基于煤層瓦斯超聲檢測的脈沖壓縮技術

萬暢++陳敏

摘要：對于目前常規超聲檢測診斷時高頻超聲信號難進入煤層內部，低頻超聲信號檢測精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術，主要是線性調頻脈沖壓縮信號。該技術可以有效提高系統的信噪比和檢測精度。本文首先對脈沖壓縮和線性調頻脈沖信號進行了介紹，然后研究了線性調頻信號的壓縮過程及其壓縮方法。

關鍵詞：脈沖壓縮技術 超聲 線性調頻 匹配濾波 加權處理

中圖分類號：TU459 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0103-02

我國是世界上的產煤大國，煤炭是我國的主要能源。由于我國煤礦地質構造條件及煤層賦存條件復雜，自然發火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測是防止該類惡性事件發生的重要技術手段。因此研究超聲檢測技術的關鍵問題是怎樣準確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測回波信號的信噪比，在整個超聲檢測過程中，影響接收信號的因素很多，一般超聲檢測方法有效作用距離非常短，隨著被檢測材料距離的增加，收到的超聲信號的幅度會急劇下降，當信噪比的數值降低到1左右或小于1時，信號就不可能檢測出來，同時限制了檢測頻率的上升。

本文通過對瓦斯超聲檢測煤層中弱信號，低信噪比的問題，采用線性調頻脈沖壓縮技術對收到的信號進行加工處理，使超聲檢測的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測煤層瓦斯參數原理

針對含瓦斯煤層內部分布著許多細微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對超聲信號的衰減很大，常規超聲檢測時高頻超聲信號很難進入煤層內部，采用低頻超聲信號檢測精度很低的現狀。設計出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號調制到低頻超聲信號上。利用低頻超聲信號穿透力強的特點，增大超聲檢測距離；同時利用高頻超聲信號檢測精度高的特點，提高煤層內部缺陷的檢測精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測煤層中瓦斯參數，選擇恰當的脈沖壓縮信號作為超聲發射信號，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強檢測能力，又得到了寬脈沖的高測距，應用脈沖壓縮技術，必須獲得大時寬-帶寬積信號，而線性調頻信號（LFM）是獲得大時寬帶-寬積的最佳信號，它在寬脈沖內附加載波線性調頻，從而實現在大時寬的前提下擴展了信號的帶寬。

2 脈沖壓縮技術的基本原理

脈沖壓縮技術被認為是雷達理論確立后最重要的三項創新發展之一[3]。其帶寬是指調制激勵信號的頻帶寬度，時寬是指激勵信號的持續時間，兩者乘積為時寬帶寬積。將一個參考波形與回波信號進行相關計算是脈沖壓縮技術的關鍵，如果選擇了恰當的激勵信號，最終會將時寬大、幅值小的信號壓縮成為幅值大、時寬小的信號。圖1為典型的線性調頻脈沖壓縮處理過程，而激勵信號的產生和匹配濾波器的設計是最主要的兩個部分，通過匹配濾波器后的回波，形成壓縮波形。一般超聲脈沖回波檢測法中，檢測距離取決于發射的平均能量，回波之間的分辨能力則取決于脈沖的寬度。當瞬時輸出能量達到上限值時，只能靠增大發射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術的應用，可在保持瞬時輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號，且增加系統距離分辨能力[4-5]。

線性調頻脈沖激勵信號：當前各類脈沖壓縮技術中，發展最好，最廣泛的是線性條調頻脈沖壓縮信號。該信號很容易產生和處理。

線性調頻脈沖壓縮信號常用復數表達式。

式中，A為波形幅度；為基頻，一般選擇探頭頻帶的中心頻率；T為調制信號持續時間，即為時寬；B為調制信號頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實現

線性調頻脈沖壓縮實質上就是對回波進行頻率延遲[1]；低頻信號部分延遲時間長，高頻信號部分延遲時間短，從而使脈寬為T的寬脈沖壓縮為窄脈沖S，壓縮比D=T/S；在不考慮損耗的情況下，壓縮后的脈沖幅度將變為原來的D倍[1]。

線性調頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數字脈沖。模擬脈沖壓縮系統參數一旦設定就已無法更改，不具有在復雜的目標環境中波形漸變的自適應能力，而數字脈沖壓縮系統依靠計算機控制系統能實時改變發射波形和系統參數，使其相互保持匹配。基于數字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩定、對元器件沒有限制，工作可靠及易產生性等優點，得到愈來愈多的重視。

數字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關處理器和展寬處理器。實現的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數字相關處理器設計的主要方法之一，在設計過程中，當相關處理器有M個距離采樣值時，采樣數等于M加上所參考波形的采樣數，在參考波形的FFT中要加入M個零值，任何波形該相關處理器都能處理，并且對該參考波形進行多普勒偏置，進而實現匹配濾波。

在任何指定的時間窗內展寬或者壓縮脈沖波形的時間尺度是展寬處理器的特點。該展寬處理器能處理任何波形，且更加方便在線性調頻信號中使用。

4 線性調頻脈沖信號的加權處理

現在我們知道，線性調頻脈沖信號通過匹配濾波器之后，被壓縮成窄脈沖，得到最大信噪比，但在壓縮過程中，無法避免在窄脈沖兩側產生以辛格函數為包絡的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個目標。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權技術是抑制旁瓣的最佳方法。加權有頻域加權和時域加權兩種，頻域加權是指通過調整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時域加權是指通過控制波形包絡形狀來獲得多普勒響應形狀的方法。不管是時域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實現原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結語

脈沖壓縮技術應用于超聲檢測中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術的參數影響超聲檢測的效果，選擇適當參數是檢測過程的關鍵。

參考文獻

[1]翟慶林，張軍，付強.線性調頻脈沖壓縮技術及其在雷達系統中的應用[J].現代電子技術，2007，01：17-19.

[2]謝萬星，孫惠民.礦井瓦斯涌出量的灰色預測[J].煤礦安全，2002，33（4）：4.

[3]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[4]周正干，魏東，向上.線性調頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的應用研究[J].機械工程學報，2010，18：24-28+35.

[5]周正干，張宏宇，魏東.脈沖壓縮技術在超聲換能器激勵接收方法中的應用[J].中國機械工程，2010，17：2127-2131.endprint

摘要：對于目前常規超聲檢測診斷時高頻超聲信號難進入煤層內部，低頻超聲信號檢測精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術，主要是線性調頻脈沖壓縮信號。該技術可以有效提高系統的信噪比和檢測精度。本文首先對脈沖壓縮和線性調頻脈沖信號進行了介紹，然后研究了線性調頻信號的壓縮過程及其壓縮方法。

關鍵詞：脈沖壓縮技術 超聲 線性調頻 匹配濾波 加權處理

中圖分類號：TU459 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0103-02

我國是世界上的產煤大國，煤炭是我國的主要能源。由于我國煤礦地質構造條件及煤層賦存條件復雜，自然發火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測是防止該類惡性事件發生的重要技術手段。因此研究超聲檢測技術的關鍵問題是怎樣準確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測回波信號的信噪比，在整個超聲檢測過程中，影響接收信號的因素很多，一般超聲檢測方法有效作用距離非常短，隨著被檢測材料距離的增加，收到的超聲信號的幅度會急劇下降，當信噪比的數值降低到1左右或小于1時，信號就不可能檢測出來，同時限制了檢測頻率的上升。

本文通過對瓦斯超聲檢測煤層中弱信號，低信噪比的問題，采用線性調頻脈沖壓縮技術對收到的信號進行加工處理，使超聲檢測的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測煤層瓦斯參數原理

針對含瓦斯煤層內部分布著許多細微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對超聲信號的衰減很大，常規超聲檢測時高頻超聲信號很難進入煤層內部，采用低頻超聲信號檢測精度很低的現狀。設計出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號調制到低頻超聲信號上。利用低頻超聲信號穿透力強的特點，增大超聲檢測距離；同時利用高頻超聲信號檢測精度高的特點，提高煤層內部缺陷的檢測精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測煤層中瓦斯參數，選擇恰當的脈沖壓縮信號作為超聲發射信號，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強檢測能力，又得到了寬脈沖的高測距，應用脈沖壓縮技術，必須獲得大時寬-帶寬積信號，而線性調頻信號（LFM）是獲得大時寬帶-寬積的最佳信號，它在寬脈沖內附加載波線性調頻，從而實現在大時寬的前提下擴展了信號的帶寬。

2 脈沖壓縮技術的基本原理

脈沖壓縮技術被認為是雷達理論確立后最重要的三項創新發展之一[3]。其帶寬是指調制激勵信號的頻帶寬度，時寬是指激勵信號的持續時間，兩者乘積為時寬帶寬積。將一個參考波形與回波信號進行相關計算是脈沖壓縮技術的關鍵，如果選擇了恰當的激勵信號，最終會將時寬大、幅值小的信號壓縮成為幅值大、時寬小的信號。圖1為典型的線性調頻脈沖壓縮處理過程，而激勵信號的產生和匹配濾波器的設計是最主要的兩個部分，通過匹配濾波器后的回波，形成壓縮波形。一般超聲脈沖回波檢測法中，檢測距離取決于發射的平均能量，回波之間的分辨能力則取決于脈沖的寬度。當瞬時輸出能量達到上限值時，只能靠增大發射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術的應用，可在保持瞬時輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號，且增加系統距離分辨能力[4-5]。

線性調頻脈沖激勵信號：當前各類脈沖壓縮技術中，發展最好，最廣泛的是線性條調頻脈沖壓縮信號。該信號很容易產生和處理。

線性調頻脈沖壓縮信號常用復數表達式。

式中，A為波形幅度；為基頻，一般選擇探頭頻帶的中心頻率；T為調制信號持續時間，即為時寬；B為調制信號頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實現

線性調頻脈沖壓縮實質上就是對回波進行頻率延遲[1]；低頻信號部分延遲時間長，高頻信號部分延遲時間短，從而使脈寬為T的寬脈沖壓縮為窄脈沖S，壓縮比D=T/S；在不考慮損耗的情況下，壓縮后的脈沖幅度將變為原來的D倍[1]。

線性調頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數字脈沖。模擬脈沖壓縮系統參數一旦設定就已無法更改，不具有在復雜的目標環境中波形漸變的自適應能力，而數字脈沖壓縮系統依靠計算機控制系統能實時改變發射波形和系統參數，使其相互保持匹配。基于數字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩定、對元器件沒有限制，工作可靠及易產生性等優點，得到愈來愈多的重視。

數字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關處理器和展寬處理器。實現的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數字相關處理器設計的主要方法之一，在設計過程中，當相關處理器有M個距離采樣值時，采樣數等于M加上所參考波形的采樣數，在參考波形的FFT中要加入M個零值，任何波形該相關處理器都能處理，并且對該參考波形進行多普勒偏置，進而實現匹配濾波。

在任何指定的時間窗內展寬或者壓縮脈沖波形的時間尺度是展寬處理器的特點。該展寬處理器能處理任何波形，且更加方便在線性調頻信號中使用。

4 線性調頻脈沖信號的加權處理

現在我們知道，線性調頻脈沖信號通過匹配濾波器之后，被壓縮成窄脈沖，得到最大信噪比，但在壓縮過程中，無法避免在窄脈沖兩側產生以辛格函數為包絡的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個目標。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權技術是抑制旁瓣的最佳方法。加權有頻域加權和時域加權兩種，頻域加權是指通過調整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時域加權是指通過控制波形包絡形狀來獲得多普勒響應形狀的方法。不管是時域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實現原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結語

脈沖壓縮技術應用于超聲檢測中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術的參數影響超聲檢測的效果，選擇適當參數是檢測過程的關鍵。

參考文獻

[1]翟慶林，張軍，付強.線性調頻脈沖壓縮技術及其在雷達系統中的應用[J].現代電子技術，2007，01：17-19.

[2]謝萬星，孫惠民.礦井瓦斯涌出量的灰色預測[J].煤礦安全，2002，33（4）：4.

[3]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[4]周正干，魏東，向上.線性調頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的應用研究[J].機械工程學報，2010，18：24-28+35.

[5]周正干，張宏宇，魏東.脈沖壓縮技術在超聲換能器激勵接收方法中的應用[J].中國機械工程，2010，17：2127-2131.endprint

摘要：對于目前常規超聲檢測診斷時高頻超聲信號難進入煤層內部，低頻超聲信號檢測精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術，主要是線性調頻脈沖壓縮信號。該技術可以有效提高系統的信噪比和檢測精度。本文首先對脈沖壓縮和線性調頻脈沖信號進行了介紹，然后研究了線性調頻信號的壓縮過程及其壓縮方法。

關鍵詞：脈沖壓縮技術 超聲 線性調頻 匹配濾波 加權處理

中圖分類號：TU459 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0103-02

我國是世界上的產煤大國，煤炭是我國的主要能源。由于我國煤礦地質構造條件及煤層賦存條件復雜，自然發火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測是防止該類惡性事件發生的重要技術手段。因此研究超聲檢測技術的關鍵問題是怎樣準確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測回波信號的信噪比，在整個超聲檢測過程中，影響接收信號的因素很多，一般超聲檢測方法有效作用距離非常短，隨著被檢測材料距離的增加，收到的超聲信號的幅度會急劇下降，當信噪比的數值降低到1左右或小于1時，信號就不可能檢測出來，同時限制了檢測頻率的上升。

本文通過對瓦斯超聲檢測煤層中弱信號，低信噪比的問題，采用線性調頻脈沖壓縮技術對收到的信號進行加工處理，使超聲檢測的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測煤層瓦斯參數原理

針對含瓦斯煤層內部分布著許多細微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對超聲信號的衰減很大，常規超聲檢測時高頻超聲信號很難進入煤層內部，采用低頻超聲信號檢測精度很低的現狀。設計出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號調制到低頻超聲信號上。利用低頻超聲信號穿透力強的特點，增大超聲檢測距離；同時利用高頻超聲信號檢測精度高的特點，提高煤層內部缺陷的檢測精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測煤層中瓦斯參數，選擇恰當的脈沖壓縮信號作為超聲發射信號，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強檢測能力，又得到了寬脈沖的高測距，應用脈沖壓縮技術，必須獲得大時寬-帶寬積信號，而線性調頻信號（LFM）是獲得大時寬帶-寬積的最佳信號，它在寬脈沖內附加載波線性調頻，從而實現在大時寬的前提下擴展了信號的帶寬。

2 脈沖壓縮技術的基本原理

脈沖壓縮技術被認為是雷達理論確立后最重要的三項創新發展之一[3]。其帶寬是指調制激勵信號的頻帶寬度，時寬是指激勵信號的持續時間，兩者乘積為時寬帶寬積。將一個參考波形與回波信號進行相關計算是脈沖壓縮技術的關鍵，如果選擇了恰當的激勵信號，最終會將時寬大、幅值小的信號壓縮成為幅值大、時寬小的信號。圖1為典型的線性調頻脈沖壓縮處理過程，而激勵信號的產生和匹配濾波器的設計是最主要的兩個部分，通過匹配濾波器后的回波，形成壓縮波形。一般超聲脈沖回波檢測法中，檢測距離取決于發射的平均能量，回波之間的分辨能力則取決于脈沖的寬度。當瞬時輸出能量達到上限值時，只能靠增大發射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術的應用，可在保持瞬時輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號，且增加系統距離分辨能力[4-5]。

線性調頻脈沖激勵信號：當前各類脈沖壓縮技術中，發展最好，最廣泛的是線性條調頻脈沖壓縮信號。該信號很容易產生和處理。

線性調頻脈沖壓縮信號常用復數表達式。

式中，A為波形幅度；為基頻，一般選擇探頭頻帶的中心頻率；T為調制信號持續時間，即為時寬；B為調制信號頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實現

線性調頻脈沖壓縮實質上就是對回波進行頻率延遲[1]；低頻信號部分延遲時間長，高頻信號部分延遲時間短，從而使脈寬為T的寬脈沖壓縮為窄脈沖S，壓縮比D=T/S；在不考慮損耗的情況下，壓縮后的脈沖幅度將變為原來的D倍[1]。

線性調頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數字脈沖。模擬脈沖壓縮系統參數一旦設定就已無法更改，不具有在復雜的目標環境中波形漸變的自適應能力，而數字脈沖壓縮系統依靠計算機控制系統能實時改變發射波形和系統參數，使其相互保持匹配。基于數字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩定、對元器件沒有限制，工作可靠及易產生性等優點，得到愈來愈多的重視。

數字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關處理器和展寬處理器。實現的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數字相關處理器設計的主要方法之一，在設計過程中，當相關處理器有M個距離采樣值時，采樣數等于M加上所參考波形的采樣數，在參考波形的FFT中要加入M個零值，任何波形該相關處理器都能處理，并且對該參考波形進行多普勒偏置，進而實現匹配濾波。

在任何指定的時間窗內展寬或者壓縮脈沖波形的時間尺度是展寬處理器的特點。該展寬處理器能處理任何波形，且更加方便在線性調頻信號中使用。

4 線性調頻脈沖信號的加權處理

現在我們知道，線性調頻脈沖信號通過匹配濾波器之后，被壓縮成窄脈沖，得到最大信噪比，但在壓縮過程中，無法避免在窄脈沖兩側產生以辛格函數為包絡的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個目標。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權技術是抑制旁瓣的最佳方法。加權有頻域加權和時域加權兩種，頻域加權是指通過調整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時域加權是指通過控制波形包絡形狀來獲得多普勒響應形狀的方法。不管是時域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實現原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結語

脈沖壓縮技術應用于超聲檢測中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術的參數影響超聲檢測的效果，選擇適當參數是檢測過程的關鍵。

參考文獻

[1]翟慶林，張軍，付強.線性調頻脈沖壓縮技術及其在雷達系統中的應用[J].現代電子技術，2007，01：17-19.

[2]謝萬星，孫惠民.礦井瓦斯涌出量的灰色預測[J].煤礦安全，2002，33（4）：4.

[3]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[4]周正干，魏東，向上.線性調頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的應用研究[J].機械工程學報，2010，18：24-28+35.

[5]周正干，張宏宇，魏東.脈沖壓縮技術在超聲換能器激勵接收方法中的應用[J].中國機械工程，2010，17：2127-2131.endprint