煤层介质无线探测接收机设计论文.docx
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煤层介质无线探测接收机设计论文
论文题目:
煤层介质无线探测接收机设计
摘要
由于在煤矿生产和巷道挖掘的过程中,经常会遇到复杂的地质异常的情况,若事先未能探查清楚往往会造成塌方、突水和瓦斯突出等事故。
为减少危险事故的发生,因此迫切需要一种体积小、重量轻、操作简单快速且适宜煤矿井下有限工作条件的探测设备,用来探测开采煤层中大体积的水体和瓦斯空腔。
探测系统分为发射机部分和接收机部分,探地雷达接收机是本论文所要研究的主要工作。
本文首先回顾了探地雷达和探地雷达接收机的历史以及研究现状,然后介绍了介质电磁特性分析和煤层水体探测的系统框架,接下来对探地雷达接收机的简介、主要作用以及主要技术参数进行了说明,最后详细讨论了接收机系统组成的各个部分的电路图。
【关键词】:
探地雷达接收机,煤层,无线检测,低噪声放大器,ADC
【论文类型】:
论文
Title:
Coalmediumwirelessdetectionreceiverdesign
Major:
CommunicationEngineering
Name:
XXXSignature:
Supervisor:
XXXSignature:
ABSTRACT
Becauseincoalmineproductionandtheprocessoftunnelexcavation,complicatedgeologicalabnormalsituationwilloftenhappen.ifitfailedtodetectclearlybeforehand,andwillcauselandslides,waterinrushandgasoutburstaccident.Toreducetheriskofaccident,soiturgentlyneedsakindofsmallvolume,lightweight,simpleoperationquicklyandissuitableforthecoalmineoftheworkingconditionsofdetectionequipment,wichusedtodetectminingcoalseaminlargevolumeofwaterandgascavity.Detectionsystemisdividedintounitsoftransmitterandreceiver,andgroundpenetratingradar(GPR)receiverisamajorworkofthispaperistostudy.
Firstly,Thearticlereviewsthehistoryofgroundpenetratingradar(GPR),groundpenetratingradar(GPR)receiverandtheresearchstatus,thenintroducestheanalysisofmediumelectromagneticcharacteristicsandthesystemstructureframeofcoalbedwaterdetection.secondly,illUstratingGPRreceiverintroduction,mainfunctionswiththemaintechnicalparameters.Finally,discussingadetailedcircuitdiagramofeachpartofthereceiversystem.
【KEYWORDS】:
GPR,detection,Coalseam,wireless,lownoiseamplifier,ADC
【TYPEOFTHESIS】:
Thesis
1.绪论
1.1论文背景及研究的目的和意义
由于雷达的组成部分---雷达接收机广泛应用于科学技术和现代军事中,人们希望雷达接收机能够提供优异的性能,来达到人们所希望的目的,因而对它提出了更高的要求。
分辨率要求高、灵敏度要求高、集成度要求高、数字化要求高、可靠性要求高以及要求抗干扰能力比较强,这些特点是探地雷达接收机具有的特点。
现代的雷达具有不同的类型、不同的体制和不同的波段来区分,因而所使用的接收机的方案也会有所不同的。
随着科学技术的快速发展,一些新材料和新工艺在接收机方面得到了普遍的应用,接收机体积结构的小型化成为人们主要研究的重点方向。
,为了能够去实现各种微型化片式元器件和单片集成电路的系统集成,人们运用芯片组装和多层基板技术以及微封装工艺,然后这样就出现了在设计雷达接收机时,越来越多的现代雷达接收机中的集成器件都具有各种高性能和小体积。
由于为了提高雷达接收机的性能和技术指标方面可以通过微型器件的高性能来实现。
探地雷达(GroundPenertratingRadar)简称GPR,是一种用于探测地下隐藏目标或确定地下介质整体结构分布的有效手段,它是最近几十年发展起来的。
它是通过对接收波信号的采集,研究和处理,根据当介质电磁特性不连续时会产生电磁波反射和散射现象,实现对隐藏目标的检测、成像,进而实现目标的定位与识别。
探地雷达所发射的电磁波信号能够穿透非金属,探测深度有一个较大范围,可以探测很深或者很浅的隐藏物体,探测深度可能大概为几厘米到几十米不等。
探测雷达技术促进了人类认识和改变客观世界的能力和提高,同时也伴随着人类对客观世界认识的需求而不断发展创新。
近几年来,我国政府对“煤矿安全”问题的话题及其高度关注,同时全社会人们也特别在意这个问题。
例如:
煤矿瓦斯、煤层自燃、煤尘、地下水和煤层顶底板等成为影响煤矿安全的一些主要因素,对于这些因素的分析归根结底来说都是地质问题。
环境条件比较复杂是煤矿所具有的特点,而且它产生的灾害也比较严重。
因此,能够精确地探测到地下的环境情况,确保煤矿的安全以及煤矿的高效生产是非常重要的,需要研究人员的不断研究与探索。
在煤矿生产和隧道挖掘的工程中,经常要事先探查清楚适不适合工作,要不然当遇到复杂的地质异常的情况,往往会造成塌方、突水和瓦斯突出等事故,也就造成了一定的经济以人身安全的因素。
因此体积小、重量轻、操作简单快速且适宜煤矿井下有限工作条件的一种设备是人们所希望拥有的。
一种人们用来确定地下介质分布的广谱(1MHz~1GHz)电磁技术就是被人们称作为地质雷达,也就是探地雷达。
它是通过天线向地下发射高频电磁脉冲波信号,利用地下各种介质的电磁特性所具有的的差异问题,根据接收波信号的一些特征,如:
振幅、波形和频率等来研究和推断地下的介质结构特点。
随着电子技术的迅速发展,现在的探地雷达设备越来越受到煤矿的青睐,因为它具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优点,因而被人们广泛应用于煤矿的含水层、塌方、断层、风化带、采空区、陷落柱、裂隙带、煤层瓦斯突出等灾害隐患的探测,然而却不像早期的探地雷达那么的庞大笨重以及给探测方面所带来的不便。
1.2国内外研究现状
1.2.1探地雷达历史及研究现状
德国人Hulsmyeer在1904年第一次来探测地表面以下的金属目标体采用电磁波信号。
1910年,通过对地下目标体进行定位时,运用电磁波信号的应用,是德国人Le,bach和Lowy在他们的专利中有详细的描述的。
1926年Htfisenbekc在利用脉冲技术来确定地下埋设物的结构特征的研究工作中,他发现了,造成电磁波的反射的原因是任何介电特性的变化,而电导率不是影响电磁波反射的唯一因素。
他的研究发现为探地雷达在方法和技术方面提供了比其他的物理探测更加合适的理论依据,那就是他确定了地下电磁波回波信号,地下介质以及目标体三者之间的关系,这就是他的理论依据。
1929年,stem通过探测冰川的厚度问题运用无线电干涉法来实现的,这是运用探地雷达探测目标物体的首次应用。
1960年,由于脉冲宽度比较窄,而且脉冲的频带又比较宽。
所以J.C.Cook提出了冲激脉冲雷达的措施,该措施既获得了探测分辨率,又达到减小地下有耗介质吸收的效果,从而保证了对穿透深度的要求,该措施主要是通过向地下发射无载波的窄脉冲来实施的,后来,为了验证Cook方案的可行性和正确性,Balringer和Myeer通过进行实验对此研究。
但是因为在电磁特性衰减方面,地下介质要比空气厉害的多,并且通常波在介质中传播中,会表现为这样的特点:
在地下介质中的传播方式要复杂一些,而在空气中的传播方式会比较简单。
所以当时,对于一些介质是比较适合的,这些介质就是:
极地冰层、淡水湖泊、沙漠以及岩层等介质,这是因为它具有对电磁波吸收的能力比较弱和介质相对均匀的特点。
在20世纪70年代,各种形式的试探性探地雷达的诞生以及大量的应用研究,人们逐渐认识到探地雷达能够在很多方面发挥有效的作用并且各种体制的探地雷达在性能上具有不同的的差异。
如:
石灰岩地区采石场的探测;冰川和冰山等的厚度探测;工程地质探测;煤矿井探测,泥炭调查;放射性废弃物处理调查,水文地质调查;地基和道路下空洞及裂缝等建筑质量探测;地下埋设物,古墓遗迹等探查;隧道、堤岸、水坝等探测。
由于探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、实时成像探测、经济方便等优点,所以有着广泛的应用前景。
在20世纪60年代,地质雷达探测技术开始应用,探地雷达探测技术经过不断的研究和发展,已经实现了实时自动生成图像,主要是通过单点探测和连续探测来实现的。
了解到国外的探地雷达探测技术均为单脉冲探地雷达,它的优点是发射信号为高压脉冲,工作频率是在50---1000MHz的范围并且分辨率较高,然而它的缺点是设备在矿井防爆方面,该设备不能满足要求。
我们知道电磁波的衰减特性是:
因为电磁波在地层中传播时,
当工作频率增大时衰减增益也会随之增大的。
对于大多数的衰减幅度较大的物体:
如:
地下目标体和远距离的目标,主要是通过低频率段的电磁波用来探测的,
,而对于衰减比较小的地方:
地层中的浅部和地层表面目标体,这些都是通过运用高频率段的电磁波来探测的。
对于中间频率段的电磁波可以探测较大的距离和较小的分辨率,因此被普遍应用于普查勘探。
而应用于详查、精查勘探或针对性较强的探测,大多数应用于详查、精查勘探或针对性较强的探测都是通过高频率段和低频率段的电磁波来实现的。
世界各地有多家研制生产商业探地雷达的公司,包括销量占世界市场百分之八十的美国地球物理探测系统公司(GSSI),和瑞典地质公司(MALA)、加拿大探测器与软件公司(Sensor&SoftwareInc.)、意大利IDS公司、日本应用地质株式社会(OYO公司)等。
而我国在探地雷达的应用以及研究方面接触的比较迟,电子科技大学从1978年开始以超宽带时域脉冲天线研究为主,研究了冲激脉冲探地雷达技术,完成的第一台探地雷达样机可以清晰的探测到1米深的铸铁水管。
上个世纪80年代,中国航天工业总公司二院25所开始进行了军用冲激脉冲雷达的研究,研制成功后又进行了民用公路混凝土厚度测试的开发,实现了精度±5mm的测量。
上个世纪90年代,大量国外仪器的引进使得探地雷达得到广泛的应用。
1.2.2探地雷达接收机研究现状
我们都知道在宽带雷达接收机设计技术方面,国外的要比国内的更加成熟和先进,一方面是因为在体积上雷达接收机变得更小,在集成度上它变得更高,第二是接收机处理带宽变得更宽。
例如:
对于ISAR雷达接收机它是德国的毫米波雷达接收机,它的工作频率分别为94GHz和210GHZ,带宽分别为4GHz和8GH
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- 煤层 介质 无线 探测 接收机 设计 论文
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