mp l e w o u l d b e t a k e n t o c o mp l e t e t h e d a t a a c q u i s i t i o n ． T h e d a t a p r o c e s s i n g c o u l d b e fi n i s h e d i n Ah e r a ，s F P GA d e v e l o p me n t b o a r d C y c l o n e I V． L MS me t h o d i n s e l f a d a p t i v e a l g o r i t h m c o u l d b e u s e d ． T h i s r e c e i v e r s y s t e m c a n b e a p p l i e d i n c o a l mi n e e x p l o r a t i o n a r e a ， t h e d a t a o f c o al mi n i n g a r e a c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h a d v a n c e d d e t e c t i o n ． I n t h i s wa y t h e s afe t y o f c o al mi n i n g c a n b e g u ara n t e e d a n d t h e p r o d u c t i o n e ffic i e n c y c a n b e i mp r o v e d ． Ke y wo r d s g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d ar ； r e c e i v e r ；F P GA； t r a n s mi t t i n g s y s t e m ；a d v a n c e d d e t e c t i o n 1概述 探地雷 达是 近些 年迅速 发展起 来 的一种 ，能 够确定 地 下介质种类 ，以及介 质分 布状况 的光谱 电磁 技术 。探地 雷 达技术是通过发射系统向地下发射中高频电磁脉冲波，利 用地下不同介质 电性参数的差异 ，根据接收系统收到的回 波信号的振幅、波形和频率等运动学特征来分析和推断， 从 而得 出地 下 介 质 的 地 质 结 构 ，以及 地 下 介 质 的种 类 。 1 9 7 5年唐山煤矿与重庆煤研所合作，在厚度 1 ． 4 7 m煤层 中，测出的煤厚绝对误差平均为 0 ． 2 5 m，尽管探测深度很 小 ，但试验初步成功对煤矿探测有很 大的意义。到 2 0 1 2 年 ，中国的探地探测技术已经和国外的技术相当，特别是 在煤矿的超前探测技术上有了很大的突破 J 。 2 6 文 中采用探地 雷达无 线探 测技术 ，利 用微带 天线 的优 点以及射频前端电路设计 ，完成了一种无线探测接收系统 的设计。能够探测煤层 的厚度以及煤层周围的其他物质， 从而使得煤矿开采 过程 中不浪 费资 源 ，也减少 煤矿 事故 的 发生。在对于数据信号处理分析方面，使用了当前 比较流 行 的 F P G A技术 ，可 以并 行处 理数 据 ，采用 流水 线 的处理 模式，使得信号采集处理过程 中避免了时间的浪费，提高 了效率。对于整个系统的研究 ，达到了探地雷达接收系统 的要求，可以应用在煤矿开采中，对于以后的煤矿开采超 前探测有一定 的实际应用价值 。 2系统设计 无线探测接收机研究与设计的结构如图 1所示 ，天线 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 2 3 基金项目陕西省教育厅科学研究计划项 目 1 4 J K 1 4 7 0 作者简介韩晓冰 1 9 6 8一 ，男 ，陕西西安人 ，教授，从事矿山通信 与无线检测的研究，Ema i l 3 7 4 6 049 7 3 q q c o m o 引用格式韩晓冰，李守杰，杨静雅．探地雷达接收机系统在煤矿中的应用设计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ， 4 7 1 0 2 6 2 9 ． 2 0 1 5年第 1 0 期 煤炭工程 的设计至关重要，课题研究可以采用微带天线来完成，文 中设计的接收机探测的深度较深，以及介质 的介 电常数不 同，设计中心频率为 1 0 0 MH z的微带天线 ；在接收信号的 过程中，信号很微弱，在射频接收机前端，低噪声放大器 是必不可少的，当小信号通过低噪声放大器放大以后，利 用 F P G A数字化处理之前 ，根据奈奎斯特准则对高频模拟 信号进行采样收集 ，根据前面天线的中心频率，设计匹配 的采样电路，完成数字信号的采集 ，然后在 F P G A中应用 最小二乘 自适应算法实现信号的处理，通过串口输出 V G A 显示，能够实现信号的区别，并且得出相应的结果。 图 1 接收 机设 计结构框 图 2 ． 1天线 的设 计 根据微带天线理论分析 ，以及系统方案中对微带天线 的要求 ，结合缝 隙结构和分形结构，采用半波长法设计了 一 种工作在中心频率为 1 0 0 MH z的微带天线。该方案 的基 本模型如图2所示。 图 2 矩形微带天线模型 1 lll I l 1 假设微带天线的有效长度为 ，则有 A ／ 2 式中，A 表示导波波长，有 Ao ￡ 式 中 ，A 。 表示 自由空 间波 长 ， 表示 有效 介 电常数 ， 的计算公式 一 ⋯1 2一 告 寺 占 c I l _ J 其中， 为基板介质的相对介 电常数，h表示介质层 的厚度 ，m m； 表示贴片的宽度 ，m m；这样就可以计算出 矩形微带贴 片的实际长度 2 c 1-2 √ e 0 ／ 占e 式中，C表示真空中光速 ， n ／ s ； 表示接收系统中天 线工作的频率，H z ；并且有 ⋯ - 2 矗 矩形贴 片的宽度可 由下 面公式计算 豢 。 参考地的长度 和宽度 可以依据公式 L 6 ， w 6 计算得出，馈点的位置坐标 ，Y 利用公式 Y f 0 ， X f L ／ 2 √8 L L 来完成。以上所有理论计算中出现的 h都是在 h 的约束之下完成 。根据以上公式计算，得出本文 2 喇o s 设计的中心频率为 1 0 0 MH z 的微带天线参数见表 1 。 表 1 中心频率为 1 0 0 MHz天线的参数l l U n 旦墨 生 兰 数值7 1 4 ． 3 9 1 2 ． 8 7 1 7 2 ． 2 0 4 ． 3 7 5 6 ． 3 9 5 4 ． 8 在设计微带天线过程中，在确定 了以上表 中参数后， 还需要确定同轴线馈 电的位置，这是因为馈电位置会影响 天线的接收信号的性能，在微带天线设计中通常使用 5 0 fl 的标准阻抗 。 2 ． 2 低噪 声放大器 L N A 低噪声放大器是指 本身 噪声 系数对 应用 电路影 响不 大 且自身噪声系数很低的放大器。在接收系统中，天线接收 到的信号很多时候都是很微弱的，如果应用其他的放大器， 放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重 ，因此，为了 减少这种干扰，提高输出的信噪比，选择低噪声放大器是 至关重要的。理想放 大器 的噪声 系数 F1 0 d B ，根据 系 统前面的设计要求，需要能够放大频率为 1 5 0 MH z 左右的 信号，查找资料可以得出，芯片型号为 MA X 2 6 6 5的低噪声 放大器，符合系统设计 的要求，MA X 2 6 6 5是工作 自7 5～ 2 3 0 MH z 频段的低噪声放大器，低噪声放大器电路原理设计 如图 3所 示。 图 3 低噪声放大器 电路原 理图 M a x i m推出专为 V H F射频应用设计 的低噪声放大器 M A X 2 6 6 5 。这个型号的低噪声放大器，完全集成了 L N A的 基本方案，在文中只需要一个匹配电感，以及相应的滤波 2 7 煤炭工程 2 0 1 5年第 1 0 期 电路，就可以完成板级设计 ，在后期电路制作过程中，极 大地减小电路板的尺寸。Ma x i m先进的 C MO S工艺使得这 款结构紧凑的宽带 L N A的性能优于 目前大多数竞争方案。 当出现较高信号电平时，内置的旁路开关将 L N A置于旁路 模式 ，有效节省 电能 、保护 L N A。 2 ． 3 AD采样 探地雷达系统 主要包括 发射 和接 收两部 分 ，而 与发射 系统不 同，接收 系统的技 术方 案实现 途径 比较多 ，电路 的 变换以及信号处理方面都有许多的方式方法。很多工程实 践结果表明 ，接收机性 能 的好 坏往 往是决 定探 地雷达 整体 系统性能的核心因素。根据 奈奎斯特采样定律 采样信号 频率至少大于等于被采样信号的最高频率的 2倍。系统的 中心频率为 1 0 0 MH z ，其发射信号的最高频率为 1 3 0 MH z ， 理论上 A D C的采样率至少为 2 6 0 m s ／ s才能无失真地采样。 而目前市场上 1 6位的 A D C最高采样率都 比较小，所以文 中采用等效采样对接收信号进行采样。这就对 A D C采样率 的要求大大降低 ，一般几 m s ／ s 就可以满足要求。 等效采样 的基本原理是把高频 ，快速信号变成低频 ， 慢速的重复信号。也就是一般在周期信号的连续周期或间 隔相同的几个周期取样 ，每个取样点分别取 自连续周期或 者间隔周期的每个输入信号波形不同的位置上，得到的 N 个取样点 ，在构成一个周期，完成原始信号波形 的重构 ， 每经过一个连续周期进行采样一次的等效采样原理与信号 重构 的过程如 图 4所示 。 ／ r ＼ ／ 1 s t 2 S 3 8 4 S s 。堡垒 l 似 号 图 4 等效采样示意 图 综上考虑 ，本文 中接受 系统 设计 选择 了 n e a r 公 司的 L T C 2 2 5 9系列作为系统的信号采样器件 ，采样芯片 L T C 2 2 5 9 外 围电路原理 图如 图 5所示 。 相比传统四管平衡门采样头 5 0～ 6 0 d B的动态范围，使 28 图 5 A D 采样原理 图 用 A D C采样提高了系统的整体动态范围。其内部的 S ／ H模 块在性能上要优于传统的模拟采样头，A D C可以满足频率 在4 0 0 MH z 以下信号的采样，相对而言是非常适合用于深 层煤 矿超 前探 测的接收机系统。 2 ． 4 F P G A数 据 处理 随着信息化时代的发展，人们对于数据处理的速度和 效率都有很高的要求，通过对自适应算法的深入研究 ，发 现了新的算法并对 自适应算法进行了很大的改善，优化了 数据处理的速度和效率。伴随着数字信号处理、E D A技术 的出现 ，使得 自适应算法的发展更加迅速 ，目前 自适应算 法 的实现方法 大致 可 以分 为三 类 分别 为软件 实现法 、硬 件实现法以及软硬件结合实现法 j 。自适应系统的调节是 通过不同信号根据环境的不同实现 自我调整。其非线性主 要表现为自我调节 ，当系统的输入端输入信号仅为期望信 号或者有用信号，那么完全可以把它看作是一个全通滤波 器，但是当系统的输入信号中含有其他信号比如噪声或者 强干扰时，这时，就可以将它看作是一个带通滤波器。 自适应系统的优点就是它能够很好的 “ 学习”各个信 号的特性 ，根据其 优点调 整 自身性能 ，只要 自适 应 系统完 成了学习的过程，那么这个系统就会稳定工作。当输入信 号发生了变化，或者有不同信号输入时，那么这个同步学 习将会继续，从而自适应地调整该系统的属性达到跟踪学 习信号的目的。 文中在利用 自适应 算法 的过程 中，应用 了其 中 的最 小 均方误差算法。最小均方误差中的 自适应算法每次迭代前 都需要知道性能曲面上某点的梯度值，而实际上梯度值只 能根据观测数据进行估计。L M S算法 中最大的优点就是 ， 均方误差的梯度估值不是取 的最短项平均值 ，而是简单 地取了调整误差 本身作为梯度估值。L MS 算法的实现原 理如 图 6所示 。 图 6 L MS算法的实现原 理图 L M S算法的计算过程包括将输入信号 与权值 的各 分量对应相乘并累加得到实际输出 ；在将实际输出的 与输入信号 的期望输出 相减得到调整误差 ；然后调 整 ，使其为误差步长的 2倍即2 ，得到一个中间结果 A； 中间结果 A再与输入 相乘又得到一个中间结果 B；这时 的中间结果量 B ，是一个向量，它与原来的权值中的每一个 分量对应相加，得到一个新的权值向量，以便下次输入信号 进行以上的重复步骤，如此循环下去，实现了自适应。 现场可编程门阵列 F P G A 的出现是超大规模集成电路 技术和计算机辅助设计 C A D 技术发展 的结果 ] 。本课题 2 0 1 5年第 l 0 期 煤炭工程 利用 F P G A完成数据处理是由于其有如下优势 1 现场可编程门阵列的集成度高。最大的现场可编程 门阵列 F P G A的最大集成度高达 4 0 0万门电路，并且集成 度仍在提高。 2 现场可编程门阵列速度快。工作频率可达 1 5 0 M Hz ， 比普通数 字电路快 3～ 4倍 。 3 现场可编程门阵列工作可靠。一般不存在处理器复 位 、死机和程序跑飞等问题。 4 现场可编程 门阵列低功耗。工作 电压可为 3 ． 3 V、 2． 5V。 5 现场可编程门阵列设计方便，可以通过用户编程实 现专门的应用功能。电路设计者可以利用计算机的开发平 台，通过逻辑设计 ，完成需要设计的电路以及相应代码 ， 通过模拟信号输入、完成设计的仿真测试和校验，通过多 次的修正直到达到预期的结果，这样可以缩短系统的研制 周期 ，减少资金的投入。 3结论 本文详细的介绍了接收机的软硬件设计与实现 ，特别 是硬 件 部 分 的 电路 设 计 ，通 过 射 频 端 电路 使 得 增 益 在 4 5 d B，完成了信号的接收，放大，以及数据采集，在 F P G A 数据处理方面，利用了 F P G A高速处理信号的优点以及 自 适应算法。系统 总体研 究 与设计 中，采用 信号 带宽 为 6 0 MH z ，中心频率为 1 0 0 MH z。这样不但能够完成煤矿矿层 厚度的探测，还能实现煤矿周围其他媒质的探测 ，很好的 实现了最初设计 的目标。从而确保煤矿开采过程的安全 ， 还可以提高煤矿的生产效率。也就是说 中高频接收机可 以 应用在探地雷达煤矿超前探测中，对于以后的煤矿超前探 测有很大的实际应用价值 。 参考文献 [ 1 ] 粟毅，黄春琳， 雷文太．地质雷达技术在探测煤矿中的应 用 [ M] ．北 京 科学 出版社 ，2 0 0 6 ． 本文利用 F P G A完成 自适应算法的信号处理，其软件 [ 2 ] 实现 流程 图如图 7所示 。 图 7 软件流程 图 刘丽华 ，周斌．新 型超宽带 脉冲探地雷达接收机 的设计与 研制 [ J ] ． 系 统工 程 与 电 子 技 术 ，2 0 1 0，3 2 3 5 2 3 5 2 6． 肖兵 ，周翔．探 地雷 达技 术及 应用 和发 展 [ J ] ．物 探 与化探 ，1 9 9 6 ，2 0 5 3 7 8 3 8 3 ． 李振新 ．地质 雷达技 术及其 在煤 矿中 的应用 [ J ] ．矿业快 报 ，2 0 0 7 7 5 55 7 ． 曾昭发 ， 刘四新，冯匿．探地雷达原理与应用 [ M] ．北 京 电子工业 出版社 ，2 0 1 0 ． 夏常春．地质雷达探测技术在煤矿的应用 [ J ] ．山东煤炭 科技 ，2 0 0 9 1 24 ． 闻映红 ．天线 与电波传播理论 [ M] ．北京 清华大学 出版 ， 2 o o 5 ． S i m o n Ha y k i n ，A d a p t i v e F i l t e r T h e o ，F o u h E d i t i o n [ J ] ． P u b l i s h i n g Ho u s e o f El e c t r o n i c s i n d us t ，2 01 0 ． 刘 爱荣 ，王振成 ．E D A技术与 C P L D ／ F P G A开发应 用简 明教 程 [ M] ．北京 清华大学 出版社 ，2 0 0 7 ． 责任编辑赵巧芝 上接 第 2 5页 泥水处理成本，提高了末煤的回收率和发热量，为企业带 来了明显的经济效益和良好的环保效益。本文对弛张筛脱 粉在不同洗洗工艺选煤厂中的应用进行的介绍和讨论，对 目前不同工艺的选煤厂脱粉入洗改造和新建动力煤选煤厂 工艺选择都具有一定的参考意义。 参考文献 [ 1 ] 郑均笛．动 力煤脱 粉入洗 的必要性 分析 [ J ] ．煤炭 加工与 综 合利用 ，2 0 1 3 6 5 O一 5 3 ． [ 2 ] 王志坚，连永强，任晓玲．弛张筛深度筛分使煤泥减量化的 研究 [ J ] ．煤炭加工与综合利用 ，2 0 1 4 7 5 65 7 ． [ 3 ] 柳建华．郭 家湾选 煤厂洗 选工艺 的再优化[ J ] ． 洁净煤技 术 ，2 0 1 3 4 1 21 6 ． [ 4] 荆萍．红庆梁选煤 厂降 低块煤 入选下 限的研 究 [ J ] ． 洁 净煤技术 ，2 0 1 3 6 2 1 2 4 ． [ 5] 陶亚东 ．原煤 选前脱 粉技术 经济指 标探讨[ J ] ．洁净 煤技 术 ，2 0 1 3 1 3 O一3 2 ． [ 6 ] 巩固．寺河矿选煤厂洗末系统 3 m m干法脱粉工艺改造实 践 [ J ] ．选煤技术 ，2 0 1 3 6 3 94 2 ． [ 7 ] 付银香．K R L ／ D D 3 0 0 01 0曲张筛在 白岩选 煤厂 的应用 [ J ] ．选煤技术 ，2 0 1 2 5 6 36 4 ． [ 8] 戴 少康 ．选煤工艺设计实用 技术手册 [ M] ．北京 煤炭工 业出版社 ，2 0 0 9 ． 责任编辑杨蛟 洋 2 9 1 j 11 1J