李 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司技師學院，山西 大同 037003）

0 引言

煤層通常是夾在巖層之間、高度不等的連續(xù)楔形煤。煤炭開采過程的目標是以一種高效和安全的方式提取盡可能多的這種煤層，同時對周圍環(huán)境的影響最小。在長壁煤礦中，兩條被稱為“閘道”的長期水平巷道被切割進煤層中，形成被稱為“長壁板”的大型矩形煤塊的主要邊界。道路采礦設(shè)備的主要部分是安裝在后面的面板。隨著開采的進行、地質(zhì)和設(shè)備的相互作用造成長壁工作面壓力的變化，導致工作面設(shè)備向閘板巷道的側(cè)向滑動逐漸增加，稱為長壁蠕變。如果不進行檢查，可能導致長壁設(shè)備最終撞到大門路肋，有效地使臉陷入停頓。后退和蠕變對應(yīng)了長壁閘門巷道采礦設(shè)備的沿軌和跨軌位置。由于該設(shè)備與整個長壁工作面機械連接，因此閘門道路機械的準確定位能夠改善長壁工藝的管理。相對定位（即對周圍礦山基礎(chǔ)設(shè)施如隧道壁的測量）和在整個礦區(qū)內(nèi)的絕對定位都是至關(guān)重要的[1-3]。

針對這一應(yīng)用開發(fā)的特定雷達系統(tǒng)改編自FMR 250 工業(yè)雷達液位傳感器。本文選擇這種傳感器的首要考慮因素是它能在爆炸性環(huán)境中使用，這是煤礦井下富甲烷環(huán)境中電氣設(shè)備運行的關(guān)鍵要求。

1 系統(tǒng)實驗

1.1 雷達系統(tǒng)初始測試

雷達裝置安裝在裝滿煤的盒子上方的可移動龍門上，以便在采煤坑的各個點進行測量。測試包括對煤表面的基本測距，以及基于煤表面上通常會在礦井環(huán)境中遇到的各種目標的雷達響應(yīng)變化的詳細分。肋壁表面沒有任何雜亂，這為初始概念驗證測試提供了理想的條件。為了在現(xiàn)實條件下對傳感器進行完整的現(xiàn)場試驗，需要在更現(xiàn)實的條件下，包括在典型煤礦中發(fā)現(xiàn)的管道、標志和其他金屬結(jié)構(gòu)的存在下，對采煤巷道進行一段重要的試驗。

1.2 傳感器平臺系統(tǒng)

井下試驗采用了一套完整的傳感器硬件，安裝在一個試驗平臺上，該平臺設(shè)計將儀器設(shè)置在與閘門路礦井機械相同的高度。本文開發(fā)了一系列定制的應(yīng)用軟件，以獲取和同步不同的傳感儀器的數(shù)據(jù)。試驗使用的傳感器有主雷達單元，基于26 GHz Endress Hauser 儀器；三個SICK LMS 200 激光掃描儀，兩個安裝在航行方向的側(cè)面，掃描隧道壁（以驗證蠕變測量），第三個在航行方向（以提供與系統(tǒng)撤退估計比較的基礎(chǔ)）；用于地下的低照度攝像機；數(shù)據(jù)采集PC 機（標準便攜式計算機）。實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對來自雷達和激光掃描儀的數(shù)據(jù)進行時間同步，允許快速后處理、比較分析和數(shù)據(jù)融合。試驗后的數(shù)據(jù)處理是在Matlab 中進行的，但數(shù)據(jù)存儲和檢索協(xié)議是為了最終集成到現(xiàn)有的實時長壁自動化軟件系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)測試描述

在距離肋墻不同偏移距離處，沿著確定的門路段進行了一系列測量。目標被定位在測試航向的每一端為雷達數(shù)據(jù)提供一個可靠的沿航跡參考從前看激光掃描儀。在2 d 的測試期間，總共獲得了26 個數(shù)據(jù)集。在大多數(shù)測試中，雷達傳感器被放置在測試臺車沿軌道前進方向的90 處，傳感器直接指向肋壁，以提供對蠕變距離的直接測量。金屬網(wǎng)格為雷達傳感器提供了一個額外的雜波源，因此還對試驗巷道的整個試驗長度進行了額外的掃描，以確保能夠生成一個真正具有代表性的數(shù)據(jù)集，其中包含了絕大多數(shù)地下煤礦中遇到的最常見的頂板和肋板條件。

2 試驗結(jié)果

原始雷達數(shù)據(jù)由雷達信號的“包絡(luò)曲線”組成。通過掩蔽和背景減法濾波的應(yīng)用，消除了發(fā)射和接收電路之間的增益偏差和串擾等信號偽影。單個雷達軌跡被疊加，形成雷達輸出的三維時變顯示。圖1 顯示了在距肋墻4 m 的雷達偏移距離下測試的典型結(jié)果。圖1 中兩個值得注意的特征是：與側(cè)隧道相關(guān)聯(lián)的明顯的缺口對應(yīng)著一個直通通道，以及與高反射壁掛式螺栓板相對應(yīng)的主信號回波的頻繁峰值。

圖1 一段帶截通的門路雷達數(shù)據(jù)重建

通過合并來自前向掃描器的數(shù)據(jù)，評估了門路截面的重建平面視圖，使用激光掃描儀進行了幾次測試，以捕獲大門路肋和屋頂?shù)恼麄€表面（見圖2）。進行這些掃描是為了繪制更完整的地雷環(huán)境圖像。屋頂?shù)膾呙枥走_和激光傳感器也獲得為了測試技術(shù)的功效在存在網(wǎng)狀表面。詳細的屋頂偵察支持激光掃描儀的數(shù)據(jù)見圖3。在圖2 和圖3 中，變化與激光的范圍相對應(yīng)。

圖2 一段門路拱肋及頂板激光三維重建

圖3 網(wǎng)格的詳細屋頂部分的激光重建

3 分析與討論

從KF 獲得的蠕變位置估計與激光掃描儀的數(shù)據(jù)進行了比較，激光掃描儀指向與雷達傳感器相同的肋壁。激光掃描儀生成了離散點的二維掃描線（而不是雷達的單點測量），因此使用激光數(shù)據(jù)點的中心的平均值進行比較。當激光掃描儀隔爆窗口被灰塵或泥漿遮擋時，會出現(xiàn)較大的垂直偏差，導致在窗口清潔之前對傳感器的估計不準確。這一結(jié)果證明了基于雷達的傳感方法的價值，因為雷達安裝在靠近激光掃描儀的外殼中，而不受有效蒙蔽激光的相同灰塵條件的影響。

錨桿支護方式是地下礦山防止巷道塌方的主要支護手段，是礦山嚴格控制的。因此，安裝在閘門道路一段的螺栓數(shù)量是一個已知的環(huán)境采礦參數(shù)，通過跟蹤從前一個割道開始遇到的螺栓數(shù)量，可以準確地估計采煤機沿軌道的位置。在兩個過濾后的數(shù)據(jù)集中，與許多經(jīng)過的螺栓相關(guān)的連續(xù)波峰和波谷很容易識別。

本文采用了一種新的數(shù)據(jù)融合和視覺分析方法，該方法基于將激光掃描儀和雷達數(shù)據(jù)結(jié)合在一個三維交互式顯示器中，以方便檢查重要特征。使原始雷達數(shù)據(jù)可以直接與激光掃描儀數(shù)據(jù)生成的表面進行檢查。在試驗過程中，激光單元被定向在垂直平面上掃描，以捕獲門路肋條和車頂?shù)恼麄€表面，并利用激光和雷達傳感器之間的同步，雷達回波信息可以覆蓋，與激光數(shù)據(jù)提供的高分辨率點云結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。通過調(diào)整雷達回波覆蓋在投影肋壁結(jié)構(gòu)上的截面，可以觀察雷達回波的不同方面的變化，并與激光點云的具體特征相關(guān)聯(lián)。將這種目視檢查數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用于礦場試驗的激光和雷達聯(lián)合數(shù)據(jù)集，使雷達回波信息投影到激光掃描儀數(shù)據(jù)生成的三維表面上。

4 結(jié)語

本文描述了一種新的基于雷達的系統(tǒng)，用于地下礦機定位。該方法通過利用地面采礦環(huán)境中已經(jīng)存在的采礦結(jié)構(gòu)（如螺栓板和切割）來生成特征豐富的雷達信號返回，從而避免了安裝額外的參考基礎(chǔ)設(shè)施的需要。探索了不同的概率數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以提供設(shè)備沿軌和跨軌位置的估計。這些估計后來通過使用激光測距掃描儀進行了驗證，發(fā)現(xiàn)非常吻合。這些試驗的成功促進了一種改進系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)準備好集成到作業(yè)礦井機械自動化系統(tǒng)中。