穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析解析

α

第 31卷第 1期太原理工大学学报 V o l 131 N o 11 2000

年 1月 JOU RNAL O F TA IYUAN UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Jan . 2000

文章编号 :100729432(2000 0120039205

穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析

陶晋宜

(

摘要 :,

术 , 。

关键词 :电导率 ; ; ; 本质安全

:85017文献标识码 :A

穿透地层的通讯属于无线通讯 , 但与我们常见的地面电视、广播、手持电话机的无线信号传送不同。在地面 , 电磁波传播是以空气为通讯媒质 , 它几乎没有损耗 , 并且电磁波的频率可选在高频段 , 因而其辐射效率高 , 天线物理尺寸短 , 体积小。

穿透地层通讯电磁波要在损耗较大的煤层及岩石层中传播 , 煤层及岩石属半导电煤质。从电磁波在半导电媒质中衰减常数Β的表达式

Β=f , (1 及集肤深度∆表达式

∆ =

f

. (2 其中 f 为电磁波的频率, Λ为媒质的磁导率 (与空气中的磁导率4Π×10-7H m 基本相等, Ρ为媒质的电导率。

可知 :电磁波在半导电媒质中的穿透能力与电磁波的频率 f 及媒质的电导率Ρ有关。电磁波的频率越高 , 衰减越严重 , 传播距离越短。矿井的地质条件不同 , 导致其电导率Ρ的不同。从而使得其穿透效果也不同。因此电磁波的工作频率必须选在音频 (V F 013k -3k 和甚低频 (VL F 3k — 30kH z 才能有一定的穿透能力。

另外 , 穿透地层的通讯设备工作在煤矿井下 , 必须符合矿井安全操作规程 , 要具备防爆性能和防水、防尘能力 , 发送功率不能很大 , 这样就限制了通信距离 , 只能在技术许可的范围。 1天线的设计

要想实现穿透地层的无线电可靠通信 , 有赖于在给定的信号传输条件下 , 选择一个最佳的发射和接收天线装置。在矿井低频无线信道中 , 一般是利用电磁波的近区到中间区的场实现信号传输。当天线装置的经典计算推广到半导电媒质时 , 会导致对天线装置效能估计的非单值性。这是由于天线的效率、方向系数或增益等电参数均和岩层的电导率Ρ有关。

在矿井穿透地层的无线电通讯中 , 由于不同地区地质构造的不同 , 电磁波穿透的地层各层的电导率Ρ及厚度都不尽相同。电磁波在每一层的传递中 , 都会发生不同程度的衰减、折射、反射。

111本设计穿透区的地质构造简介

本设计选择的穿透地点 , 岩层的大概分布如图 1所示 .

为了设计方便 , 计算出穿透区的等效电导率Ρ, 将穿透区的电参数简化为电导率为Ρ的均匀媒质的电磁波穿透模式。等效电导率Ρ的计算表达式为 : =

d

∑ n

n =1

Ρn d n . (3 式中 :d 为煤层与岩层的总厚度, Ρn 为第 n 岩层的电导率 , d

n 为第 n 岩层的厚度。

选择穿透电磁波的发射点位于地面下 304m 的 A 点 , 平均电导率约为 1177×10-2S m .

α作者简介 :陶晋宜 , 女 , 1963年 5月生 , 硕士 , 讲师 , 研究方向 :煤矿地下无线通信 , 太原 , 030024

收稿日期 :1999206229

图 1穿透地点岩层的大概分布

112天线型式的选择

在本设计中 , 天线采用水平放置终端短路单极天线。天线上的电流是按照有耗长线的规律分布的。当天线较短时 , 若用终端开路形式 , 电流沿线成三角形分布 , 天线的有效长度只有实际长度的一半 , 辐射将会减弱 , 输入阻抗呈现很大的容抗 , 需在天线回路中串入很大的电感才能调谐。串入大电感将引起较大的损耗 , 从而使得整个系统的效率降低 , 对于大功率的发射装置还容易引起过压。若天线采用终端短路形式 , 则电流沿线分布比较均匀 , 幅射能力增强 , 而且输入阻抗的电抗布分为小感抗 , 容易和发送装置匹配。

此外 , 采用终端短路的单极天线 , 只要终端可靠接地 , 电长度可提高一倍。

本设计发送天线的安装示意如图 2所示

。

图 2发送天线的安装示意图

使用终端短路单极天线 , 需要安装良好的接地极。比较简单的方法就是用一根金属棒砸入地下一定深度 , 其接地等效电阻 R g 为 :

R g =2ΠΡl

ln a -1.

(4 l 为埋入地下的深度 , a 为金属棒的半径, Ρ为平均电导率。

在本课题中 , 选择金属棒直径

为 26

mm 01177×10-2

S m , g 83所示。

图 3所用天线的架设方式及使用环境

电磁波在半导电媒质中传播时 , 波长缩短 , 对本设计而言 , 其缩短系数为Ν=

Κ=1+4ΞΕ

≈ 40. 波长Κ=Κ0 Ν

=1506m , 其中Κ0为自由空间的波长。本设计中分别选择 100m 长的终端短路单极天线作发射接收天线 , 天线长度满足l <Κ, 因此 , 可以将天线视作水平电偶极子。

根据本设计的天线安装方式 , 建立坐标系如图 4所示。

当电磁波从发射天线向上传播时 , 由于天线电长度非常小 , 可近似为准球面波。对本设计而言 ,

穿透岩层衰减因子 :A th =010036; 折射因子 :A re =0102.

考虑到电波穿透地层时有穿透衰减 , 越过大地 2空气界面时发生折射 ,

在地面上 M 点收到的电磁场

的场强为 :

E Η=4Πr 3e -jkr

(1-j k r -k 2

r co s Η A

th

A

re

. (5