一种基于LFMCW雷达的矿道塌方预警方法与流程

本发明涉及矿道安全监测设备，尤其涉及一种基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法。

背景技术：

1、矿道在开挖、支护及长期使用过程中，受围岩应力变化、地下水作用、施工扰动等因素影响，可能发生顶板下沉、侧壁变形及局部塌方等地质灾害。矿道塌方不仅影响正常施工和运输，还可能对作业人员及设备造成安全威胁。因此，对矿道围岩及支护结构的形变进行监测，及时发现异常变形位置，对于矿道安全管理具有重要意义。

2、现有矿道形变监测方式主要包括人工巡检、位移传感器监测、激光测量以及光纤传感监测等。人工巡检依赖人员经验，难以实现连续监测；位移传感器通常只能获取安装位置处的局部位移信息，当需要覆盖较长距离或较大范围时，需要布置多个测点，增加了安装和维护工作量；激光测量等方式则容易受到矿道内粉尘、水雾及现场遮挡条件的影响。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，解决上述现有技术的不足。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，包括如下步骤：

3、s1、在矿道中安装波导，使波导沿矿道的预设检测方向延伸，在波导的一端设置lfmcw雷达传感器，在波导的另一端设置反射板，并建立波导路径位置与矿道空间位置之间的对应关系；

4、s2、获取波导在未发生形变状态下的基准差拍频谱，所述基准差拍频谱通过对安装完成的波导进行现场测量获得，或者通过预先标定并结合波导安装状态进行校正获得；

5、s3、通过lfmcw雷达传感器向波导内发射线性调频连续波并接收反射信号，将发射信号与接收信号进行混频得到差拍信号，对差拍信号进行频谱分析，获得当前差拍频谱；

6、s4、将当前差拍频谱与基准差拍频谱进行比较，识别当前差拍频谱中相对于基准差拍频谱新增的反射峰，并根据所述新增的反射峰确定波导发生形变；

7、s5、获取所述新增的反射峰对应的差拍频率，根据lfmcw雷达的调频斜率确定新增反射回波的往返传播时延，并根据预先标定的雷达信号在波导中的传播速度，确定新增反射回波对应位置距离lfmcw雷达传感器的波导路径长度，将该位置确定为波导形变位置；

8、s6、根据步骤s1建立的波导路径位置与矿道空间位置之间的对应关系，将所述波导形变位置转换为矿道中的形变位置，并输出形变检测结果。

9、进一步的，在波导未发生形变时，获取波导从lfmcw雷达传感器端至反射板之间的实际路径长度l0，并测量反射板对应的基准反射回波的往返传播时延τ0，根据所述实际路径长度l0和往返传播时延τ0确定雷达信号在波导中的标定传播速度v，其中：

10、

11、式中，v为雷达信号在波导中的标定传播速度，单位为m/s；l0为波导从lfmcw雷达传感器端至反射板之间的实际路径长度，单位为m；τ0为反射板对应的基准反射回波的往返传播时延，单位为s。

12、进一步的，步骤s5中，lfmcw雷达的调频斜率k为调频带宽b与调频时间t的比值，其中：

13、

14、式中，k为调频斜率，单位为hz/s；b为调频带宽，单位为hz；t为调频时间，单位为s；

15、获取新增反射峰对应的差拍频率f，根据所述差拍频率f和调频斜率k确定新增反射回波的往返传播时延τ，其中：

16、

17、式中，τ为新增反射回波的往返传播时延，单位为s；f为新增反射峰对应的差拍频率，单位为hz；

18、根据所述标定传播速度v和往返传播时延τ，确定波导形变位置距离lfmcw雷达传感器的波导路径长度l，其中：

19、

20、式中，l为波导形变位置距离lfmcw雷达传感器端的波导路径长度，单位为m；v为标定传播速度，单位为m/s。

21、进一步的，步骤s4中，将当前差拍频谱与基准差拍频谱按照相同的差拍频率坐标进行对齐，计算当前差拍频谱与基准差拍频谱在对应差拍频率位置的幅值差，在所述幅值差超过预设反射阈值的位置搜索局部峰值，并将搜索得到的局部峰值确定为候选新增反射回波。

22、进一步的，对连续多个检测周期中的候选新增反射回波进行比较，当候选新增反射回波在连续多个检测周期中均被检测到，且对应的波导路径位置之间的差值小于预设位置容差时，将所述候选新增反射回波确定为波导形变产生的新增反射回波。

23、进一步的，步骤s2中，对未发生形变的波导进行多次基准测量，根据多次基准测量获得的差拍频谱建立基准差拍频谱，并记录波导内固定反射位置以及反射板对应的基准反射峰；步骤s4中，根据所述固定反射位置及基准反射峰，区分当前差拍频谱中的固定反射峰与新增反射峰。

24、进一步的，在矿道中的不同位置设置多个波导检测单元，并记录各波导检测单元对应的安装位置；当任一波导检测单元检测到波导形变时，根据该波导检测单元的安装位置以及所确定的波导形变位置，确定矿道中的形变空间位置。

25、作为一种优选，所述波导通过升降装置以及固定装置安装在矿道顶部，所述固定装置包括若干段水平设置的横梁、与横梁交叉的半圆形固定管以及抱箍，所述半圆形固定管位于横梁上表面，所述波导位于半圆形固定管中，所述抱箍将半圆形固定管以及波导固定在横梁中，所述横梁沿矿道宽度方向设置；所述升降装置可拆卸安装在矿道顶壁，其包括一个插板，所述插板用于接触拱形段表面。

26、作为一种优选，所述波导通过升降装置以及固定装置安装在矿道顶部；所述波导包括两个竖直段和一个拱形段，所述两个竖直段通过固定装置安装在矿道的两个侧壁，所述拱形段形状与矿道顶部对应，所述升降装置可拆卸安装在矿道顶壁，其包括一个插板，所述插板用于接触拱形段表面。

27、进一步的，所述固定装置包括固定板以及抱箍，所述波导的竖直段通过抱箍安装在固定板内侧，固定板安装在矿道侧壁。

28、进一步的，所述升降装置还包括一个顶板、螺杆以及导向机构，所述顶板安装在矿道顶壁上，所述螺杆的顶部可动转设置在顶板中，插板设置在螺杆上，所述导向装置用于限制插板转动。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、通过在矿道中安装波导，并利用lfmcw雷达对波导内的反射信号进行检测，将波导局部形变引起的新增反射峰作为形变识别依据，能够实现对矿道波导形变的检测；通过将当前差拍频谱与正常状态下的基准差拍频谱进行比较，能够区分波导原有固定反射与形变产生的新增反射，减少固定反射对形变识别的干扰；通过新增反射峰的差拍频率、调频斜率及预先标定的传播速度计算反射位置，并结合波导路径位置与矿道空间位置的对应关系，能够将波导形变定位至矿道中的具体位置，为矿道塌方风险预警及后续巡检处置提供位置依据。

1.一种基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，在波导未发生形变时，获取波导从lfmcw雷达传感器端至反射板之间的实际路径长度l0，并测量反射板对应的基准反射回波的往返传播时延τ0，根据所述实际路径长度l0和往返传播时延τ0确定雷达信号在波导中的标定传播速度v，其中：

3.根据权利要求2所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，步骤s5中，lfmcw雷达的调频斜率k为调频带宽b与调频时间t的比值，其中：

4.根据权利要求3所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，步骤s4中，将当前差拍频谱与基准差拍频谱按照相同的差拍频率坐标进行对齐，计算当前差拍频谱与基准差拍频谱在对应差拍频率位置的幅值差，在所述幅值差超过预设反射阈值的位置搜索局部峰值，并将搜索得到的局部峰值确定为候选新增反射回波。

5.根据权利要求4所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，对连续多个检测周期中的候选新增反射回波进行比较，当候选新增反射回波在连续多个检测周期中均被检测到，且对应的波导路径位置之间的差值小于预设位置容差时，将所述候选新增反射回波确定为波导形变产生的新增反射回波。

6.根据权利要求1所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，步骤s2中，对未发生形变的波导进行多次基准测量，根据多次基准测量获得的差拍频谱建立基准差拍频谱，并记录波导内固定反射位置以及反射板对应的基准反射峰；步骤s4中，根据所述固定反射位置及基准反射峰，区分当前差拍频谱中的固定反射峰与新增反射峰。

7.根据权利要求1所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，在矿道中的不同位置设置多个波导检测单元，并记录各波导检测单元对应的安装位置；当任一波导检测单元检测到波导形变时，根据该波导检测单元的安装位置以及所确定的波导形变位置，确定矿道中的形变空间位置。

8.根据权利要求1所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，所述波导通过升降装置以及固定装置安装在矿道顶部，所述所述固定装置包括若干段水平设置的横梁、与横梁交叉的半圆形固定管以及抱箍，所述半圆形固定管位于横梁上表面，所述波导位于半圆形固定管中，所述抱箍将半圆形固定管以及波导固定在横梁中，所述横梁沿矿道宽度方向设置；所述升降装置可拆卸安装在矿道顶壁，其包括一个插板，所述插板用于接触拱形段表面。

9.根据权利要求1所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，所述波导通过升降装置以及固定装置安装在矿道顶部；所述波导包括两个竖直段和一个拱形段，所述两个竖直段通过固定装置安装在矿道的两个侧壁，所述拱形段形状与矿道顶部对应，所述升降装置可拆卸安装在矿道顶壁，其包括一个插板，所述插板用于接触拱形段表面。

10.根据权利要求9所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，其特征在于，所述固定装置包括固定板以及抱箍，所述波导的竖直段通过抱箍安装在固定板内侧，固定板安装在矿道侧壁。

11.根据权利要求10所述的基于lfmcw雷达的矿道塌方预警方法，所述升降装置还包括一个顶板、螺杆以及导向机构，所述顶板安装在矿道顶壁上，所述螺杆的顶部可动转设置在顶板中，插板设置在螺杆上，所述导向装置用于限制插板转动。