《Results in Engineering》：Echo Characteristics Simulation for Detection of Heterogeneous Coal-Rock Structures Using SFCW-UWB Radar
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研究人员系统仿真了不同界面几何形态和水平结构（夹层、含水层、裂隙）下的回波特征。与传统窄带雷达相比，步进频率连续波-超宽带（SFCW-UWB）雷达展现出增强的抗噪声能力和更大的穿透深度。在三维采煤工作面环境中的空气耦合条件下，对电磁波传播轨迹和时空回波特征进行
研究人员系统仿真了不同界面几何形态和水平结构（夹层、含水层、裂隙）下的回波特征。与传统窄带雷达相比，步进频率连续波-超宽带（SFCW-UWB）雷达展现出增强的抗噪声能力和更大的穿透深度。在三维采煤工作面环境中的空气耦合条件下，对电磁波传播轨迹和时空回波特征进行了仿真。
煤矿智能化开采是煤炭行业技术升级的战略方向，其核心目标在于减少井下作业人员、提升运行效率、保障生产安全并提高资源回收水平。煤岩界面识别技术是实现采煤机滚筒自动调高和工作面智能运行的关键前置环节。目前已有多种识别方法，包括γ射线衰减分析、电磁波传播技术、声发射监测、红外热成像、计算机视觉图像处理、太赫兹时域光谱、探地雷达（GPR）、钻孔雷达系统，以及基于截割功率动力学和振动信号分析的数据驱动方法。然而，在复杂地下环境中，煤岩地层组成非均质、电磁干扰动态变化、水文条件多变，现有技术普遍面临现场适用性不足的问题，亟需具备更强环境鲁棒性的自适应探测系统。步进频率连续波-超宽带（SFCW-UWB）雷达作为一种非接触式自主感知手段，利用煤与岩石介电特性的差异，通过电磁回波分析实现界面空间分辨。与传统窄带脉冲雷达相比，其在大带宽、高分辨率、强穿透能力和强抗干扰性能方面具有显著优势，但目前在采煤工作面煤岩界面识别方面的应用尚处于早期阶段，对含夹层、含水层和裂隙等非均质复杂煤岩结构中电磁波的传播与回波行为仍未充分理解。
为此，研究人员基于SFCW-UWB雷达的探测原理，利用gprMax电磁传播仿真软件建立了异质煤岩结构数值检测模型，并结合SFCW-UWB雷达回波信号获取方法，系统阐明了回波信号在不同界面几何形态以及含夹层、含水层和裂隙水平结构下的响应特征。同时，在三维采煤工作面环境中模拟了空气耦合条件下的电磁波传播轨迹和时空回波特征，为SFCW-UWB雷达在煤岩界面识别中的工程应用奠定了理论基础。
在技术方法方面，研究人员采用基于时域有限差分（FDTD）方法的gprMax软件求解三维Maxwell方程，以Yee元胞为电磁场离散单元，完全匹配层（PML）作为吸收边界条件，通过Python脚本构建具有实测介电和几何属性的异质煤岩模型。二维煤岩界面模型尺寸为1 m×1 m×0.002 m，网格尺寸2 mm；三维工作面模型尺寸为3 m×3 m×1 m，网格尺寸0.01 m。由于gprMax不包含SFCW信号源，研究人员以固定频率正弦波经幅度调制生成起始频率100 MHz、步进5 MHz、共500个频点的SFCW信号，带宽2.5 GHz，并与各频点冲击响应进行卷积实现模拟探测。回波数据采用均值相减法抑制直达波。对比分析采用中心频率1 GHz的Ricker子波与SFCW-UWB雷达（100 MHz–2.6 GHz）进行。各介质电磁参数依据相关文献报道的实验结果确定。
3.1 不同界面几何形态煤岩结构的回波特性。研究人员对水平、倾斜和起伏三种煤岩界面模型进行了SFCW-UWB雷达探测，收发天线采用接触耦合，间距5 cm，移动步距2 cm，时间窗100 ns。结果显示：水平界面回波位于约7 ns处，响应特征与其几何形态一致；倾斜界面回波呈明显倾斜样式，倾斜方向与界面倾斜方向对应；起伏界面回波呈曲线样式，但波峰和波谷位置受多次反射和模型尺寸影响，界面特征相对不明显。
3.2 含夹层、含水层和裂隙煤岩结构的回波特性。含夹层模型中，回波按时间顺序依次对应煤-夹层界面和煤-岩界面，且当夹层厚度足够时，煤-夹层界面回波呈现清晰层状结构。含含水层模型中，由于煤与水介电特性差异显著，煤-水界面回波幅值明显较大，在雷达图像中表现为较高灰度值；但电磁波在水介质中衰减严重，煤-岩界面回波强度大幅下降，且水介质引发多次反射，明显干扰煤-岩界面的识别。含裂隙模型中，煤-裂隙界面回波幅值小于煤-岩界面，灰度值相对较低。
3.3 SFCW-UWB雷达与窄带单脉冲雷达的对比分析。抗噪性能对比方面，研究人员向两种雷达的检测回波中加入了相同的噪声信号。结果表明，SFCW-UWB雷达回波中煤岩界面信息更完整、连续，界面分割清晰可辨，抗噪性能优于中心频率1 GHz的窄带单脉冲雷达。穿透性能对比方面，研究人员建立了含水煤层模型，含水层厚度10~50 mm。1 GHz Ricker子波因高频电磁波在水中严重衰减及多次反射，无法分辨煤-岩界面响应；而SFCW雷达凭借宽频带特性，使低频电磁分量能够穿透含水层并捕获煤-岩界面回波，证明了其穿透性能的优越性。
4 采煤工作面宽带电磁波传播特性。研究人员建立了包含采煤机切割后不规则煤壁及工作面迎头不规则煤岩结构的三维模型，收发源与煤壁的距离分别为0.7 m和0.4 m，采用空气耦合模式。三维波场快照显示，电磁波约8 ns时到达煤-空气界面并产生反射，透射波继续在煤层介质中传播，约12 ns时到达煤-岩界面并产生反射，约16 ns时煤-岩界面回波经煤层和空气传播到达接收源。同步移动收发源沿x方向扫描后，回波信号依次呈现直达波、煤-空气界面回波和煤-岩界面回波。煤-空气界面形状不规则，煤厚非均匀，回波响应时间与三维波场快照吻合，证实了空气耦合条件下UWB雷达识别煤岩界面的能力，表明SFCW技术与UWB雷达集成的方案在实际工作面煤岩界面识别中具备较高的可行性。
讨论部分指出，现有地质探测雷达多采用移动接触耦合窄脉冲工作方式，频率范围有限、带宽不足，抗噪能力差，仅能实现二维成像，难以满足煤矿复杂煤岩结构和空间界面的三维探测需求。SFCW-UWB雷达的宽频带电磁波（100 MHz–2.6 GHz）可穿透高介电含水层，在较大范围内实现煤岩界面识别。实际应用中的检测窗口可对应采煤机割煤完成后、液压支架移架前的时间段。然而，煤岩层电性参数受孔隙度、含水量和煤岩结构影响显著，即使在无噪声条件下，不同介质中的衰减特性差异仍会影响回波信号的提取和响应特征的确定，进而影响识别效果。为此，针对特定地层结构应用SFCW-UWB雷达时，应开展目标煤岩界面电性参数与电磁传播特性研究，提取不同中心频率条件下考虑目标电导率的回波信号，并建立SFCW-UWB雷达波与识别目标之间的响应关系，以提升识别精度。
研究结论如下：（1）SFCW-UWB雷达（100 MHz–2.6 GHz）具备识别不同几何形态煤岩界面以及煤岩中夹层、含水层和裂隙等结构的能力。（2）与传统窄带1 GHz脉冲雷达相比，SFCW信号在煤岩界面识别中具有更优的抗噪性能和穿透性能。（3）在空气耦合条件下，UWB雷达能够识别煤岩界面；三维模拟结果证实了空气耦合检测用于实际场景非接触测量的可行性。
