超寬帶雷達波在煤體中的傳輸衰減特性

鄭學召，孫梓峪，王寶元，郭 軍，徐承宇

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 國家礦山應急救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著應急救援技術的發(fā)展，近些年逐漸興起了一種新型救援技術——鉆孔救援[1]。該技術于救援工作初期在地面打直徑較小的鉆孔，利用可實現(xiàn)信息實時傳輸?shù)碾p絞線牽拉生命信息探測儀，將之放入鉆孔之中，進行井下人員生命信息辨識與定位，確認生命信息后將會實施大直徑鉆孔作業(yè)進行營救。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?shù)刭|(zhì)偏軟時進行作業(yè)易導致鉆頭偏移[3]，使得鉆孔作業(yè)形成的通道被破壞并形成堵塞，導致生命探測裝備出現(xiàn)測量偏差，無法精準定位人員信息。目前常用的紅外成像系統(tǒng)穿透性差，遇到障礙物會失效[4]；音頻探測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，遇到水和泥土時將會失能[5]；光學探測儀需要將光纖傳感器放入被困人員周邊，當距離較遠或探測目標區(qū)域孔隙較小時都將難以布設[6]，以上這些傳統(tǒng)方法都無法高效準確地探測障礙物后有無生命活動[7]。

超寬帶(ultra-wide band，UWB)雷達有良好的穿透性、抗干擾性，并且可以進行非接觸式測量，帶寬極寬[8]，可很好的克服傳統(tǒng)聲光探測面臨的難題[9]，實現(xiàn)生命探測與井下定位[10]。該方法通過發(fā)射納秒級別的超寬帶脈沖進行探測，對接受的回波進行處理，獲取目標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，煤巖賦存條件復雜，故應用不多[11-12]。孫繼平等通過對超寬帶技術的研究，得出該技術擁有功耗較低、抗干擾性強、高帶寬的優(yōu)勢，可用于礦井應急救援通信與人員定位[13]；MA等為了提高地震和其他災害下人員救援效率，開展了基于超寬帶雷達對動物和人員的區(qū)別研究，利用交叉實驗驗證了結(jié)果的可靠性，對使用超寬帶技術進行井下人體生命識別提供了理論基礎[14]；XU等利用超寬帶雷達波回波信號獲取墻體后人員的呼吸頻率和距離信息，證明了超寬帶雷達進行人員探測與生命救援的可靠性與有效性[15]；陳新科提出時間定位法與時間差定位法在超寬帶定位技術中的應用，可實時了解井下人員與設備的位置狀態(tài)，相比以往技術精度提高，定位誤差控制在30 cm以內(nèi)[16]；郭繼坤等用參考獨立分量分析方法濾除雜波分量，使用經(jīng)驗模態(tài)算法分解回波信號，分析生命特性曲線，重構人體呼吸的波形特征信息，實現(xiàn)非接觸式生命探測與救援行動，解決了以往井下環(huán)境中超寬帶信號雜波起伏較大的問題[17]；鄭學召等研究了超寬帶雷達在煤巖中傳播的物理參數(shù)——介電常數(shù)，指出當煤體的變質(zhì)程度不同時，它的介電常數(shù)伴隨測試頻率的增加，先降低后升高[18]。以上學者的研究指出超寬帶雷達波在煤礦進行生命探測的可行性，側(cè)重研究了超寬帶雷達在無線定位、生命信息辨識與探測方面的算法、技術升級以及物理參數(shù)對超寬帶雷達波衰減的影響。但是實驗中的穿透介質(zhì)為墻體或空氣，條件較為理想，對超寬帶雷達波在煤體中的傳輸衰減研究尚不清楚。

因此，實驗通過采用可以合成信號源對信號進行模擬的NS-187礦用射頻信號衰減系統(tǒng)，測試系統(tǒng)中心頻率為400 MHz時的超寬帶雷達波分別在厚度為25，45，65，85 cm的褐煤、長焰煤和貧瘦煤中的傳輸衰減信號，得出其正負峰值的變化規(guī)律，分析變質(zhì)程度、厚度對超寬帶雷達波衰減特性的影響。

1 傳輸衰減實驗

1.1 NS-187礦用射頻信號衰減系統(tǒng)

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

1.2 實驗材料

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焰煤，韓城桑樹坪煤礦的貧瘦煤。為了避免雷達波在傳輸過程中由于煤樣裂隙導致的信號衰減[20]，所以選用顆粒度較小、干燥的煤樣。對3種煤樣利用5E-MAG6700全自動分析儀進行工業(yè)分析，結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析

1.3 實驗方法

NS-187礦用射頻信號衰減系統(tǒng)使用定向天線，使其與煤體貼合，使得雷達波可高效地穿透煤體[21]。當雷達波在與體積較大存在明顯間隙的煤塊接觸時，這些煤塊之間的間隙和孔洞會使得雷達折射與反射作用增強，造成不必要的吸收衰減[22]，故實驗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(厚)2 m的長方體模具，將煤體放入其中置于操作臺，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)實驗內(nèi)容調(diào)節(jié)煤樣的長(厚)度、保證雷達發(fā)射波都穿過煤體。在煤樣的前后端布設發(fā)射接收天線，2部分天線與組裝柜連接，對監(jiān)測的信號實時存儲分析，如圖1所示。試驗結(jié)束后關閉NS-187系統(tǒng)，導出頻譜分析儀波形示意圖，保存數(shù)據(jù)，利用Origin進行繪制。

圖1 實驗模型布置

2 不同變質(zhì)程度煤中雷達波傳輸衰減規(guī)律

2.1 褐煤中超寬帶雷達波的傳輸衰減

穿透厚度為25，45，65，85 cm時褐煤的頻率關系，如圖2所示。

圖2 褐煤在不同頻率下的雷達波穿透衰減

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

2.2 長焰煤中超寬帶雷達波的傳輸衰減

穿透厚度為25,45,65,85 cm時長焰煤的頻率關系，如圖3所示。

圖3 長焰煤在不同頻率下的雷達波穿透衰減

圖3中隨著長焰煤厚度的增加，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時幅值減小最快，從6×105mV降至2.8×105mV，65 cm至85 cm降幅緩慢。雷達波在穿透25，45及65 cm厚的長焰煤時，能量主要集中在400 MHz左右，且只有單道波峰；在85 cm時能量主要集中在400 MHz之前，有多道波峰出現(xiàn)，表明厚度增加到一定程度時，雷達波在低頻范圍內(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波的傳輸衰減

穿透厚度為25，45，65，85 cm時貧瘦煤的頻率關系，如圖4所示。

圖4 貧瘦煤在不同頻率下的雷達波穿透衰減

在圖4中，貧瘦煤厚度為65 cm時已經(jīng)出現(xiàn)多個明顯波峰，當厚度為85 cm時，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頻譜能量較為集中的波峰，隨著厚度的增加，會出現(xiàn)一個更加適宜的探測頻率，表現(xiàn)為2個間隔很短且集中在低頻的波峰。

分析圖2～4中超寬帶雷達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焰煤，長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，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，故雷達波衰減速度快。隨著變質(zhì)程度的加深煤體自身更加致密，由于煤體收縮，當內(nèi)應力大于煤體強度會形成局部裂隙，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 不同厚度煤雷達波的傳輸衰減規(guī)律

從正峰值、負峰值、頻譜能量、峰峰間隔4個關鍵參數(shù)與厚度的關系分析雷達波衰減的變化規(guī)律，對比分析不同厚度下煤體對雷達波傳輸衰減的影響規(guī)律，對上述3種煤樣在不同厚度下的測試結(jié)果進行整理，如圖5～10所示。

圖5 褐煤在4種厚度下的雷達波穿透衰減

圖5中，25 cm時正負峰值分別為1 182 mV，-578 mV；85 cm時正峰值371 mV，負峰值-74 mV。隨著煤厚的增加正負峰值都漸趨于零，衰減程度在增大。圖6中，在同一厚度下，其正峰值比褐煤大，負峰值比褐煤小，剩余能量較多；隨著雷達波穿透煤體厚度的增加，雷達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，超寬帶雷達波的傳輸衰減規(guī)律與褐煤和長焰煤的規(guī)律基本相同。

圖6 長焰煤在4種厚度下的雷達波穿透衰減

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。當煤層厚度從25 cm增加至45 cm時，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，分層傳輸效果對其影響較小。對于負峰值的變化，3種煤樣無明顯規(guī)律。在45 cm處，長焰煤有一個比較明顯的凸點，此時的長焰煤負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與褐煤和貧瘦煤一致，均呈增大趨勢。

圖8 不同厚度下3種煤樣的正負峰值變化

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)程度呈正相關關系。其中褐煤和長焰煤的變化趨勢相似，其頻譜能量隨厚度增加，先快速下降，然后緩速增長，最后減至最小值。煤樣厚度為25 cm時，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行的反射、折射和衍射等作用次數(shù)少，所以對能量的吸收較差，所以大部分能量可以被穿透出去。65 cm時，煤樣的頻譜能量小幅度升高，是因為此時分層傳輸效果[25]比煤層厚度的影響作用大，導致煤體減弱了對雷達波的吸收。

圖9 不同厚度下3種煤樣的頻譜能量變化

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，即正峰值與負峰值出現(xiàn)的時間與距離的增加并無明顯規(guī)律。

圖10 不同厚度下3種煤樣的峰峰間隔變化

4 結(jié) 論

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

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

3)當長焰煤與貧瘦煤的厚度大于65 cm時，長焰煤頻率幅值關系圖中會出現(xiàn)多個小于等于400 MHz，間隔很短的波峰；而貧瘦煤在200 MHz與500 MHz處會出現(xiàn)2個較為明顯，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)有多個適合選擇的傳輸頻率。