[0001] 本发明涉及应急救援领域，特别涉及一种面向矿山钻孔救援的超宽带雷达穿透探测实验平台。

[0002] 一旦发生矿难，在最短时间内将被困人员救援至地面是挽救作业人员生命最有效的手段。

[0003] 矿山垂直钻孔救援技术是以拯救生命为目的，运用工程技术、物探技术、通信技术等高新技术的应急救援技术。但在垂直钻孔救援过程中，易发生探测区域巷道坍塌或终孔位置偏移，导致无法对井下被困人员的位置进行探测与确定，从而耽误救援的黄金时间，影响人员生命安全。因此，抗干扰性能强、兼具高低频、穿透性能良好、厘米级分辨能力、脉冲时间极短、能够进行非接触探测物体的超宽带雷达波成为现阶段生命探测领域的研究热点。

[0004] 矿山救援过程中环境恶劣，煤岩赋存条件复杂，电磁波在复杂煤岩介质中的传播衰减规律和目标定位最佳雷达参数缺少理论数据支持。因此面向矿山钻孔救援的非接触式生命信息探测雷达实验平台的研发成为亟需解决的问题。

[0071] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明专利的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0072] 需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明专利的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0073] 具体实施例1

[0074] 一种面向矿山钻孔救援的超宽带雷达穿透探测实验平台，由UWB雷达探测系统1、穿透介质控制系统2、信号采集与分析系统、探测目标体控制系统组成，其中：

[0075] 所述UWB雷达探测系统1以嵌套形式设置于所述穿透介质控制系统2的中心处，所述UWB雷达探测系统1的输出端通过网络连接线18与所述的信号采集与分析系统的输入端相连；

[0076] 所述探测目标体控制系统的一端与所述穿透介质控制系统2的外边缘相连。

[0077] 进一步地，所述UWB雷达探测系统1整体为圆柱体件，所述UWB雷达探测系统1设有内腔，所述UWB雷达探测系统1的顶侧设置有UWB雷达探测系统电源按钮19、UWB雷达探测系统信号连接口20、UWB雷达探测系统充电口21；

[0078] 所述UWB雷达探测系统1的内腔的中上部设置有电池及供电控制模块22、数据采集模块23、数据传输模块24、主控模块25；

[0079] 所述UWB雷达探测系统1的内腔的中下部设置有第一蝶形发射天线26、第二蝶形发射天线27、第一蝶形接收天线28、第二蝶形接收天线29，其中：

[0080] 所述UWB雷达探测系统电源按钮19分别与电池及供电控制模块22、UWB雷达探测系统充电口21通过高温线连接，用于实现UWB雷达探测系统1的电路供电控制和充放电控制；

[0081] 所述主控模块25分别与所述电池及供电控制模块22、数据采集模块23、数据传输模块24通过高温线相连；

[0082] 所述数据采集模块23分别与第一蝶形发射天线26、第二蝶形发射天线27、第一蝶形接收天线28、第二蝶形接收天线29通过馈线相连，用于实现电磁波的发射和雷达回波数据采集；

[0083] 数据采集模块23的输出端与数据传输模块24输入端通过网络信号线的方式相连接，数据传输模块24的输出端与UWB雷达探测系统信号网络连接口20的输入端通过网络信号线的方式相连接。

[0084] 更进一步地，第一蝶形发射天线26的频率为100MHz；

[0085] 第二蝶形发射天线27的频率为100MHz；

[0086] 第一蝶形接收天线28的频率为100MHz；

[0087] 第二蝶形接收天线29的频率为100MHz。

[0088] 进一步地，所述穿透介质控制系统2由第一介质容器30、第二介质容器31、第三介质容器32、第四介质容器33、湿度与温度控制模块3组成，其中：

[0089] 第一介质容器30、第二介质容器31、第三介质容器32、第四介质容器33从内到外依次嵌套；

[0090] 第一介质容器30、第二介质容器31、第三介质容器32、第四介质容器33的底部与湿度与温度控制模块3的顶侧固接；

[0091] 第一介质容器30中内嵌有所述UWB雷达探测系统1，所述UWB雷达探测系统1的底部与所述湿度与温度控制模块3的顶侧固接；

[0092] 所述穿透介质控制系统2的外侧设有环状滑轨装置4，所述环状滑轨装置4内设有滑轨槽5。

[0093] 第一介质容器30、第二介质容器31、第三介质容器32、第四介质容器33，相邻的两个介质容器的间距30cm。往介质容器各层填充煤岩等介质可构建不同厚度的单一、混合介质环境。其中：

[0094] 湿度与温度控制模块3包括雾化加湿器34、加热管35。雾化加湿器34、加热管35电力由大功率移动电源17提供。加热管35通过加热空气，热空气经由小孔36传导至介质容器的煤岩等介质。雾化加湿器34增加空气湿度，悬浮小水滴经由小孔36飘散附着浸润煤岩介质，改变介质容器中煤岩介质和煤岩介质间隙空气湿度。

[0095] 更进一步地，所述第一介质容器30、第二介质容器31、第三介质容器32、第四介质容器33均采用亚克力制成。亚克力材质不会影响电磁波的传播。

[0096] 进一步地，所述湿度与温度控制模块3设置有六个雾化加湿器34、三个加热管35。可通过调节加热管35和雾化加湿器34参数调节介质容器内介质的温度和湿度。

[0097] 进一步地，所述湿度与温度控制模块3与信号采集与分析系统中大功率移动电源17通过电源线方式相连。

[0098] 湿度与温度控制模块3内部设有六个雾化加湿器34和三个加热管35，雾化加湿器34和加热管35电力由大功率移动电源17提供，通过调节雾化加湿器34、加热管35参数改变穿透介质控制系统2内的温度、湿度。

[0099] 进一步地，所述信号采集与分析系统包括信息采集与处理系统外壳13、工业级电脑一体机14、频谱分析仪15、示波器16和大功率移动电源17，其中：

[0100] 工业级电脑一体机14、频谱分析仪15、示波器16和大功率移动电源17分别嵌设于信息采集与处理系统外壳13的内腔中；

[0101] 所述工业级电脑一体机14的操作界面的一侧设有电脑开关按钮37、USB信号接口37、VGA信号接口39、四芯航插信号接口40；

[0102] 所述频谱分析仪15设有频谱分析仪操作面板41和频谱分析仪信号接口48；

[0103] 所述示波器16设有示波器操作面板42和示波器信号接口47；

[0104] 所述大功率移动电源17设有USB输出接口43、三芯输出接口44、大功率移动电源充电接口45、二芯输出接口46；

[0105] 所述大功率移动电源17分别与工业级电脑一体机14、所述频谱分析仪15、所述示波器16电性连接；

[0106] 所述工业级电脑一体机14分别与所述频谱分析仪15、所述示波器16通过usb数据连接线相连；

[0107] 所述UWB雷达探测系统1的输出端与网络连接线18的一端相连，所述网络连接线18的另一端分别与频谱分析仪15的输入端、所述示波器16的输入端相连，频谱分析仪15和示波器16分析UWB雷达回波信号特征，并在工业级电脑一体机14上实现可视化显示。

[0108] 进一步地，所述探测目标体控制系统包括滑轨连接装置6、探测目标体控制系统底座7、滑轨凹槽8、滑轨轮电机控制模块9、目标探测板10、紧固条11、滑轨轮12，其中：

[0109] 所述滑轨连接装置6与所述探测目标体控制系统底座7的一端通过螺栓固接，所述滑轨连接装置6与所环状滑轨装置4相适应，通过所述滑轨连接装置6与所述环状滑轨装置4实现了所述探测目标体控制系统与所述穿透介质控制系统2的连接；

[0110] 所述探测目标体控制系统底座7的顶侧设有滑轨凹槽8，滑轨轮电机控制模块9与所述滑轨凹槽8相适配，所述滑轨凹槽8与滑轨轮电机控制模块9通过滑轮嵌套相连；

[0111] 所述目标探测板10与滑轨轮电机控制模块9通过可调节螺栓相连；

[0112] 所述滑轨轮电机控制模块9与所述紧固条11通过螺栓固接；

[0113] 所述滑轨轮电机控制模块9与滑轨轮12通过轴过渡配合固接。

[0114] 滑轨连接装置6与环状滑轨装置4将穿透介质控制系统2和探测目标体控制系统连接，借助环状滑轨装置4和滑轨连接装置6，探测目标体控制系统底座7可绕穿透介质控制系统2实现360°旋转，实现目标探测板10相对雷达的角度变化。

[0115] 滑轨轮电机控制模块9与目标探测板10通过可调节螺栓相连，滑轨轮电机控制模块9与紧固条11通过螺栓结构固接，滑轨轮电机控制模块9与滑轨轮12通过轴过渡配合固接。滑轨轮电机控制模块9、紧固条11、滑轨轮12形成一个稳定的三角结构，滑轨轮12可在滑轨凹槽8前后滑动，带动目标探测板10，实现目标探测板10相对雷达的位置距离变化。

[0116] 进一步的，所述UWB雷达探测系统1整体为圆柱形，UWB雷达探测系统1的直径为15cm，高为150cm，UWB雷达探测系统1的外壳采用PVC材质制备而成。使用条件为：环境温度在‑10～50℃范围内，周围空气相对湿度不大于95％(25℃时)且处于无显著震动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀性气体环境中。

[0117] 进一步的，第一介质容器30的形状为圆柱体，高为150cm，内径为45cm；

[0118] 第二介质容器31的形状为圆柱体，高为150cm，内径为75cm；

[0119] 第三介质容器32的形状为圆柱体，高为150cm，内径为135cm；

[0120] 第四介质容器33的形状为圆柱体，高为150cm，内径为135cm；

[0121] 相邻的介质容器之间的间距为30cm。

[0122] 进一步的，所述穿透介质控制系统2的第四介质容器33的外围设置环状滑轨装置4，环状滑轨装置4与第四介质容器33通过嵌套的方式相连，环状滑轨装置4的内径为135cm，外径为160cm，高为20cm，环状滑轨装置4的内部的滑轨槽5的宽为5cm，环状滑轨装置4内部滑轨槽5通过滑轮嵌套的方式与探测目标体控制系统底座7相连。

[0123] 进一步的，所述湿度与温度控制模块3的外壳的直径为135cm，高为20cm，内置加热管35和雾化加湿器34的工作电压为220v，可调控介质容器最高温度为45℃，最高湿度为95％。

[0124] 进一步的，所述信号采集与分析系统的金属外壳长宽高尺寸为60cm*60cm*100cm，外壳后方设置四个散热风扇，由大功率移动电源17提供电力。

[0125] 工业级电脑一体机14为内嵌入式，屏幕尺寸10.4寸，能够触屏操作。大功率移动电源17功率为5500W、工作电压为220V，长宽高尺寸为50cm*30cm*43cm。

[0126] 进一步的，所述探测目标体控制系统，滑轨连接装置6采用滑轨和固定滑轮嵌套的形式实现探测目标体控制系统绕介质容器360°的角度改变。滑轨轮电机控制模块9与紧固条11通过螺栓结构固接，滑轨轮电机控制模块9与滑轨轮12通过轴过渡配合固接。滑轨轮电机控制模块9、紧固条11、滑轨轮12组成一个稳定的三角结构，作为支撑底座连接目标探测板10，其中目标探测板10与支撑底座采用活动螺栓结构连接，目标探测板10和支撑底座的角度可以调节变换，调节范围为0°～90°。

[0127] 进一步的，所述探测目标体控制系统滑轨平台长宽高尺寸为500cm*30cm*20cm，内置滑轨凹槽8两条，长宽高尺寸为480cm*5cm*10cm，滑轨连接装置6长宽高尺寸为30cm*10cm*20cm。

[0128] 进一步的，所述探测目标体控制系统中滑轨轮电机控制模块9与紧固条11通过螺栓结构固接，滑轨轮电机控制模块9与滑轨轮12通过轴过渡配合固接。滑轨轮电机控制模块9、紧固条11、滑轨轮12组成一个稳定的三角结构，作为支撑底座连接目标探测板10，滑轨轮电机控制模块9配备独立电源，可通过红外遥控控制电机转动，带动滑轨轮12在滑轨凹槽8上前后移动，实现支撑底座的远距离遥控移动。

[0129] 进一步的，所述探测目标体控制系统目标探测板10可更换，根据实验要求可更换为用于UWB雷达定位零点矫正的铜板、接近人体介电系数的复合材料板。目标探测板10的长为130cm、宽为50cm、厚为5cm。

[0130] 使用时，通过往穿透介质控制系统2中的第一/第二/第三/第四介质容器30/31/32/33填充不同种类介质，搭建不同种类、不同厚度介质环境，利用湿度与温度控制模块3改变介质环境的温度和湿度，可实现不同介质种类、不同介质厚度、不同温度、不同湿度四种关键参数下的环境搭建。

[0131] 所述探测目标体控制系统的一端与穿透介质控制系统2的外边缘相连接，可通过调整探测目标体控制系统在滑轨槽5和滑轨轮12在滑轨凹槽8上的位置来改变目标探测板10与UWB雷达探测系统1的相对距离与角度。

[0132] UWB雷达探测系统1中的第一/第二蝶形发射天线26/27发射电磁波，电磁波穿过穿透介质控制系统2对目标探测板10进行探测，雷达探测回波被的第一/第二蝶形接收天线28/29接收。UWB雷达探测系统1所采集的雷达探测回波数据通过网络连接线18单向传输至信号采集与分析系统。

[0133] 综上，本发明提供了一种面向矿山钻孔救援的超宽带雷达穿透探测实验平台，可为面向钻孔救援的UWB雷达构建电磁波衰减、目标体探测定位实验环境，获取不同环境场景雷达关键参数。本发明可作为雷达研制前期研发实验测试和样机性能检测实验平台。通过穿透介质控制系统，构建不同种类、不同厚度、不同温度、不同湿度的煤岩介质探测环境，开展不同探测环境下的电磁波衰减、目标体探测定位实验，获取不同环境场景雷达关键参数。通过探测目标体控制系统设置不同角度、不同距离、不同辐射面大小的目标体；UWB雷达探测系统1穿透介质探测目标体，信号采集与分析系统获取并可视化显示雷达回波信号。通过设置不同雷达探测工作频率，分析不同介质环境下的雷达回波信号能量幅值和波形相位参数，得出不同探测环境下的电磁波衰减规律，对比雷达回波信号所得目标体位置(角度、距离)与目标体实际位置(角度、距离)，选取雷达探测最优工作频率，为进一步的雷达设备研发提供技术数据支撑。

[0134] 具体实施例2

[0135] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0136] 第一蝶形发射天线26的频率为200MHz；

[0137] 第二蝶形发射天线27的频率为200MHz；

[0138] 第一蝶形接收天线28的频率为200MHz；

[0139] 第二蝶形接收天线29的频率为200MHz。

[0140] 具体实施例3

[0141] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0142] 第一蝶形发射天线26的频率为400MHz；

[0143] 第二蝶形发射天线27的频率为400MHz；

[0144] 第一蝶形接收天线28的频率为400MHz；

[0145] 第二蝶形接收天线29的频率为400MHz。

[0146] 具体实施例4

[0147] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0148] 第一蝶形发射天线26的频率为600MHz；

[0149] 第二蝶形发射天线27的频率为600MHz；

[0150] 第一蝶形接收天线28的频率为600MHz；

[0151] 第二蝶形接收天线29的频率为600MHz。

[0152] 具体实施例5

[0153] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0154] 第一蝶形发射天线26的频率为800MHz；

[0155] 第二蝶形发射天线27的频率为800MHz；

[0156] 第一蝶形接收天线28的频率为800MHz；

[0157] 第二蝶形接收天线29的频率为800MHz。

[0158] 具体实施例6

[0159] 与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于：

[0160] 第一蝶形发射天线26的频率为1000MHz；

[0161] 第二蝶形发射天线27的频率为1000MHz；

[0162] 第一蝶形接收天线28的频率为1000MHz；

[0163] 第二蝶形接收天线29的频率为1000MHz。

[0164] 上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。