面向鉆孔救援的超寬帶雷達技術研究現狀與方向

鄭學召， 孫梓峪， 張嬿妮， 張鐸， 徐承宇

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.國家礦山救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭是我國目前發展的主體能源。近些年淺層煤炭資源被充分開采利用而逐漸枯竭，使礦井開采深度逐漸加深，多數礦井的平均開采深度已超過800 m[1]。由于開采深度較深，巷道所處地質條件復雜，煤炭開采過程中面臨的沖擊地壓與冒頂事故比例不斷攀升[2]。其中，冒頂事故易導致巷道堵塞，當疏通難度較大時，難以實現高效快速救援。鉆孔救援技術通過在地面向井下打垂直鉆孔，放入基于視音頻的鉆孔生命信息探測設備，進行井下人員生命信息辨識與定位，確認生命信息后實施大直徑鉆孔作業進行營救。與以往的救援方式相比，鉆孔救援技術可以快速確定受困人員的位置并與之取得聯系，通過鉆孔輸送給養與醫護物資，提高被困人員生還率，為后續救援贏得時間[3]。

鉆孔救援技術已有多次成功應用案例[4]。2002年美國賓州某煤礦透水事故及2010年智利某銅礦坍塌事故均通過此技術實現了成功救援[5]。2015年山東某石膏礦坍塌事故發生后，利用鉆孔生命信息探測儀探測到4名被困人員并成功施救[6]。2021年山東某金礦事故中，利用鉆孔生命信息探測儀再次為鉆孔施工提供救援可視化裝備與技術支持，在井深585 m處“連線”到11名幸存礦工，為專家組制定技術方案提供了一手資料，為成功營救被困礦工作出了積極貢獻[7]。

雖有4次救援成功應用案例，但鉆孔救援技術仍存在易受煤巖、地層性質影響的問題。在救援過程中，如果所處環境地質偏軟，會導致鉆頭偏移，造成新的局部塌方，導致生命信息探測設備出現測量偏差，甚至無法滿足生命信息探測的要求[8]。主要原因是目前常用的礦井鉆孔通信裝置與生命探測系統大多基于視頻和音頻技術，面臨塌方阻隔時無法實現穿透探測[9]，井下被困人員的生命信息獲取困難。超寬帶(Ultra-wide Band，UWB)電磁波擁有很強的穿透性，可以穿透煤巖體、混凝土等非磁性物質，對障礙物之后的目標進行非接觸式測量，解決了基于光學原理的視頻探測技術面臨的遇障失效以及基于聲學原理的音頻探測技術面臨的聲波在介質中傳播衰減速度快的難題[10]，可以很好地滿足生命探測與定位的要求。UWB雷達在地震建筑物塌方與廢墟下的人員搜救及路面、橋梁、隧道探傷方面應用較多[11]，但在礦山救援方面應用還較少，究其原因主要是UWB電磁波在煤巖體中的傳輸衰減規律未知，適用于礦井環境的雜波濾除與優化方法和生命信息識別模型研究不足。

本文從UWB電磁波傳輸衰減特性、雜波的濾除與優化、目標生命識別方法3個方面分析了UWB雷達技術在礦山鉆孔救援中應用的研究現狀和存在的問題，并提出解決問題的研究方向與方法。

1 研究現狀

1.1 UWB電磁波傳輸衰減特性

在UWB電磁波傳輸衰減方面，唐彤彤等[12]以電磁波入射角與地層傾斜角為研究對象，得出電磁波在不規則地層中從一個介質進入另一個介質時會受到電場和磁場的影響，并發生一定程度的突變衰減。陳清禮等[13]研究了所有波譜范圍內電磁波的衰減程度與電磁波頻率間的關系，得出電磁波衰減程度與頻率的增長呈正比關系，當頻率到達某個閾值時，衰減程度會急劇下降,最后趨于零，這是由于位移電流占主導，傳導電流趨于零所導致。王弘剛等[14]研究發現電磁波的頻率在2～8 GHz時，其穿透厚度為12 cm的實心磚墻之后信號強度減小值在20 dB左右，并得出了電磁波的衰減與磚體、水泥的介電常數等因素有關。Xu Hang等[15]利用UWB電磁波穿透磚墻與木門，對其后方的人員生命信息進行探測，獲得了人員的呼吸頻率和距離信息。孫公德等[16]使用分布式UWB雷達探測地震廢墟下被掩埋人員的位置信息，效果顯著，其原理如圖1所示。

圖1 分布式雷達協同探測原理

葉偉[17]對基于UWB雷達技術的井下巷道人員定位系統進行了研究，發現在井下封閉環境中UWB電磁波在巷道視距范圍內(井底直巷)的定位效果較好，但是對于視距之外(巷道方向改變，存在轉向)的部分定位效果較差，這是因為對于視距之外的部分，UWB電磁波會穿透介質復雜的煤巖壁,造成信號衰減，使得目標定位的準確度下降。Y.Rissafi等[18]研究了在3～10 GHz頻率范圍內的地下礦井環境中UWB傳輸損耗特性，證明地下環境中UWB的損耗指數大于室內環境的損耗指數。陳承申等[19]推導出了探地雷達波動方程，并利用探地雷達數值模擬進行驗證，這對于研究電磁波在地下介質環境中的傳輸衰減規律有很好的指導意義。

綜上可知，UWB電磁波的衰減與電場強度、磁場強度、頻率和介質有關，UWB電磁波可穿透煤巖體、磚墻等障礙物，對障礙物后人員生命信息進行探測與定位，為礦山鉆孔救援提供重要技術保障。但目前對于UWB電磁波傳輸衰減特性的研究缺乏對不同溫度、探測頻率、變質程度下各種煤巖體與UWB電磁波傳輸衰減之間的關系研究，對UWB電磁波的頻率、入射角、極化形式等關鍵參數及變化特征與UWB電磁波衰減的關系研究較少。

1.2 UWB電磁波中雜波的濾除與優化

由于井下救援環境復雜，雷達所探測到的生命信息回波信號會被雜波掩蓋，精準提取難度較大。針對該問題，張金元等[20]采用小波變換和經驗模態分解聯合去噪法，使得UWB雷達技術在傳播探測過程中的雜波得到了較好抑制，信噪比得到了提升。郭繼坤等[21]采用經驗模態分解法將礦井環境下的UWB信號中的雜波與有效波進行分離，獲取了人體的呼吸、心跳信號。鐘雷等[22]使用弱目標檢測法濾除存在于電磁波回波中的大量雜波，降低了測量誤差。文樂等[23]針對生命探測雷達中人體呼吸的回波信號所存在的固定雜波，提出用MUSIC算法抑制噪聲，提高信噪比，在模擬實驗中對混凝土墻(厚度為20 cm)后1.5 m處人員的呼吸信號的雜波抑制效果顯著。F.H.C Tivive等[24]針對雷達成像提出了一種有效的墻壁雜波抑制方法，并且利用模擬和實際數據的實驗結果證明了該方法對抑制墻壁雜波的有效性。

以上研究表明，采用經驗模態分解法、MUSIC算法等方法可以對UWB電磁波中的雜波進行濾除，從中獲取人體的呼吸、心跳信號，實現生命信息探測，為礦山鉆孔救援過程中的UWB電磁波的回波分析提供方法指導。但現有雜波濾除方法比較單一，缺乏對雜波濾除后有效波特征和信息的準確提取和科學表征，難以提高生命信息特征提取與識別的速度與精度。

1.3 基于UWB電磁波的目標生命識別方法

作為一種非接觸式生命信息識別方法，UWB雷達生命信息識別方法為生命信息識別提供了新思路。井下被困人員的呼吸、心跳等生命體征被UWB電磁波捕獲后所產生的回波可以作為生命信息識別的重要依據，其原理如圖2所示。

圖2 UWB電磁波探測到的障礙物后的人員信號

在目標生命識別方面，張楊等[25]提出了一種應用超寬譜探人雷達的人體識別新方法,該方法基于波形匹配的思想,采用信號幅值和離散系數相結合的方式,對探測區域內有無人體目標的情況進行判別。在實驗中利用UWB電磁波穿透磚墻(厚度為30 cm)進行人體目標探測，準確度達88.9%。竇興川等[26]利用不同波段的電磁波穿透非金屬障礙物后探測人體特征，研究人體心跳、呼吸、運動信號的采集和無線傳輸，可以明顯探測到位于磚墻(厚度為30 cm)后方12～35 m處的人體運動特征。陳光等[27]提出了一種基于UWB電磁波的多生命體目標識別法，解決了目前搜救雷達探測過程中探測生命數量較少的問題。蔣留兵等[28]利用集合經驗模態分解法對UWB電磁波回波進行分解，提高了可探測目標的數目與識別率，在實驗中，對墻體(厚度為25 cm)后1.5 m處3個人體目標的識別率高達86.7%。姚思奇等[29]提出了一種基于超寬帶生命探測雷達的多觀測點呼吸信號檢測及目標定位方法,該方法以單觀測點目標檢測算法預處理后的檢測結果為基礎,通過引入互相關和快速傅里葉變換運算,提高了低信噪比條件下距離檢測的準確性，能有效獲取低信噪比條件下生命體距離和位置信息,縮小了救援范圍,為生命救援提供了保障。Liu Lanbo等[30]利用時域有限差分法和綜合計算實驗研究了UWB雷達技術在地震后建筑物下人體生命體征檢測中的應用，UWB雷達技術可對不同體征、不同位置的人體信息進行識別，效果良好。Liang Xiaolin等[31]開發了一種基于改進UWB雷達技術的生命檢測算法，可以從收集的電磁波中提取人員的心跳、呼吸等生命信息。

以上研究表明，UWB電磁波可以實現對障礙物后多目標人員生命體征如呼吸或心跳的捕捉，實現目標生命信息識別。采用多雷達觀測點可以提高低信噪比環境下生命信息識別的準確性，為UWB電磁波在礦山鉆孔救援中的生命信息識別提供保障。但目前的研究對生命信息體征的辨識目標較為單一，缺乏對呼吸、心跳、胸腔起伏、體溫等多方位、多角度的系統識別與量化分析，缺乏對生命信息識別模型的優化方法，未能在礦井復雜環境中進行現場實驗驗證。因此，仍需針對礦井復雜環境提出一種具有普適性的生命信息識別量化方法。

2 研究方向

針對目前UWB電磁波在礦井煤巖體中的傳輸衰減規律不明確、雜波的濾除與優化方法單一且回波中有效波的提取與表征研究較少、生命信息識別方法的生命信息體征識別種類單一的問題，可以從以下3個方面入手開展相關實驗研究。

2.1 井下UWB電磁波傳輸衰減實驗研究

開展UWB雷達生命信息探測裝置的煤巖穿透實驗，研究UWB電磁波穿透煤巖體及探測到生命目標后返回全過程中的傳輸衰減規律。UWB雷達生命信息探測系統如圖3所示。

圖3 UWB雷達生命信息探測系統

(1)為掌握UWB電磁波衰減的影響因素，將礦物質、灰分和水分等因素納入考慮范圍，研究這些因素對煤體中UWB電磁波傳輸衰減的影響規律，對所有影響因素進行重要性排序。

(2)為還原現場煤巖體環境，需設計以單一煤體、煤巖體與混合煤巖體作為穿透介質在不同溫度、不同探測頻率等條件下的UWB電磁波傳輸衰減實驗方案。在此基礎上，需研究煤電性參數(相對介電常數、介電損耗等)在單一煤體、煤巖體與混合煤巖體中的變化規律，分析這些物理參數與UWB電磁波傳輸衰減之間的關系，從而得出UWB電磁波的傳輸衰減規律。

(3)以UWB電磁波在不同種類煤巖介質、探測厚度、測試頻率等多因素條件下的電磁波相關參數(反射系數、折射系數、頻譜能量、振幅、信噪比、相位等)的變化特征作為研究UWB電磁波在煤巖體中的穿透特性的指標參數，建立指標參數與影響因素之間的映射關系，確定UWB電磁波關鍵參數對環境特征的敏感程度，為研究電磁波的傳輸衰減特性奠定基礎。電磁波傳輸衰減測試原理如圖4所示。

圖4 電磁波傳輸衰減測試原理

從以上3個方面建立UWB電磁波在煤巖體中傳播的理論模型，為UWB雷達技術在礦山鉆孔救援中的應用和研究提供理論和數據支撐。

2.2 雜波的濾除與有效波特征的提取研究

分析多種雜波濾除方法對礦井環境下電磁波雜波的適用程度，研究適用于井下復雜環境的雜波濾除與回波特征提取方法。

采用基于K-L(霍特林)變換的Fast ICA(快速獨立成分分析法)對雜波特征進行同步濾除，該方法能很好地從UWB電磁波回波信號中提取被未知因素混合的信號。

通過半正定松弛、拉格朗日對偶法對UWB電磁波雜波特征參數如波形、振幅等進行放大，使其有效區別于回波中的有效波,以便于辨識和剔除。

利用現場與實驗室實測的電磁波與雜波數據，檢驗并優化以上雜波抑制濾除方法，對回波的有效特征如波形、相位等進行提取，建立學習樣本數據庫，為井下人員生命信息識別模型提供樣本數據。

2.3 礦井生命信息識別模型構建

應用深度自學習理論研究隨機共振算法的改進方法，將人員生命信息表征參數如呼吸、心跳、胸腔起伏、體溫等生命體征作為生命信息識別的主要依據，建立基于隨機共振算法的生命信息識別模型。

利用有效波特征建立的學習樣本數據庫不斷對模型進行訓練優化，量化識別目標的位置、數量，提高量化識別的精度；借助現場試驗，驗證實際復雜環境下量化識別方法的可靠性和普適性，逐步提高模型的識別速度和精度，為礦山鉆孔救援過程中的生命信息探測以及救援人員指揮決策提供依據和幫助，以實現災害環境下鉆孔救援生命信息的準確識別。

3 結論

(1)UWB雷達技術具有很強的穿透性，可以穿透煤巖體等物質，對障礙物之后的目標進行非接觸式測量。從UWB電磁波的傳輸衰減特性、雜波的濾除與優化、目標生命識別方法3個方面分析了UWB雷達技術在礦山鉆孔救援中應用的現狀和存在的問題:① UWB電磁波可穿透煤巖體、磚墻等障礙物對障礙物后人員生命信息進行識別與定位，其衰減與電場強度、磁場強度、頻率和介質有關，但目前對UWB電磁波傳輸衰減特性的研究缺乏對不同溫度、探測頻率、變質程度下各種煤巖體與UWB電磁波傳輸衰減之間的關系研究，對UWB電磁波的頻率、入射角、極化形式等關鍵參數及變化特征與UWB電磁波衰減的關系研究較少。② 采用經驗模態分解法、MUSIC算法等方法可以對UWB電磁波中的雜波進行濾除，從中獲取人體的呼吸、心跳信號，實現生命信息識別，但現有雜波濾除方法比較單一，缺乏對雜波濾除后有效波特征與信息的準確提取和科學表征，難以提高生命信息特征提取與識別的速度與精度。③ UWB電磁波可以實現對障礙物后多目標人員生命體征如呼吸或心跳的捕捉，實現人員生命信息探測，但目前的研究對生命信息體征的辨識目標較為單一，缺乏對呼吸、心跳、胸腔起伏、體溫等多方位、多角度的系統識別與量化分析，缺乏對生命信息識別模型的優化方法。

(2)為了適應礦山鉆孔救援的需要，今后可從以下3個方面展開實驗研究：開展UWB雷達生命信息探測裝置的煤巖體穿透實驗，研究影響電磁波傳輸衰減的因素與條件；研究適用于井下環境的雜波濾除與有效波中的生命信息特征提取算法，并建立樣本數據庫；建立適用于礦井環境的生命信息識別模型，結合樣本數據庫,通過不斷的模型訓練與算法優化及現場試驗的驗證對比，提高生命信息的識別精度與速度。這些研究方法可為UWB雷達技術在礦山鉆孔救援中的應用提供理論支撐和技術保障。