超寬帶雷達(dá)波在煤體中的傳輸衰減特性

鄭學(xué)召 孫梓峪 王寶元 郭軍 徐承宇

摘 要：為研究超寬帶雷達(dá)波在煤體中的傳輸衰減特性，通過NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)，測(cè)試中心頻率為400 MHz時(shí)的超寬帶雷達(dá)波在厚度分別為25，45，65，85 cm的褐煤、長(zhǎng)焰煤和貧瘦煤中的傳輸衰減信號(hào)。分析其信號(hào)中正負(fù)峰值的變化規(guī)律，得出超寬帶雷達(dá)波的衰減特點(diǎn)。結(jié)果表明：隨煤體厚度的增加，超寬帶雷達(dá)波的信號(hào)衰減呈遞增趨勢(shì)。在相同煤體厚度下，褐煤變質(zhì)程度最低，超寬帶雷達(dá)波衰減程度最大，長(zhǎng)焰煤次之，貧瘦煤變質(zhì)程度最高，超寬帶雷達(dá)波衰減程度最小。即超寬帶雷達(dá)波在穿過不同變質(zhì)程度的煤體時(shí)，其衰減程度與煤體厚度成正比。煤厚相同時(shí)，煤樣的變質(zhì)程度與超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減呈反比。此外當(dāng)煤體厚度大于60 cm時(shí)，在長(zhǎng)焰煤與貧瘦煤的幅值頻率關(guān)系圖中，測(cè)試中心頻率的左側(cè)出現(xiàn)局部峰值，即該頻率并非最佳探測(cè)頻率，在低頻范圍內(nèi)存在多個(gè)適宜的探測(cè)頻率。以上結(jié)論對(duì)于超寬帶雷達(dá)在煤體中的傳輸衰減特性以及井下生命探測(cè)具有一定指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：超寬帶雷達(dá)波;煤變質(zhì)程度;煤體厚度;傳輸衰減;正負(fù)峰值中圖分類號(hào)：TD 76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）05-0765-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0501開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Transmission attenuation characteristics of

ultra-wideband radar waves in coal

ZHENG Xuezhao1，2，SUN Ziyu1，2，WANG Baoyuan1，2，GUO Jun1，2，XU Chengyu1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Xian Research Center of National Mine Rescue，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：To study the transmission attenuation characteristics of ultra-wideband radar waves in coal，the propagation signal of ultra-wideband radar waves at a center frequency of 400 MHz in lignite，long flame coal，and lean coal was tested through the NS-187 mine radio frequency signal attenuation system.Each coal was set to 25，45，65，and 85 cm thickness in the experiment;the changing rules were analyzed of the transmission attenuation signals positive and negative peak values in those three types of coals and obtained the attenuation features of the ultra-wideband radar waves.The results showed that with the increase of coal thickness，the transmission attenuation tends to increase.For the same coal thickness，ultra-wideband radar waves had the largest attenuation among the lignite with the lowest degree of metamorphism，followed by long flame coal.The metamorphic degree of lean coal was the highest，and the attenuation of ultra-wideband radar wave was the smallest.It proves that ultra-wideband radar waves attenuation degree is proportional to coal thickness when it passes through coal with a different metamorphic degree.The same coal thickness triggers that the degree of coal sample metamorphism is inversely proportional to ultra-wideband radar waves transmission attenuation.Besides，when the coal thickness is greater than 60 cm，a local peak appears on the left side of the test center frequency in the amplitude-frequency relationship graph of long flame coal and lean coal.Therefore，the tests center frequency is not the best detection frequency，and there are multiple suitable detection frequencies in the low-frequency range.The conclusions above have specific guiding significance for the transmission attenuation characteristics of ultra-wideband radar in coal and underground life detection.Key words：ultra-wideband radar wave;coal metamorphic degree;coal thickness;transmission attenuation;positive and negative peaks

0 引 言

隨著應(yīng)急救援技術(shù)的發(fā)展，近些年逐漸興起了一種新型救援技術(shù)——鉆孔救援[1]。該技術(shù)于救援工作初期在地面打直徑較小的鉆孔，利用可實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾p絞線牽拉生命信息探測(cè)儀，將之放入鉆孔之中，進(jìn)行井下人員生命信息辨識(shí)與定位，確認(rèn)生命信息后將會(huì)實(shí)施大直徑鉆孔作業(yè)進(jìn)行營救。與以往的救援方式相比較，鉆孔救援可以快速的向受困人員輸送給養(yǎng)物資，提高生還率[2]。但該方法在救援過程中易受到煤巖、地層性質(zhì)的影響，當(dāng)?shù)刭|(zhì)偏軟時(shí)進(jìn)行作業(yè)易導(dǎo)致鉆頭偏移[3]，使得鉆孔作業(yè)形成的通道被破壞并形成堵塞，導(dǎo)致生命探測(cè)裝備出現(xiàn)測(cè)量偏差，無法精準(zhǔn)定位人員信息。目前常用的紅外成像系統(tǒng)穿透性差，遇到障礙物會(huì)失效[4];音頻探測(cè)由于被困人員的聲音在煤巖介質(zhì)傳輸過程中衰減速度比較快，遇到水和泥土?xí)r將會(huì)失能[5];光學(xué)探測(cè)儀需要將光纖傳感器放入被困人員周邊，當(dāng)距離較遠(yuǎn)或探測(cè)目標(biāo)區(qū)域孔隙較小時(shí)都將難以布設(shè)[6]，以上這些傳統(tǒng)方法都無法高效準(zhǔn)確地探測(cè)障礙物后有無生命活動(dòng)[7]。超寬帶（ultra-wide band，UWB）雷達(dá)有良好的穿透性、抗干擾性，并且可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，帶寬極寬[8]，可很好的克服傳統(tǒng)聲光探測(cè)面臨的難題[9]，實(shí)現(xiàn)生命探測(cè)與井下定位[10]。該方法通過發(fā)射納秒級(jí)別的超寬帶脈沖進(jìn)行探測(cè)，對(duì)接受的回波進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)的位置距離與生命信息，但是由于礦山救援過程中環(huán)境惡劣，煤巖賦存條件復(fù)雜，故應(yīng)用不多[11-12]。孫繼平等通過對(duì)超寬帶技術(shù)的研究，得出該技術(shù)擁有功耗較低、抗干擾性強(qiáng)、高帶寬的優(yōu)勢(shì)，可用于礦井應(yīng)急救援通信與人員定位[13];MA等為了提高地震和其他災(zāi)害下人員救援效率，開展了基于超寬帶雷達(dá)對(duì)動(dòng)物和人員的區(qū)別研究，利用交叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性，對(duì)使用超寬帶技術(shù)進(jìn)行井下人體生命識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)[14];XU等利用超寬帶雷達(dá)波回波信號(hào)獲取墻體后人員的呼吸頻率和距離信息，證明了超寬帶雷達(dá)進(jìn)行人員探測(cè)與生命救援的可靠性與有效性[15];陳新科提出時(shí)間定位法與時(shí)間差定位法在超寬帶定位技術(shù)中的應(yīng)用，可實(shí)時(shí)了解井下人員與設(shè)備的位置狀態(tài)，相比以往技術(shù)精度提高，定位誤差控制在30 cm以內(nèi)[16];郭繼坤等用參考獨(dú)立分量分析方法濾除雜波分量，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)算法分解回波信號(hào)，分析生命特性曲線，重構(gòu)人體呼吸的波形特征信息，實(shí)現(xiàn)非接觸式生命探測(cè)與救援行動(dòng)，解決了以往井下環(huán)境中超寬帶信號(hào)雜波起伏較大的問題[17];鄭學(xué)召等研究了超寬帶雷達(dá)在煤巖中傳播的物理參數(shù)——介電常數(shù)，指出當(dāng)煤體的變質(zhì)程度不同時(shí)，它的介電常數(shù)伴隨測(cè)試頻率的增加，先降低后升高[18]。以上學(xué)者的研究指出超寬帶雷達(dá)波在煤礦進(jìn)行生命探測(cè)的可行性，側(cè)重研究了超寬帶雷達(dá)在無線定位、生命信息辨識(shí)與探測(cè)方面的算法、技術(shù)升級(jí)以及物理參數(shù)對(duì)超寬帶雷達(dá)波衰減的影響。但是實(shí)驗(yàn)中的穿透介質(zhì)為墻體或空氣，條件較為理想，對(duì)超寬帶雷達(dá)波在煤體中的傳輸衰減研究尚不清楚。因此，實(shí)驗(yàn)通過采用可以合成信號(hào)源對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬的NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)中心頻率為400 MHz時(shí)的超寬帶雷達(dá)波分別在厚度為25，45，65，85 cm的褐煤、長(zhǎng)焰煤和貧瘦煤中的傳輸衰減信號(hào)，得出其正負(fù)峰值的變化規(guī)律，分析變質(zhì)程度、厚度對(duì)超寬帶雷達(dá)波衰減特性的影響。

1 傳輸衰減實(shí)驗(yàn)1.1 NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)

NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)通過使用數(shù)字頻率和射頻信號(hào)源合成信號(hào)源，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬仿真并使用功率放大器放大[19]。其中的發(fā)射天線與射頻信號(hào)源相連接，接收天線與衰減器連接，兩者作為穿透煤體時(shí)信號(hào)的發(fā)射和接收裝置，將接收到的信號(hào)經(jīng)過衰減器后到達(dá)頻譜分析儀，進(jìn)行波形計(jì)算。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料煤樣分別取自陜西新能源神木分公司的褐煤與榆林綠能公司的長(zhǎng)焰煤，韓城桑樹坪煤礦的貧瘦煤。為了避免雷達(dá)波在傳輸過程中由于煤樣裂隙導(dǎo)致的信號(hào)衰減[20]，所以選用顆粒度較小、干燥的煤樣。對(duì)3種煤樣利用5E-MAG6700全自動(dòng)分析儀進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法NS-187礦用射頻信號(hào)衰減系統(tǒng)使用定向天線，使其與煤體貼合，使得雷達(dá)波可高效地穿透煤體[21]。當(dāng)雷達(dá)波在與體積較大存在明顯間隙的煤塊接觸時(shí)，這些煤塊之間的間隙和孔洞會(huì)使得雷達(dá)折射與反射作用增強(qiáng)，造成不必要的吸收衰減[22]，故實(shí)驗(yàn)中將煤體破碎為無較大孔洞與間隙，接觸較為緊密的小塊。搭建高寬均1 m，長(zhǎng)（厚）2 m的長(zhǎng)方體模具，將煤體放入其中置于操作臺(tái)，模擬礦井塌方之后的煤體堆積形狀。使用制作好的模具，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)節(jié)煤樣的長(zhǎng)（厚）度、保證雷達(dá)發(fā)射波都穿過煤體。在煤樣的前后端布設(shè)發(fā)射接收天線，2部分天線與組裝柜連接，對(duì)監(jiān)測(cè)的信號(hào)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)分析，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉NS-187系統(tǒng)，導(dǎo)出頻譜分析儀波形示意圖，保存數(shù)據(jù)，利用Origin進(jìn)行繪制。

2 不同變質(zhì)程度煤中雷達(dá)波傳輸衰減規(guī)律

2.1 褐煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減穿透厚度為25，45，65，85 cm時(shí)褐煤的頻率關(guān)系，如圖2所示。

在圖2中，褐煤在不同頻率下雷達(dá)波的波形變化差異比較大。25 cm時(shí)，雷達(dá)波能量主要集中在200 MHz到600 MHz內(nèi)，500 MHz時(shí)最大;45 cm與25 cm時(shí)的能量主要集中區(qū)域較為相同，但其峰值比25 cm時(shí)小了2×105mV，且在200 MHz到600 MHz內(nèi)所占比例少于25 cm時(shí)所占比例。65 cm時(shí)，雷達(dá)波峰值位置向左偏移至200 MHz，最大值為2.5×105mV，在200～600 MHz內(nèi)雷達(dá)波幅值均呈下降趨勢(shì)，在天線頻率400 MHz時(shí)降至最低;85 cm時(shí)雷達(dá)波峰值與65 cm時(shí)位置相近，但大小降低105 mV，同樣在天線頻率400 MHz附近達(dá)到最低，雷達(dá)能量主要集中在天線頻率的左側(cè)，此時(shí)為穿透效果好，繞射能力強(qiáng)的低頻[23]。

2.2 長(zhǎng)焰煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減穿透厚度為25，45，65，85 cm時(shí)長(zhǎng)焰煤的頻率關(guān)系，如圖3所示。

圖3中隨著長(zhǎng)焰煤厚度的增加，不同頻率下煤體的幅值都在降低，主要不同體現(xiàn)在減小幅度的不同，25 cm至45 cm時(shí)幅值減小最快，從6×105 mV降至2.8×105 mV，65 cm至85 cm降幅緩慢。雷達(dá)波在穿透25，45及65 cm厚的長(zhǎng)焰煤時(shí)，能量主要集中在400 MHz左右，且只有單道波峰;在85 cm時(shí)能量主要集中在400 MHz之前，有多道波峰出現(xiàn)，表明厚度增加到一定程度時(shí)，雷達(dá)波在低頻范圍內(nèi)的能量較為集中，傳輸?shù)乃p程度較小[23]。2.3 貧瘦煤中超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減穿透厚度為25，45，65，85 cm時(shí)貧瘦煤的頻率關(guān)系，如圖4所示。

在圖4中，貧瘦煤厚度為65 cm時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)多個(gè)明顯波峰，當(dāng)厚度為85 cm時(shí)，出現(xiàn)間隔很短且峰值大小相近，集中于天線頻率左側(cè)的波峰。說明在同等厚度下，變質(zhì)程度更高的貧瘦煤有多個(gè)頻譜能量較為集中的波峰，隨著厚度的增加，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)更加適宜的探測(cè)頻率，表現(xiàn)為2個(gè)間隔很短且集中在低頻的波峰。分析圖2～4中超寬帶雷達(dá)波穿透煤體之后能量峰值的變化，可以看出褐煤在4種厚度下的峰值能量小于長(zhǎng)焰煤，長(zhǎng)焰煤的峰值能量小于貧瘦煤。其原因是煤的變質(zhì)程度較低時(shí)，成煤作用所受到的壓力比較小，所以孔徑比較大，以大孔為主，其孔隙連通性好，吸附能力強(qiáng)，故雷達(dá)波衰減速度快。隨著變質(zhì)程度的加深煤體自身更加致密，由于煤體收縮，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于煤體強(qiáng)度會(huì)形成局部裂隙，這些裂隙以微孔為主，即微孔的孔隙發(fā)育程度更高，其雷達(dá)波逸散能力相比變質(zhì)程度低存在大孔隙的煤體而言較弱，故衰減程度降低[24]，表現(xiàn)為在不同距離下貧瘦煤的峰值均高于前兩者。

3 不同厚度煤雷達(dá)波的傳輸衰減規(guī)律從正峰值、負(fù)峰值、頻譜能量、峰峰間隔4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)與厚度的關(guān)系分析雷達(dá)波衰減的變化規(guī)律，對(duì)比分析不同厚度下煤體對(duì)雷達(dá)波傳輸衰減的影響規(guī)律，對(duì)上述3種煤樣在不同厚度下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，如圖5～10所示。

圖5中，25 cm時(shí)正負(fù)峰值分別為1 182 mV，-578 mV;85 cm時(shí)正峰值371 mV，負(fù)峰值-74 mV。隨著煤厚的增加正負(fù)峰值都漸趨于零，衰減程度在增大。圖6中，在同一厚度下，其正峰值比褐煤大，負(fù)峰值比褐煤小，剩余能量較多;隨著雷達(dá)波穿透煤體厚度的增加，雷達(dá)波的剩余能量在減小，傳輸?shù)乃p程度在增大，與褐煤所得結(jié)論基本一致。圖7中，超寬帶雷達(dá)波的傳輸衰減規(guī)律與褐煤和長(zhǎng)焰煤的規(guī)律基本相同。 從圖8分析可知，在3種煤樣的正峰值隨厚度增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)煤層厚度從25 cm增加至45 cm時(shí)，3種煤樣的衰減幅度最大，這是由于分層傳輸效果在起始階段較為明顯[25];在45 cm以后，正峰值下降緩慢，分層傳輸效果對(duì)其影響較小。對(duì)于負(fù)峰值的變化，3種煤樣無明顯規(guī)律。在45 cm處，長(zhǎng)焰煤有一個(gè)比較明顯的凸點(diǎn)，此時(shí)的長(zhǎng)焰煤負(fù)峰值均高于左右兩側(cè)的褐煤與貧瘦煤，但是整體的變化趨勢(shì)與褐煤和貧瘦煤一致，均呈增大趨勢(shì)。從圖9分析可知，隨著煤體厚度的增加，3種煤樣的頻譜能量均減小。褐煤的頻譜能量在不同距離情況下的頻譜能量均最低，長(zhǎng)焰煤次之，貧瘦煤頻譜能量最高，即頻譜能量的高低與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系。其中褐煤和長(zhǎng)焰煤的變化趨勢(shì)相似，其頻譜能量隨厚度增加，先快速下降，然后緩速增長(zhǎng)，最后減至最小值。煤樣厚度為25 cm時(shí)，3種煤樣的頻譜能量均為最大值，原因是煤層薄，能量在煤層間隙中進(jìn)行的反射、折射和衍射等作用次數(shù)少，所以對(duì)能量的吸收較差，所以大部分能量可以被穿透出去。65 cm時(shí)，煤樣的頻譜能量小幅度升高，是因?yàn)榇藭r(shí)分層傳輸效果[25]比煤層厚度的影響作用大，導(dǎo)致煤體減弱了對(duì)雷達(dá)波的吸收。從圖10分析可知，不同厚度下3種煤樣峰峰間隔之間并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，即正峰值與負(fù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間與距離的增加并無明顯規(guī)律。

4 結(jié) 論

1）3種煤樣的變質(zhì)程度為：貧瘦煤>長(zhǎng)焰煤>褐煤，其衰減關(guān)系為：褐煤>長(zhǎng)焰煤>貧瘦煤。在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為雷達(dá)波在穿透不同距離下貧瘦煤的能量峰值均高于褐煤與長(zhǎng)焰煤，即超寬帶雷達(dá)波在不同變質(zhì)程度的煤樣中傳輸衰減程度與煤的變質(zhì)程度呈反比關(guān)系。

2）在25 cm和45 cm時(shí)，雷達(dá)波的傳輸衰減幅度較為明顯，衰減較快;在65 cm及85 cm時(shí)，雷達(dá)波傳輸衰減幅度變小，依然保持衰減趨勢(shì)。證明隨著3種煤體厚度的增大，雷達(dá)波的傳輸衰減越嚴(yán)重，即煤體厚度與雷達(dá)波的傳輸衰減呈正比關(guān)系。

3）當(dāng)長(zhǎng)焰煤與貧瘦煤的厚度大于65 cm時(shí)，長(zhǎng)焰煤頻率幅值關(guān)系圖中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)小于等于400 MHz，間隔很短的波峰;而貧瘦煤在200 MHz與500 MHz處會(huì)出現(xiàn)2個(gè)較為明顯，且幅值接近的波峰，說明在變質(zhì)程度較高的厚煤體在低頻范圍內(nèi)有多個(gè)適合選擇的傳輸頻率。

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