一种UWB雷达波穿透实验平台

一种uwb雷达波穿透实验平台
技术领域
1.本发明属于实验平台技术领域，特别涉及一种uwb雷达波穿透实验平台。


背景技术：

2.当灾害事故发生时，由于现场人员被困或掩埋至视线无法探及的区域，被困人员存在无法发声、昏迷状态，随时面临着生命的威胁，而快速开展对被困人员的定位寻找是对被困人员生命保障的有效手段，因此对障碍物后的人员信息探查开展深入研究具有重要意义。
3.uwb雷达波可以突破传统钻孔探测装备(钻孔窥视仪、矿井钻孔通信装置、彩色钻孔电视和井下钻孔自然伽玛与视频探测系统等)的技术瓶颈，穿透砖石、混凝土等非磁性物质，实现地震后建筑废墟等场景的被困人员搜寻。现有uwb雷达波穿透实验研究方案主要有以下几种，一是理论分析雷达波动力学行为，二是模拟灾变条件下uwb雷达波特征参数的变化特征。但是现有研究方案缺乏应用现场原位试验对理论模型的可靠性验证，使得uwb雷达波传输理论衰减规律与实际存在差异性。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种uwb雷达波穿透实验平台，利用uwb雷达波探测装置，测定在不同煤岩种类、不同探测厚度、不同探测距离等条件下加载/未加载生命信息的雷达波传输衰减参数的实验平台，用于解决uwb雷达波传输理论衰减规律与实际存在差异性的问题，进而对被困人员的搜寻提供仿真分析，保障灾变情况下人员搜寻救援任务的顺利开展。
5.本发明的技术方案是：一种uwb雷达波穿透实验平台，包括：
6.可调节的煤岩体填充系统，位于实验平台的中心部位，包括煤岩体放置外壳、放置在所述煤岩体放置外壳内的uwb雷达防放置内壳和设置在煤岩体放置外壳上的煤岩体放置外壳调节装置，所述煤岩体放置外壳调节装置用于控制煤岩体放置外壳的半径；
7.人员临时监测系统，设置在所述煤岩体放置外壳一侧，人员临时监测系统包括用于临时监测人员的临时人员监测装置；
8.uwb雷达波发射系统，位于所述uwb雷达防放置内壳的内部中心处，并朝向所述临时监测人员发射定向uwb雷达波；
9.uwb雷达波接收系统，以所述煤岩体放置外壳为中心，位于临时监测人员的对面，并与所述uwb雷达波发射系统、人员临时监测系统以及可调节的煤岩体填充系统相连接，以实现uwb雷达的供电、人员临时监测装置的控制以及煤岩体填充系统的控制功能；uwb雷达波接收系统包括相互连接的频谱分析系统、数据链路、信号采集系统、uwb雷达波接收系统柜、便携式计算机终端系统。
10.进一步地，所述uwb雷达波发射系统包括天线探头一、天线探头二、电池、电池管理模块、主控模块、数据传输模块和数据采集单元；所述天线探头一、天线探头二与数据传输
模块相连接，可实现雷达信号的传输；所述电池处于电池管理模块内，为uwb雷达波发射系统提供电力支持；所述主控模块可控制电池管理模块与数据传输模块，并将uwb雷达波信号传输至数据采集单元；所述数据采集单元可将信号输出为网络形式。
11.进一步地，所述便携式计算机终端系统包括便携式计算机、便携式计算机放置柜、uwb雷达信号接收引脚、示波器显示器、示波器控制按钮、uwb雷达波接收系统柜电源接口、便携式计算机终端线轮盘接口；所述便携式计算机可实现人员临时监测装置的控制功能、煤岩体填充系统的控制功能以及接收信号采集系统所采集的信号并通过matlab程序对获得数据进行分析、变换、取优处理，之后通过小波变换的方式对波形进行光滑去噪处理，以实现uwb 雷达波在穿透不同煤岩体以及不同厚度的煤岩体情况下波形衰减规律直观体现图；所述便携式计算机放置柜可用于放置便携式计算机及实验人员随身物品；所述uwb雷达信号接收引脚可采用无线方式接收uwb雷达波发射系统所发出的uwb雷达波返回信号并将其获取数据传输至便携式计算机；所述示波器显示器可实时显示uwb雷达波发射系统所发出的uwb雷达波发射信号，以判断uwb雷达波发射系统是否稳定工作；所述示波器控制按钮可控制示波器显示器显示图像的幅度、相移、周期以及频率，以实现uwb雷达波发射信号波形图的清晰体现功能；所述uwb雷达波接收系统柜电源接口能够为频谱分析系统、信号采集系统、便携式计算机终端系统、人员临时监测系统以及可调节的煤岩体填充系统提供电力支持。
12.进一步地，所述频谱分析系统可第一时间接收uwb雷达波发射系统所传输信号，并对其进行波形稳定性判断，之后将模拟信号经模数变换电路变换成数字信号后，进行傅里叶分析，同时数字本振信号，也加到数字滤波器与被测信号作傅里叶分析，之后经积分处理后得出分析结果供示波管显示频谱图形，并将信号传输至信号采集系统；所述信号采集系统可将信号分有线与无线的方式传输至便携式计算机终端系统；所述计算机终端系统可采用matlab程序对获得数据进行分析、变换、取优处理，之后通过小波变换的方式对波形进行光滑去噪处理。
13.进一步地，所述数据链路可连接便携式计算机终端系统并与其内部的便携式电脑终端计算机、uwb雷达波发射系统、人员临时监测系统以及可调节的煤岩体填充系统相连接，以实现uwb雷达的供电、人员临时监测装置的控制以及煤岩体填充系统的控制功能；所述数据链路于uwb雷达波接收系统柜内，并连接于频谱分析系统以及信号采集系统相连接，以实现频谱分析系统对信号采集系统的信号传输以及信号采集系统对便携式电脑终端计算机的信号传输功能。
14.进一步地，所述临时人员监测装置包括定向轮一、定向轮二、定向轮三、定向轮四、伺服电机、可控液压伸缩杆一、可控液压伸缩杆二、担架床板一、担架床板二、担架床板转动轴；所述伺服电机受计算机控制，可通过改变四个定向轮的偏转角度以及转动距离实现对临时人员监测装置的水平控制，同时，伺服电机可通过计算机调节去控制可控液压伸缩杆一和可控液压伸缩杆二；所述可控液压伸缩杆一和可控液压伸缩杆二连接于担架床板一、担架床板二底部，并可通过伸缩完成担架床板一、担架床板二的旋转角度，担架床板转动轴用于连接担架床板一与担架床板二，从而改变临时监测人员的实时位置；进而完成不同人体姿势对uwb雷达波的信号传输影响。
15.进一步地，所述uwb雷达波发射系统半径为75mm，高为1600mm，所述uwb雷达防放置
内壳内径为78mm，高为1600mm；煤岩体填充外壳最小内径为100mm，最大内径为1000mm，高为1600mm。
16.进一步地，所述临时人员监测装置可进行水平移动与原地旋转，设置最小高度为400mm，最大高度为1600mm。
17.进一步地，所述煤岩体填充系统可将填充区域进行分割，根据uwb雷达波发射系统放置角度选择煤岩体30
°
、60
°
、90
°
、180
°
、360
°
填充方式。
18.进一步地，所述便携式计算机采用去噪方式可根据具体波形进行更改。
19.本发明的工作方法：先将uwb雷达波发射系统放入uwb雷达放置内壳，将uwb雷达主控模块开启后，由主控模块控制天线探头、电池、电池管理模块、数据传输模块以及数据采集单元进行5min的装置预热。同时开启uwb 雷达波接收系统柜电源接口，由uwb雷达波电源接口启动频谱分析系统、信号采集系统、数据链路以及便携式计算机终端系统。控制伺服电机，改变定向轮一、定向轮二、定向轮三、定向轮四的偏转角度以及转动距离，完成人员临时监测系统的水平位置固定；控制伺服电机，改变可控液压伸缩杆一、可控液压伸缩杆二的伸缩程度，完成对担架床的竖直位置固定。uwb雷达波发射系统预热完毕后，调节示波器按钮，观察示波器显示器的波形是否稳定传输，并由便携式计算机终端系统对所得的uwb雷达波信号进行初步处理，以完成再未添加煤岩体样本下的雷达波传输衰减规律研究，并将此组数据作为样本数据。完成未添加煤岩体样本的研究后，选择煤岩体种类，可选择不通过种类的煤体、岩体以及固定配比下的煤岩混合体作为样本，并采集此状态下的便携式计算机终端系统所获得的数据，以完成不同煤岩体对uwb雷达波传输衰减规律的研究。完成添加煤岩体样本的研究后，临时监测人员进入人员临时监测系统，并将腿部置于担架床板，头部至于担架床板，并采集此状态下的便携式计算机终端系统所获得的数据，以完成不同煤岩体对uwb雷达波人员探测定位的传输衰减规律影响。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够实现在不同煤岩种类、不同探测厚度、不同探测距离等条件下加载/未加载生命信息的雷达波传输衰减参数，通过放入不同的煤岩体样本，来实现不同种类的煤岩体对雷达波传输衰减信号的研究，通过调整煤岩体体积控制装置，来实现不同煤岩体厚度条件下的雷达波衰减信号研究。同时，在人员未在探究区域空间内，来实现未加载生命信息的雷达波衰减信号研究；在人员进入探测区域空间内，来实现加载生命信息的雷达波衰减信号研究，并可以通过调整人员临时监测系统的伺服电机状态，可实现人员不同姿势的雷达波衰减信号研究。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为本发明的uwb雷达波发射系统的示意图；
23.图3为本发明的uwb雷达波接收系统的示意图；
24.图4为本发明的临时人员监测系统的装置图；
25.图5为本发明的实验工作的流程图。
26.图中、1-uwb雷达防放置内壳、2-可调节的煤岩体填充系统、3-煤岩体放置外壳调节装置、4-煤岩体放置外壳、5-频谱分析系统、6-数据链路、7-信号采集系统、8-uwb雷达波接收系统柜、9-便携式计算机终端系统、10-便携式电脑、11-便携式电脑放置柜、12-uwb雷
达信号接收引脚、13-示波器显示器、 14-示波器控制按钮、15-uwb雷达波接收系统柜电源接口、16-便携式电脑终端线轮盘接口、17-主控模块、18-数据传输模块、19-数据采集单元、20-天线探头一、21-天线探头二、22-电池、23-电池管理模块、24-uwb雷达波发射系统、25-临时监测人员、26-人员临时监测系统、27-定向轮一、28-定向轮二、 29-定向轮三、30-定向轮四、31-伺服电机、32-可控液压伸缩杆一、33-可控液压伸缩杆二、34-担架床板一、35-担架床板二、36-担架床板转动轴。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
28.实施例：如图1所示，一种uwb雷达波穿透实验平台，包括uwb雷达波发射系统24、可调节的煤岩体填充系统2、人员临时监测系统26以及uwb 雷达波接收系统。其中，
29.可调节的煤岩体填充系统2位于实验平台中心部位；
30.uwb雷达波发射系统24可置于可调节的煤岩体填充系统2内部中心处，并可朝向人员临时监测系统26发射定向uwb雷达波；如图2所示，uwb雷达波发射系统24包括天线探头一20、天线探头二21、电池22、电池管理模块 23、主控模块17、数据传输模块18和数据采集单元19；天线探头一20、天线探头二21与数据传输模块18相连接，可实现雷达信号的传输；电池22处于电池管理模块23内，为uwb雷达波发射系统24提供电力支持；主控模块17 可控制电池管理模块23与数据传输模块18，并将uwb雷达波信号传输至数据采集单元19；数据采集单元19可将信号输出为网络形式；uwb雷达波发射系统24半径为75mm，高为1600mm；
31.如图3所示，uwb雷达波接收系统以可调节的煤岩体填充系统2为中心位于人员临时监测系统26的对面，并与uwb雷达波发射系统24、人员临时监测系统26以及可调节的煤岩体填充系统2相连接，以实现uwb雷达的供电、人员临时监测装置的控制以及煤岩体填充系统的控制功能；uwb雷达波接收系统包括频谱分析系统5、数据链路6、信号采集系统7、uwb雷达波接收系统柜8、便携式计算机终端系统9；频谱分析系统5可第一时间接收uwb 雷达波发射系统24所传输信号，并对其进行波形稳定性判断，之后将模拟信号经模数变换电路变换成数字信号后，进行傅里叶分析，同时数字本振信号，也加到数字滤波器与被测信号作傅里叶分析，之后经积分处理后得出分析结果供示波管显示频谱图形，并将信号传输至信号采集系统7；信号采集系统7可将信号分有线与无线的方式传输至便携式计算机终端系统9；计算机终端系统 9可采用matlab程序对获得数据进行分析、变换、取优处理，之后通过小波变换的方式对波形进行光滑去噪处理；数据链路6可连接便携式计算机终端系统9并与其内部的便携式电脑终端计算机10、uwb雷达波发射系统24、人员临时监测系统26以及可调节的煤岩体填充系统2相连接，以实现uwb雷达的供电、人员临时监测装置的控制以及煤岩体填充系统的控制功能；数据链路6于uwb雷达波接收系统柜8内，并连接于频谱分析系统5以及信号采集系统7相连接，以实现频谱分析系统5对信号采集系统7的信号传输以及信号采集系统7对便携式电脑终端计算机10的信号传输功能；便携式计算机终端系统9包括便携式计算机10、便携式计算机放置柜11、uwb雷达信号接收引脚12、示波器显示器13、示波器控制按钮14、uwb雷达波接收系统柜电源接口15、便携式计算机终端线轮盘接口16；便携式计算机10可实现人员临时监测装置的控制功能、煤岩体填充系统的控制功能以及接收信号采集系统
7所采集的信号并通过matlab程序对获得数据进行分析、变换、取优处理，之后通过小波变换的方式对波形进行光滑去噪处理，以实现uwb雷达波在穿透不同煤岩体以及不同厚度的煤岩体情况下波形衰减规律直观体现图；便携式计算机放置柜11可用于放置便携式计算机10及实验人员随身物品；uwb雷达信号接收引脚12可采用无线方式接收uwb雷达波发射系统24所发出的uwb 雷达波返回信号并将其获取数据传输至便携式计算机10，便携式计算机10采用去噪方式可根据具体波形进行更改；示波器显示器13可实时显示uwb雷达波发射系统24所发出的uwb雷达波发射信号，以判断uwb雷达波发射系统24是否稳定工作；示波器控制按钮14可控制示波器显示器13显示图像的幅度、相移、周期以及频率，以实现uwb雷达波发射信号波形图的清晰体现功能；uwb雷达波接收系统柜电源接口15能够为频谱分析系统5、信号采集系统7、便携式计算机终端系统9、人员临时监测系统26以及可调节的煤岩体填充系统2提供电力支持；
32.人员临时监测系统26包括用于临时监测人员25的临时人员监测装置；临时人员监测装置可进行水平移动与原地旋转，设置最小高度为400mm，最大高度为1600mm；如图4所示，临时人员监测装置包括定向轮一27、定向轮二28、定向轮三29、定向轮四30、伺服电机31、可控液压伸缩杆一32、可控液压伸缩杆二33、担架床板一34、担架床板二35、担架床板转动轴36；伺服电机31 受计算机控制，可通过改变四个定向轮的偏转角度以及转动距离实现对临时人员监测装置的水平控制，同时，伺服电机31可通过计算机调节去控制可控液压伸缩杆一32和可控液压伸缩杆二33；可控液压伸缩杆一32和可控液压伸缩杆二33连接于担架床板一34、担架床板二35底部，并可通过伸缩完成担架床板一34、担架床板二35的旋转角度，担架床板转动轴36用于连接担架床板一 34与担架床板二35，从而改变临时监测人员25的实时位置；进而完成不同人体姿势对uwb雷达波的信号传输影响；
33.煤岩体填充系统2可将填充区域进行分割，根据uwb雷达波发射系统24 放置角度选择煤岩体30
°
、60
°
、90
°
、180
°
、360
°
填充方式，可调节的煤岩体填充系统2包括uwb雷达防放置内壳1、煤岩体放置外壳调节装置3、煤岩体放置外壳4；uwb雷达防放置内壳1内径为78mm，高为1600mm；煤岩体放置外壳调节装置3可控制煤岩体放置外壳4的半径，进而改变煤岩体填充体积，起到不同厚度的煤岩体对uwb雷达波传输衰减的研究辅助作用；煤岩体填充外壳4最小内径为100mm，最大内径为1000mm，高为1600mm。
34.上述实施例的工作方法是：如图5所示，先将uwb雷达波发射系统放入 uwb雷达放置内壳1，将uwb雷达主控模块17开启后，由主控模块控制天线探头一20、天线探头二21、电池22、电池管理模块23、数据传输模块18 以及数据采集单元19进行5min的装置预热。同时开启uwb雷达波接收系统柜电源接口15，由uwb雷达波电源接口启动频谱分析系统5、信号采集系统 7、数据链路6以及便携式计算机终端系统9。控制伺服电机31，改变定向轮一27、定向轮二28、定向轮三29、定向轮四30的偏转角度以及转动距离，完成人员临时监测系统26的水平位置固定；控制伺服电机31，改变可控液压伸缩杆一32、可控液压伸缩杆二33的伸缩程度，完成对担架床的竖直位置固定。 uwb雷达波发射系统预热完毕后，调节示波器按钮14，观察示波器显示器13 的波形是否稳定传输，并由便携式计算机终端系统9对所得的uwb雷达波信号进行初步处理，以完成再未添加煤岩体样本下的雷达波传输衰减规律研究，并将此组数据作为样本数据。完成未添加煤岩体样本的研究后，选择煤岩体种类，可选择不通过种类的煤体、岩体以及固定配比下的煤岩混合体作为样本，并采集此状态下的便携式计算
机终端系统所获得的数据，以完成不同煤岩体对 uwb雷达波传输衰减规律的研究。完成添加煤岩体样本的研究后，临时监测人员25进入人员临时监测系统26，并将腿部置于担架床板2，头部至于担架床板1，并采集此状态下的便携式计算机终端系统所获得的数据，以完成不同煤岩体对uwb雷达波人员探测定位的传输衰减规律影响。
35.上述电子元件的具体型号未作特殊指定，均可以选用市售的普通产品，只要能够满足本发明的使用需求即可。
36.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。