基于煤層瓦斯超聲檢測(cè)的脈沖壓縮技術(shù)

萬暢++陳敏

摘要：對(duì)于目前常規(guī)超聲檢測(cè)診斷時(shí)高頻超聲信號(hào)難進(jìn)入煤層內(nèi)部，低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術(shù)，主要是線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)精度。本文首先對(duì)脈沖壓縮和線性調(diào)頻脈沖信號(hào)進(jìn)行了介紹，然后研究了線性調(diào)頻信號(hào)的壓縮過程及其壓縮方法。

關(guān)鍵詞：脈沖壓縮技術(shù) 超聲 線性調(diào)頻 匹配濾波 加權(quán)處理

中圖分類號(hào)：TU459 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0103-02

我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源。由于我國(guó)煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件及煤層賦存條件復(fù)雜，自然發(fā)火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測(cè)是防止該類惡性事件發(fā)生的重要技術(shù)手段。因此研究超聲檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問題是怎樣準(zhǔn)確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測(cè)回波信號(hào)的信噪比，在整個(gè)超聲檢測(cè)過程中，影響接收信號(hào)的因素很多，一般超聲檢測(cè)方法有效作用距離非常短，隨著被檢測(cè)材料距離的增加，收到的超聲信號(hào)的幅度會(huì)急劇下降，當(dāng)信噪比的數(shù)值降低到1左右或小于1時(shí)，信號(hào)就不可能檢測(cè)出來，同時(shí)限制了檢測(cè)頻率的上升。

本文通過對(duì)瓦斯超聲檢測(cè)煤層中弱信號(hào)，低信噪比的問題，采用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行加工處理，使超聲檢測(cè)的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層瓦斯參數(shù)原理

針對(duì)含瓦斯煤層內(nèi)部分布著許多細(xì)微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對(duì)超聲信號(hào)的衰減很大，常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)高頻超聲信號(hào)很難進(jìn)入煤層內(nèi)部，采用低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度很低的現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號(hào)調(diào)制到低頻超聲信號(hào)上。利用低頻超聲信號(hào)穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，增大超聲檢測(cè)距離；同時(shí)利用高頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，提高煤層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層中瓦斯參數(shù)，選擇恰當(dāng)?shù)拿}沖壓縮信號(hào)作為超聲發(fā)射信號(hào)，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強(qiáng)檢測(cè)能力，又得到了寬脈沖的高測(cè)距，應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)，必須獲得大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)，而線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）是獲得大時(shí)寬帶-寬積的最佳信號(hào)，它在寬脈沖內(nèi)附加載波線性調(diào)頻，從而實(shí)現(xiàn)在大時(shí)寬的前提下擴(kuò)展了信號(hào)的帶寬。

2 脈沖壓縮技術(shù)的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)被認(rèn)為是雷達(dá)理論確立后最重要的三項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)展之一[3]。其帶寬是指調(diào)制激勵(lì)信號(hào)的頻帶寬度，時(shí)寬是指激勵(lì)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，兩者乘積為時(shí)寬帶寬積。將一個(gè)參考波形與回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算是脈沖壓縮技術(shù)的關(guān)鍵，如果選擇了恰當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，最終會(huì)將時(shí)寬大、幅值小的信號(hào)壓縮成為幅值大、時(shí)寬小的信號(hào)。圖1為典型的線性調(diào)頻脈沖壓縮處理過程，而激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和匹配濾波器的設(shè)計(jì)是最主要的兩個(gè)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(cè)法中，檢測(cè)距離取決于發(fā)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(dāng)瞬時(shí)輸出能量達(dá)到上限值時(shí)，只能靠增大發(fā)射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會(huì)降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術(shù)的應(yīng)用，可在保持瞬時(shí)輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號(hào)，且增加系統(tǒng)距離分辨能力[4-5]。

線性調(diào)頻脈沖激勵(lì)信號(hào)：當(dāng)前各類脈沖壓縮技術(shù)中，發(fā)展最好，最廣泛的是線性條調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該信號(hào)很容易產(chǎn)生和處理。

線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)常用復(fù)數(shù)表達(dá)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(diào)制信號(hào)持續(xù)時(shí)間，即為時(shí)寬；B為調(diào)制信號(hào)頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調(diào)頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)

線性調(diào)頻脈沖壓縮實(shí)質(zhì)上就是對(duì)回波進(jìn)行頻率延遲[1]；低頻信號(hào)部分延遲時(shí)間長(zhǎng)，高頻信號(hào)部分延遲時(shí)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?yōu)樵瓉淼腄倍[1]。

線性調(diào)頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數(shù)字脈沖。模擬脈沖壓縮系統(tǒng)參數(shù)一旦設(shè)定就已無法更改，不具有在復(fù)雜的目標(biāo)環(huán)境中波形漸變的自適應(yīng)能力，而數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)改變發(fā)射波形和系統(tǒng)參數(shù)，使其相互保持匹配?；跀?shù)字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩(wěn)定、對(duì)元器件沒有限制，工作可靠及易產(chǎn)生性等優(yōu)點(diǎn)，得到愈來愈多的重視。

數(shù)字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關(guān)處理器和展寬處理器。實(shí)現(xiàn)的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數(shù)字相關(guān)處理器設(shè)計(jì)的主要方法之一，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)相關(guān)處理器有M個(gè)距離采樣值時(shí)，采樣數(shù)等于M加上所參考波形的采樣數(shù)，在參考波形的FFT中要加入M個(gè)零值，任何波形該相關(guān)處理器都能處理，并且對(duì)該參考波形進(jìn)行多普勒偏置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)匹配濾波。

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

4 線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的加權(quán)處理

現(xiàn)在我們知道，線性調(diào)頻脈沖信號(hào)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(cè)產(chǎn)生以辛格函數(shù)為包絡(luò)的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標(biāo)的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個(gè)目標(biāo)。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權(quán)技術(shù)是抑制旁瓣的最佳方法。加權(quán)有頻域加權(quán)和時(shí)域加權(quán)兩種，頻域加權(quán)是指通過調(diào)整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時(shí)域加權(quán)是指通過控制波形包絡(luò)形狀來獲得多普勒響應(yīng)形狀的方法。不管是時(shí)域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結(jié)語

脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于超聲檢測(cè)中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術(shù)的參數(shù)影響超聲檢測(cè)的效果，選擇適當(dāng)參數(shù)是檢測(cè)過程的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]翟慶林，張軍，付強(qiáng).線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)及其在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，01：17-19.

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

[3]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]周正干，魏東，向上.線性調(diào)頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，18：24-28+35.

[5]周正干，張宏宇，魏東.脈沖壓縮技術(shù)在超聲換能器激勵(lì)接收方法中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，17：2127-2131.endprint

摘要：對(duì)于目前常規(guī)超聲檢測(cè)診斷時(shí)高頻超聲信號(hào)難進(jìn)入煤層內(nèi)部，低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術(shù)，主要是線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)精度。本文首先對(duì)脈沖壓縮和線性調(diào)頻脈沖信號(hào)進(jìn)行了介紹，然后研究了線性調(diào)頻信號(hào)的壓縮過程及其壓縮方法。

關(guān)鍵詞：脈沖壓縮技術(shù) 超聲 線性調(diào)頻 匹配濾波 加權(quán)處理

中圖分類號(hào)：TU459 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0103-02

我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源。由于我國(guó)煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件及煤層賦存條件復(fù)雜，自然發(fā)火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測(cè)是防止該類惡性事件發(fā)生的重要技術(shù)手段。因此研究超聲檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問題是怎樣準(zhǔn)確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測(cè)回波信號(hào)的信噪比，在整個(gè)超聲檢測(cè)過程中，影響接收信號(hào)的因素很多，一般超聲檢測(cè)方法有效作用距離非常短，隨著被檢測(cè)材料距離的增加，收到的超聲信號(hào)的幅度會(huì)急劇下降，當(dāng)信噪比的數(shù)值降低到1左右或小于1時(shí)，信號(hào)就不可能檢測(cè)出來，同時(shí)限制了檢測(cè)頻率的上升。

本文通過對(duì)瓦斯超聲檢測(cè)煤層中弱信號(hào)，低信噪比的問題，采用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行加工處理，使超聲檢測(cè)的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層瓦斯參數(shù)原理

針對(duì)含瓦斯煤層內(nèi)部分布著許多細(xì)微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對(duì)超聲信號(hào)的衰減很大，常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)高頻超聲信號(hào)很難進(jìn)入煤層內(nèi)部，采用低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度很低的現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號(hào)調(diào)制到低頻超聲信號(hào)上。利用低頻超聲信號(hào)穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，增大超聲檢測(cè)距離；同時(shí)利用高頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，提高煤層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層中瓦斯參數(shù)，選擇恰當(dāng)?shù)拿}沖壓縮信號(hào)作為超聲發(fā)射信號(hào)，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強(qiáng)檢測(cè)能力，又得到了寬脈沖的高測(cè)距，應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)，必須獲得大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)，而線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）是獲得大時(shí)寬帶-寬積的最佳信號(hào)，它在寬脈沖內(nèi)附加載波線性調(diào)頻，從而實(shí)現(xiàn)在大時(shí)寬的前提下擴(kuò)展了信號(hào)的帶寬。

2 脈沖壓縮技術(shù)的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)被認(rèn)為是雷達(dá)理論確立后最重要的三項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)展之一[3]。其帶寬是指調(diào)制激勵(lì)信號(hào)的頻帶寬度，時(shí)寬是指激勵(lì)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，兩者乘積為時(shí)寬帶寬積。將一個(gè)參考波形與回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算是脈沖壓縮技術(shù)的關(guān)鍵，如果選擇了恰當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，最終會(huì)將時(shí)寬大、幅值小的信號(hào)壓縮成為幅值大、時(shí)寬小的信號(hào)。圖1為典型的線性調(diào)頻脈沖壓縮處理過程，而激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和匹配濾波器的設(shè)計(jì)是最主要的兩個(gè)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(cè)法中，檢測(cè)距離取決于發(fā)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(dāng)瞬時(shí)輸出能量達(dá)到上限值時(shí)，只能靠增大發(fā)射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會(huì)降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術(shù)的應(yīng)用，可在保持瞬時(shí)輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號(hào)，且增加系統(tǒng)距離分辨能力[4-5]。

線性調(diào)頻脈沖激勵(lì)信號(hào)：當(dāng)前各類脈沖壓縮技術(shù)中，發(fā)展最好，最廣泛的是線性條調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該信號(hào)很容易產(chǎn)生和處理。

線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)常用復(fù)數(shù)表達(dá)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(diào)制信號(hào)持續(xù)時(shí)間，即為時(shí)寬；B為調(diào)制信號(hào)頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調(diào)頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)

線性調(diào)頻脈沖壓縮實(shí)質(zhì)上就是對(duì)回波進(jìn)行頻率延遲[1]；低頻信號(hào)部分延遲時(shí)間長(zhǎng)，高頻信號(hào)部分延遲時(shí)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?yōu)樵瓉淼腄倍[1]。

線性調(diào)頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數(shù)字脈沖。模擬脈沖壓縮系統(tǒng)參數(shù)一旦設(shè)定就已無法更改，不具有在復(fù)雜的目標(biāo)環(huán)境中波形漸變的自適應(yīng)能力，而數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)改變發(fā)射波形和系統(tǒng)參數(shù)，使其相互保持匹配?；跀?shù)字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩(wěn)定、對(duì)元器件沒有限制，工作可靠及易產(chǎn)生性等優(yōu)點(diǎn)，得到愈來愈多的重視。

數(shù)字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關(guān)處理器和展寬處理器。實(shí)現(xiàn)的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數(shù)字相關(guān)處理器設(shè)計(jì)的主要方法之一，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)相關(guān)處理器有M個(gè)距離采樣值時(shí)，采樣數(shù)等于M加上所參考波形的采樣數(shù)，在參考波形的FFT中要加入M個(gè)零值，任何波形該相關(guān)處理器都能處理，并且對(duì)該參考波形進(jìn)行多普勒偏置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)匹配濾波。

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

4 線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的加權(quán)處理

現(xiàn)在我們知道，線性調(diào)頻脈沖信號(hào)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(cè)產(chǎn)生以辛格函數(shù)為包絡(luò)的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標(biāo)的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個(gè)目標(biāo)。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權(quán)技術(shù)是抑制旁瓣的最佳方法。加權(quán)有頻域加權(quán)和時(shí)域加權(quán)兩種，頻域加權(quán)是指通過調(diào)整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時(shí)域加權(quán)是指通過控制波形包絡(luò)形狀來獲得多普勒響應(yīng)形狀的方法。不管是時(shí)域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結(jié)語

脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于超聲檢測(cè)中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術(shù)的參數(shù)影響超聲檢測(cè)的效果，選擇適當(dāng)參數(shù)是檢測(cè)過程的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]翟慶林，張軍，付強(qiáng).線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)及其在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，01：17-19.

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

[3]于不凡，王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]周正干，魏東，向上.線性調(diào)頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，18：24-28+35.

[5]周正干，張宏宇，魏東.脈沖壓縮技術(shù)在超聲換能器激勵(lì)接收方法中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，17：2127-2131.endprint

摘要：對(duì)于目前常規(guī)超聲檢測(cè)診斷時(shí)高頻超聲信號(hào)難進(jìn)入煤層內(nèi)部，低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度較低的情況，提出了脈沖壓縮技術(shù)，主要是線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)的信噪比和檢測(cè)精度。本文首先對(duì)脈沖壓縮和線性調(diào)頻脈沖信號(hào)進(jìn)行了介紹，然后研究了線性調(diào)頻信號(hào)的壓縮過程及其壓縮方法。

關(guān)鍵詞：脈沖壓縮技術(shù) 超聲 線性調(diào)頻 匹配濾波 加權(quán)處理

中圖分類號(hào)：TU459 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0103-02

我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭是我國(guó)的主要能源。由于我國(guó)煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件及煤層賦存條件復(fù)雜，自然發(fā)火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，煤層瓦斯檢測(cè)是防止該類惡性事件發(fā)生的重要技術(shù)手段。因此研究超聲檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問題是怎樣準(zhǔn)確、可靠地提高煤層瓦斯超聲檢測(cè)回波信號(hào)的信噪比，在整個(gè)超聲檢測(cè)過程中，影響接收信號(hào)的因素很多，一般超聲檢測(cè)方法有效作用距離非常短，隨著被檢測(cè)材料距離的增加，收到的超聲信號(hào)的幅度會(huì)急劇下降，當(dāng)信噪比的數(shù)值降低到1左右或小于1時(shí)，信號(hào)就不可能檢測(cè)出來，同時(shí)限制了檢測(cè)頻率的上升。

本文通過對(duì)瓦斯超聲檢測(cè)煤層中弱信號(hào)，低信噪比的問題，采用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行加工處理，使超聲檢測(cè)的距離和分辨率得到提高。

1 超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層瓦斯參數(shù)原理

針對(duì)含瓦斯煤層內(nèi)部分布著許多細(xì)微的孔隙和裂縫，孔隙和裂縫中又充滿瓦斯氣體，對(duì)超聲信號(hào)的衰減很大，常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)高頻超聲信號(hào)很難進(jìn)入煤層內(nèi)部，采用低頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度很低的現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)出高效的脈沖壓縮與解壓縮電路，把高頻超聲信號(hào)調(diào)制到低頻超聲信號(hào)上。利用低頻超聲信號(hào)穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，增大超聲檢測(cè)距離；同時(shí)利用高頻超聲信號(hào)檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，提高煤層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)精度。采用超聲脈沖壓縮法檢測(cè)煤層中瓦斯參數(shù)，選擇恰當(dāng)?shù)拿}沖壓縮信號(hào)作為超聲發(fā)射信號(hào)，從而在接收端獲得窄脈沖，既有窄脈沖的強(qiáng)檢測(cè)能力，又得到了寬脈沖的高測(cè)距，應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)，必須獲得大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)，而線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）是獲得大時(shí)寬帶-寬積的最佳信號(hào)，它在寬脈沖內(nèi)附加載波線性調(diào)頻，從而實(shí)現(xiàn)在大時(shí)寬的前提下擴(kuò)展了信號(hào)的帶寬。

2 脈沖壓縮技術(shù)的基本原理

脈沖壓縮技術(shù)被認(rèn)為是雷達(dá)理論確立后最重要的三項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)展之一[3]。其帶寬是指調(diào)制激勵(lì)信號(hào)的頻帶寬度，時(shí)寬是指激勵(lì)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，兩者乘積為時(shí)寬帶寬積。將一個(gè)參考波形與回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算是脈沖壓縮技術(shù)的關(guān)鍵，如果選擇了恰當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，最終會(huì)將時(shí)寬大、幅值小的信號(hào)壓縮成為幅值大、時(shí)寬小的信號(hào)。圖1為典型的線性調(diào)頻脈沖壓縮處理過程，而激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和匹配濾波器的設(shè)計(jì)是最主要的兩個(gè)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(cè)法中，檢測(cè)距離取決于發(fā)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(dāng)瞬時(shí)輸出能量達(dá)到上限值時(shí)，只能靠增大發(fā)射脈沖寬度來提高輸出能量，但增大脈沖寬度會(huì)降低回波之間分辨能力。脈沖壓縮技術(shù)的應(yīng)用，可在保持瞬時(shí)輸出能量的條件下，獲得幅值較大的最終信號(hào)，且增加系統(tǒng)距離分辨能力[4-5]。

線性調(diào)頻脈沖激勵(lì)信號(hào)：當(dāng)前各類脈沖壓縮技術(shù)中，發(fā)展最好，最廣泛的是線性條調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)。該信號(hào)很容易產(chǎn)生和處理。

線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)常用復(fù)數(shù)表達(dá)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(diào)制信號(hào)持續(xù)時(shí)間，即為時(shí)寬；B為調(diào)制信號(hào)頻帶寬度，即為帶寬；K=B/T，為調(diào)頻斜率[2]。如圖2所示。

3 脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)

線性調(diào)頻脈沖壓縮實(shí)質(zhì)上就是對(duì)回波進(jìn)行頻率延遲[1]；低頻信號(hào)部分延遲時(shí)間長(zhǎng)，高頻信號(hào)部分延遲時(shí)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?yōu)樵瓉淼腄倍[1]。

線性調(diào)頻脈沖壓縮有兩種：模擬脈沖和數(shù)字脈沖。模擬脈沖壓縮系統(tǒng)參數(shù)一旦設(shè)定就已無法更改，不具有在復(fù)雜的目標(biāo)環(huán)境中波形漸變的自適應(yīng)能力，而數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)改變發(fā)射波形和系統(tǒng)參數(shù)，使其相互保持匹配?；跀?shù)字脈沖壓縮比較容易獲得寬脈沖波形、波形工作穩(wěn)定、對(duì)元器件沒有限制，工作可靠及易產(chǎn)生性等優(yōu)點(diǎn)，得到愈來愈多的重視。

數(shù)字脈沖壓縮匹配濾波器的方法主要有2種：相關(guān)處理器和展寬處理器。實(shí)現(xiàn)的方框圖分別如圖3，圖4所示。

利用頻域FFT法是數(shù)字相關(guān)處理器設(shè)計(jì)的主要方法之一，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)相關(guān)處理器有M個(gè)距離采樣值時(shí)，采樣數(shù)等于M加上所參考波形的采樣數(shù)，在參考波形的FFT中要加入M個(gè)零值，任何波形該相關(guān)處理器都能處理，并且對(duì)該參考波形進(jìn)行多普勒偏置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)匹配濾波。

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

4 線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的加權(quán)處理

現(xiàn)在我們知道，線性調(diào)頻脈沖信號(hào)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(cè)產(chǎn)生以辛格函數(shù)為包絡(luò)的逐漸遞減的旁瓣，從而使多目標(biāo)的分辨能力大大降低，分辨不清接近位置處的多個(gè)目標(biāo)。因此，必須采取抑制旁瓣的一些措施，而加權(quán)技術(shù)是抑制旁瓣的最佳方法。加權(quán)有頻域加權(quán)和時(shí)域加權(quán)兩種，頻域加權(quán)是指通過調(diào)整頻譜的幅度來得到壓縮脈沖形狀的方法；時(shí)域加權(quán)是指通過控制波形包絡(luò)形狀來獲得多普勒響應(yīng)形狀的方法。不管是時(shí)域還是頻域，都是為了降低旁瓣。實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5、圖6所示。

5 結(jié)語

脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于超聲檢測(cè)中，可有效提高信噪比及距離分辨能力；脈沖壓縮技術(shù)的參數(shù)影響超聲檢測(cè)的效果，選擇適當(dāng)參數(shù)是檢測(cè)過程的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

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