極低頻電流場透地通信路徑損耗建模與分析*

徐 湛,溫曉雯,張 淦

(1.北京信息科技大學 信息與通信工程學院,北京100101;2.北京信息科技大學 自動化學院,北京100192;3.中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院,北京100083)

0 引 言

隧道坍塌事故發(fā)生后,在隧道洞口和施工掌子面之間,坍塌巖土通常會形成一段厚度在200 m以上的全封閉厚實塌方體,導致掌子面施工人員被困,由于對外信息傳輸鏈路被塌方體阻斷,給實施隧道搶通、及時救援帶來極大難度。隧道無線強穿透信息傳輸技術對于第一時間建立與受困人員的信息傳輸,打通“生命通道”具有重要意義[1]。國內(nèi)外一直持續(xù)開展相關研究,迄今為止,現(xiàn)有技術均存在各種制約因素,導致不能在隧道坍塌應急救援場景下可靠應用[2-3]。

地電極電流場通信是一種以大地為信道的強穿透信息傳輸技術,具有可靠性高、功耗低等優(yōu)勢,現(xiàn)有研究主要應用于地上至地下,即信號傳輸方向垂直于地表的信息傳輸,在山嶺隧道通信中不便于現(xiàn)場布設[4]。本文探索將其應用于水平方向信號傳輸?shù)目尚行?用于隧道坍塌場景下的應急救援通信。

隧道救援透地(Through-The-Earth,TTE)通信信道是包含不同介質(zhì)(包括黏土、巖石、沙土、鋼筋混凝土等)的復雜大地環(huán)境[5],分析信道特性主要包括3個方面[6-8]:一是環(huán)境所引起的噪聲特性;二是信號輸入點的接觸阻抗;三是信號在大地信道中的衰減和相移特性(在TTE通信中通常收發(fā)間距遠小于一個波長,因此不考慮相關的相移特性)。

本文擬在Wite等人[9]建立的導電半空間有限源的地下電磁場模型的基礎上,結(jié)合接觸阻抗模型,建立極低頻地電極電流場TTE通信路徑損耗模型;仿真分析信號在不同電極半徑、電極入土深度、電極間距、發(fā)射信號頻率和傳輸距離下的信號路徑損耗,優(yōu)選工作參數(shù);在此基礎上,搭建極低頻地電極電流場無線TTE通信平臺,進行200 m和400 m極低頻TTE通信路徑損耗測試;最后對實際測試結(jié)果的噪聲影響進行分析,計算路徑損耗并與仿真結(jié)果對比分析,驗證路徑損耗模型的準確性。

1 路徑損耗建模

隧道坍塌場景下應急救援通信示意圖如圖1所示。

圖1 極低頻地電極電流場TTE通信示意Fig.1 Schematic of TTE communications with extremely low frequency ground electrode current field

傳統(tǒng)應用于礦井的地上至地下的電流場TTE通信方案中電極插入方向與信號收發(fā)電場傳播方向基本一致[10-12],而在水平方向電流場TTE通信中電極插入方向與信號收發(fā)電場傳播方向垂直,如圖2所示,其電流場傳播特性存在較大差異。為此,本文開展應用于水平方向的雙電極地電極電流場TTE通信路徑損耗分析、建模與試驗驗證。

圖2 垂直與水平電流場TTE通信示意Fig.2 Schematic of vertical and horizontal current field TTE communications

本文采用水平的雙電極進行電流場信息傳輸,將極低頻的電信號施加于插入地面的一對電極上,在兩電極之間形成交變的電流,由于電極長度遠小于通信距離,相當于一段貼于地表的具有電流的有限源,從而在地層中形成電流場,通過在接收端的電極對上感應到變化電壓實現(xiàn)信息傳輸[13-14],模型如圖3所示。

圖3 極低頻地電極電流場TTE通信模型Fig.3 TTE communications model of extremely low frequency ground electrode current field

(1)

接觸阻抗Ztx計算公式可以表示為[16-18]

(2)

式中:σ2是電極間土壤導電率;a是電極半徑;d電極入土深度;2ltx是發(fā)射端電極間距。

Vrx≈2Elrxcosθ

(3)

式中:θ是電場與接收電極間的夾角。路徑損耗模型是描述信號經(jīng)過傳播的衰減,理論上可以表示為LP=-20lg(|Vrx|/|Vtx|),代入公式(1)、(2)、(3)即可得水平雙電極的地電極電流場TTE通信路徑損耗模型為

LP(f,σ1,σ2,ltx,lrx,R,θ,a,d)≈

(4)

F(f,σ1,ltx,R)=

(5)

由公式(4)和(5)可以看出,信號在水平方向電流場傳輸過程中的路徑損耗與發(fā)射信號頻率、大地信道電導率、電極間土壤電導率、傳輸距離、收發(fā)端電極間距、電場方向與接收電極的夾角、電極半徑和電極入土深度有關。

2 路徑損耗仿真

根據(jù)公式(4),仿真發(fā)射信號頻率為8 Hz,大地信道電導率為0.01 S/m(沙質(zhì)黏土)時[19],路徑損耗與電極入土深度、電極半徑和電極間距的關系,結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可以看出,路徑損耗隨電極入土深度的增加而減小,在電極入土深度為1 m前變化較為明顯,1 m后變化趨勢減緩。從圖4(b)可以看出,路徑損耗隨電極半徑的增加而減小,在電極半徑為0.01 m前變化較為明顯,0.01 m后趨于平緩。由仿真結(jié)果結(jié)合實際可操作性優(yōu)選電極半徑為0.01 m,電極長1.2 m,入土深度1 m。從圖4(c)路徑損耗與電極間距的關系可以看出,在電極間距1～20 m變化范圍內(nèi),路徑損耗隨電極間距增大而減小,在條件允許時,為增大接收電壓幅值可以增大電極間距。

(a)路徑損耗與電極入土深度的關系

假設電極間土壤電導率為0.01 S/m,電極間距3 m,偏向角為45°,根據(jù)上述電極優(yōu)選參數(shù),按照公式(4)仿真通信距離為200 m時,路徑損耗與發(fā)射信號頻率的關系,結(jié)果如圖5(a)所示。從圖5(a)中可以看出,發(fā)射信號頻率低于20 Hz時,路徑損耗隨頻率的增加而減小,高于20 Hz時路徑損耗隨頻率的增加而增大,信號在極低頻段路徑損耗在104 dB上下微小波動。通信距離為400 m時,路徑損耗與發(fā)射信號頻率的關系如圖5(b)所示,可以看出路徑損耗在8 Hz左右達到最小值,信號在極低頻段損耗在126 dB上下微小波動。

(a)通信距離200 m

由圖5(a)和(b)對比可知,通信距離越遠,路徑損耗越大,最佳發(fā)射信號頻率越小。

3 實驗數(shù)據(jù)采集

為了驗證模型的準確性,本文設計并搭建了極低頻地電極電流場無線TTE通信系統(tǒng),包括電流場信號發(fā)射裝置、電流場信號接收裝置、導線和4根長1.2 m、半徑0.01 m的電極。按圖6所示布置實驗,電極間距3 m,入土深度1 m。發(fā)射信號包絡恒定,頻率從3～10 Hz逐頻增加,各單一頻率信號時長1 s,信號總長8 s。

圖6 極低頻地電極電流場TTE通信測試Fig.6 Testing of TTE communications of extremely low frequency ground electrode current field

分別進行了通信距離為200 m和400 m的路徑損耗測試,由于400 m時接收信號很微弱,為提高接收電壓幅值,在電極處加水(發(fā)射端電極安插處注入550 mL純凈水),以減小接觸阻抗,測試結(jié)果與不加水時作對比。

4 試驗結(jié)果與分析

通信距離200 m、發(fā)送電壓100 V,通信距離400 m、發(fā)送電壓180 V,以及通信距離400 m、電極處加水、發(fā)送電壓180 V時接收信號時域和頻域信息如圖7(a)所示。從圖中可以看出,信號的主要信息頻段在3～10 Hz之間,信號受干擾影響明顯,干擾主要包括直流信號分量和50 Hz工頻干擾,及一些100 Hz和150 Hz的諧波干擾。

圖7 接收信號濾波處理結(jié)果Fig.7 Filtering processing result of the received signals

設計加窗線性相位FIR1帶通濾波器,200 m接收信號通帶頻率為1 Hz,阻帶頻率為15 Hz,400 m接收信號通帶頻率為2 Hz,阻帶頻率為12 Hz,濾波器的幅度和相位響應如圖7(b)所示。接收信號經(jīng)濾波器對干擾進行濾除后信號時域和頻域信息如圖7(c)所示,可以看出在實際測量結(jié)果中,發(fā)射信號頻率從3～10 Hz變化時,接收信號電壓幅值變化不明顯。

通信距離為200 m時,不同發(fā)射信號頻率下路徑損耗仿真和實測數(shù)據(jù)對比如圖8(a)所示,可以看出仿真與實測路徑損耗均在104 dB附近,信號頻率在3～10 Hz變化時路徑損耗呈下降趨勢,且隨著頻率升高變化趨緩。通信距離為400 m時,仿真與實測數(shù)據(jù)如圖8(b)所示,路徑損耗均在126 dB附近,發(fā)射信號頻率在3～8 Hz時呈緩慢下降趨勢,在8～10 Hz時緩慢上升。實測與仿真模型基本一致。

(a)通信距離200 m

由圖8可知,在水平地電極電流場TTE通信中,通信距離對信號的路徑損耗有顯著影響,通信距離越遠,信號衰減越大,通信距離為400 m時較200 m損耗增加了近20 dB;在電極處加水可以明顯增大電極間土壤電導率,降低接觸阻抗,增大接收電壓幅值,實測路徑損耗較不加水時減小約6 dB。

5 結(jié) 論

針對隧道坍塌場景下的無線強穿透通信需求,本文將地電極電流場TTE通信方式應用于水平方向的應急通信,建立了雙電極的水平地電極電流場TTE通信路徑損耗模型。由于接觸阻抗與路徑損耗緊密相關,提供了包括電極半徑、電極入土深度和電極間距的路徑損耗表達式,給出了應用于水平方向TTE通信的最佳電極半徑為0.01 m,電極入土深度為1 m。搭建了極低頻電流場TTE通信系統(tǒng),測試了發(fā)射信號頻率在極低頻3～10 Hz時的路徑損耗。結(jié)果分析表明,實測數(shù)據(jù)路徑損耗與發(fā)射信號頻率的關系與模型仿真結(jié)果基本一致,證明了模型的準確性。