本发明涉及薄煤层无人化开采中的煤岩界面识别技术，具体是一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置。本发明解决了现有煤岩界面识别装置适用范围受限、使用安全性差、测量精度低、分辨率低、抗干扰能力差、电磁兼容性差的问题。一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，包括发射机、收发天线、双通道接收机、数据采集模块、信号处理模块、通信模块、本安电源；所述发射机包括超宽带混沌信号发生器、第一带通滤波器、第一功分器、功率放大器；所述收发天线包括发射天线、接收天线；所述双通道接收机包括第二带通滤波器、第三带通滤波器、低噪放大器、IQ解调器、本振信号发生器。本发明适用于薄煤层无人化开采。
1.一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，其特征在于：包括发射机、收发天线、双通道接收机、数据采集模块（11）、信号处理模块（12）、通信模块（13）、本安电源（14）；
所述发射机包括超宽带混沌信号发生器（1）、第一带通滤波器（2）、第一功分器（3）、功率放大器（4）；
所述收发天线包括发射天线（5a）、接收天线（5b）；
所述双通道接收机包括第二带通滤波器（6）、第三带通滤波器（7）、低噪放大器（8）、IQ解调器（9）、本振信号发生器（10）；
其中，超宽带混沌信号发生器（1）的输出端与第一带通滤波器（2）的输入端连接；第一带通滤波器（2）的输出端与第一功分器（3）的输入端连接；第一功分器（3）的两个输出端分别与功率放大器（4）的输入端和第二带通滤波器（6）的输入端连接；功率放大器（4）的输出端与发射天线（5a）的输入端连接；第二带通滤波器（6）的输出端与数据采集模块（11）的输入端连接；
接收天线（5b）的输出端与第三带通滤波器（7）的输入端连接；第三带通滤波器（7）的输出端与低噪放大器（8）的输入端连接；低噪放大器（8）的输出端和本振信号发生器（10）的输出端均与IQ解调器（9）的输入端连接；IQ解调器（9）的输出端与数据采集模块（11）的输入端连接；
数据采集模块（11）的输出端与信号处理模块（12）的输入端连接；信号处理模块（12）的输出端与通信模块（13）的输入端连接；
超宽带混沌信号发生器（1）的供电输入端、IQ解调器（9）的供电输入端、数据采集模块（11）的供电输入端、信号处理模块（12）的供电输入端均与本安电源（14）的供电输出端连接；
所述超宽带混沌信号发生器（1）包括压控振荡器（21）、第二功分器（22）、双平衡混频器（23）、模数转换器（24）、时延积分反馈单元（25）、数模转换器（26）；其中，压控振荡器（21）的输出端作为超宽带混沌信号发生器（1）的输出端，且压控振荡器（21）的输出端与第二功分器（22）的输入端连接；第二功分器（22）的两个输出端分别通过两条不同长度的同轴电缆与双平衡混频器（23）的两个输入端连接；双平衡混频器（23）的输出端与模数转换器（24）的输入端连接；模数转换器（24）的输出端与时延积分反馈单元（25）的输入端连接；时延积分反馈单元（25）的输出端与数模转换器（26）的输入端连接；数模转换器（26）的输出端与压控振荡器（21）的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，其特征在于：还包括防爆外壳（15）；发射机、双通道接收机、数据采集模块（11）、信号处理模块（12）、通信模块（13）、本安电源（14）均封装于防爆外壳（15）的内腔；收发天线安装于防爆外壳（15）的外底面。
一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置
技术领域
[0001] 本发明涉及薄煤层无人化开采中的煤岩界面识别技术，具体是一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置。
背景技术
[0002] 近年来，随着矿井中厚煤层的不断枯竭，薄煤层（厚度小于1.3m的煤层）逐渐成为主采煤层。在薄煤层开采中，由于采高小、顶板低，如果完全依靠人工开采，则存在开采效率低、劳动强度高、安全事故多的问题。因此，为了提高开采效率、降低劳动强度、减少安全事故，在薄煤层开采中实行无人化开采势在必行。作为薄煤层无人化开采中的关键技术之一，煤岩界面识别技术能够使采煤机在行进过程中根据煤层的赋存弯曲程度自动调节滚筒高度，由此提高回采率、降低灰分和硫含量、减少切割顶底板岩石以降低矸石含量、提高截煤速度、减少岩石诱发的振动以减少机器的维护等。在现有技术条件下，煤岩界面识别装置主要分为三类：第一类是天然伽马射线传感器，第二类是基于切割力、振动、温度等特性的煤岩界面识别装置，第三类是基于煤岩电磁波传播特性的雷达式煤岩界面识别装置。实践表明，现有煤岩界面识别装置由于自身结构和原理所限，存在如下问题：其一，天然伽马射线传感器要求顶底板围岩必须有放射性元素，因此其对于砂岩顶板的适应性极差，由此存在适用范围受限的问题。其二，基于切割力、振动、温度等特性的煤岩界面识别装置均属于接触式识别装置（只有在采煤机切入岩石时才会作出反应），因此其容易因切割岩石产生的火花而引发爆炸等恶性事故，由此存在使用安全性差的问题。其三，基于煤岩电磁波传播特性的雷达式煤岩界面识别装置存在测量精度低、分辨率低、抗干扰能力差、电磁兼容性差的问题，因此其无法满足薄煤层无人化开采的要求。基于此，有必要发明一种全新的煤岩界面识别装置，以解决现有煤岩界面识别装置存在的上述问题。
发明内容
[0003] 本发明为了解决现有煤岩界面识别装置适用范围受限、使用安全性差、测量精度低、分辨率低、抗干扰能力差、电磁兼容性差的问题，提供了一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置。
[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，包括发射机、收发天线、双通道接收机、数据采集模块、信号处理模块、通信模块、本安电源；
[0005] 所述发射机包括超宽带混沌信号发生器、第一带通滤波器、第一功分器、功率放大器；
[0006] 所述收发天线包括发射天线a、接收天线b；
[0007] 所述双通道接收机包括第二带通滤波器、第三带通滤波器、低噪放大器、IQ解调器、本振信号发生器；
[0008] 其中，超宽带混沌信号发生器的输出端与第一带通滤波器的输入端连接；第一带通滤波器的输出端与第一功分器的输入端连接；第一功分器的两个输出端分别与功率放大器的输入端和第二带通滤波器的输入端连接；功率放大器的输出端与发射天线a的输入端连接；第二带通滤波器的输出端与数据采集模块的输入端连接；
[0009] 接收天线b的输出端与第三带通滤波器的输入端连接；第三带通滤波器的输出端与低噪放大器的输入端连接；低噪放大器的输出端和本振信号发生器的输出端均与IQ解调器的输入端连接；IQ解调器的输出端与数据采集模块的输入端连接；
[0010] 数据采集模块的输出端与信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与通信模块的输入端连接；
[0011] 超宽带混沌信号发生器的供电输入端、IQ解调器的供电输入端、数据采集模块的供电输入端、信号处理模块的供电输入端均与本安电源的供电输出端连接。
[0012] 工作时，通过螺栓连接在采煤机机身的顶部和底部分别安装一台本发明所述的一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，并将通信模块的输出端通过同轴电缆与采煤机控制器的输入端连接，如图1、图3所示。具体工作过程如下：随着采煤机的行进，超宽带混沌信号发生器产生超宽带混沌调频信号。该超宽带混沌调频信号进入第一带通滤波器，并经第一带通滤波器进行滤波后进入第一功分器，然后经第一功分器分为两路：第一路进入功率放大器，并经功率放大器进行放大后进入发射天线，然后经发射天线发射至煤层（用于探测待采煤层的厚度），并经煤岩界面反射产生回波信号。该回波信号被接收天线接收后进入第三带通滤波器，并依次经第三带通滤波器、低噪放大器、IQ解调器进行滤波、放大、IQ解调后进入数据采集模块。第二路经第二带通滤波器进行滤波后进入数据采集模块。两路超宽带混沌调频信号经数据采集模块进行采样后进入信号处理模块，并经信号处理模块进行处理（包括时域互相关脉冲压缩处理、抑制杂波处理等）后获得煤层厚度信息，由此实现了煤层顶板和底板的煤岩界面识别。该煤层厚度信息经通信模块发送至采煤机控制器，采煤机控制器即可依据该煤层厚度信息自动调节采煤机的滚筒高度。
[0013] 基于上述过程，与现有煤岩界面识别装置相比，本发明所述的一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置一方面利用超宽带混沌调频信号抗干扰能力强、电磁兼容性良好、测量精度高、动态范围大等优点，另一方面结合时域互相关脉冲压缩技术，实现了高分辨率、实时、自动地识别待采煤层的煤岩界面，由此具备了如下优点：其一，与天然伽马射线传感器相比，本发明不再要求顶底板围岩必须有放射性元素，因此其适用范围不再受限。其二，与基于切割力、振动、温度等特性的煤岩界面识别装置相比，本发明属于非接触式识别装置，因此其使用安全性更好。其三，与基于煤岩电磁波传播特性的雷达式煤岩界面识别装置相比，本发明的测量精度更高、分辨率更高、抗干扰能力更强、电磁兼容性更好，因此其很好地满足了薄煤层无人化开采的要求。
[0014] 本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有煤岩界面识别装置适用范围受限、使用安全性差、测量精度低、分辨率低、抗干扰能力差、电磁兼容性差的问题，适用于薄煤层无人化开采。
附图说明
[0015] 图1是本发明的结构示意图。
[0016] 图2是本发明的超宽带混沌信号发生器的结构示意图。
[0017] 图3是本发明的工作状态示意图。
[0018] 图中：1-超宽带混沌信号发生器，2-第一带通滤波器，3-第一功分器，4-功率放大器，5a-发射天线，5b-接收天线，6-第二带通滤波器，7-第三带通滤波器，8-低噪放大器，9-IQ解调器，10-本振信号发生器，11-数据采集模块，12-信号处理模块，13-通信模块，14-本安电源，15-防爆外壳，16-采煤机控制器，21-压控振荡器，22-第二功分器，23-双平衡混频器，24-模数转换器，25-时延积分反馈单元，26-数模转换器。
具体实施方式
[0019] 一种基于超宽带混沌雷达的薄煤层煤岩界面识别装置，包括发射机、收发天线、双通道接收机、数据采集模块11、信号处理模块12、通信模块13、本安电源14；
[0020] 所述发射机包括超宽带混沌信号发生器1、第一带通滤波器2、第一功分器3、功率放大器4；
[0021] 所述收发天线包括发射天线5a、接收天线5b；
[0022] 所述双通道接收机包括第二带通滤波器6、第三带通滤波器7、低噪放大器8、IQ解调器9、本振信号发生器10；
[0023] 其中，超宽带混沌信号发生器1的输出端与第一带通滤波器2的输入端连接；第一带通滤波器2的输出端与第一功分器3的输入端连接；第一功分器3的两个输出端分别与功率放大器4的输入端和第二带通滤波器6的输入端连接；功率放大器4的输出端与发射天线5a的输入端连接；第二带通滤波器6的输出端与数据采集模块11的输入端连接；
[0024] 接收天线5b的输出端与第三带通滤波器7的输入端连接；第三带通滤波器7的输出端与低噪放大器8的输入端连接；低噪放大器8的输出端和本振信号发生器10的输出端均与IQ解调器9的输入端连接；IQ解调器9的输出端与数据采集模块11的输入端连接；
[0025] 数据采集模块11的输出端与信号处理模块12的输入端连接；信号处理模块12的输出端与通信模块13的输入端连接；
[0026] 超宽带混沌信号发生器1的供电输入端、IQ解调器9的供电输入端、数据采集模块11的供电输入端、信号处理模块12的供电输入端均与本安电源14的供电输出端连接。
[0027] 所述超宽带混沌信号发生器1包括压控振荡器21、第二功分器22、双平衡混频器23、模数转换器24、时延积分反馈单元25、数模转换器26；其中，压控振荡器21的输出端作为超宽带混沌信号发生器1的输出端，且压控振荡器21的输出端与第二功分器22的输入端连接；第二功分器22的两个输出端分别通过两条不同长度的同轴电缆与双平衡混频器23的两个输入端连接；双平衡混频器23的输出端与模数转换器24的输入端连接；模数转换器24的输出端与时延积分反馈单元25的输入端连接；时延积分反馈单元25的输出端与数模转换器
26的输入端连接；数模转换器26的输出端与压控振荡器21的输入端连接。具体工作过程如下：压控振荡器产生微波信号。该微波信号进入第二功分器，并经第二功分器分为两路，两路微波信号经两条不同长度的同轴电缆传输并产生一定的时延，然后进入双平衡混频器，并经双平衡混频器进行混频（由此组成一个零差鉴相器）后产生混频信号。该混频信号进入模数转换器，并依次经模数转换器、时延积分反馈单元、数模转换器进行模数转换、时延积分、数模转换后反馈至压控振荡器，使得压控振荡器产生超宽带混沌调频信号。
[0028] 还包括防爆外壳15；发射机、双通道接收机、数据采集模块11、信号处理模块12、通信模块13、本安电源14均封装于防爆外壳15的内腔；收发天线安装于防爆外壳15的外底面。
[0029] 具体实施时，模数转换器24采用8位模数转换器。时延积分反馈单元25采用FPGA（Altera CycloneII）实现。数模转换器26采用TI DAC900型数模转换器。
