徐 湛,溫曉雯,張 淦

(1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,北京100101;2.北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院,北京100192;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)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(shí)塌方體,導(dǎo)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(shí)施隧道搶通、及時救援帶來極大難度。隧道無線強(qiáng)穿透信息傳輸技術(shù)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(guān)研究,迄今為止,現(xiàn)有技術(shù)均存在各種制約因素,導(dǎo)致不能在隧道坍塌應(yīng)急救援場景下可靠應(yīng)用[2-3]。

地電極電流場通信是一種以大地為信道的強(qiáng)穿透信息傳輸技術(shù),具有可靠性高、功耗低等優(yōu)勢,現(xiàn)有研究主要應(yīng)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(shè)[4]。本文探索將其應(yīng)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(yīng)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(fù)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(diǎn)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(yuǎn)小于一個波長,因此不考慮相關(guān)的相移特性)。

本文擬在Wite等人[9]建立的導(dǎo)電半空間有限源的地下電磁場模型的基礎(chǔ)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(chǔ)上,搭建極低頻地電極電流場無線TTE通信平臺,進(jìn)行200 m和400 m極低頻TTE通信路徑損耗測試;最后對實(shí)際測試結(jié)果的噪聲影響進(jìn)行分析,計(jì)算路徑損耗并與仿真結(jié)果對比分析,驗(yàn)證路徑損耗模型的準(zhǔn)確性。

1 路徑損耗建模

隧道坍塌場景下應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(yuǎn)小于通信距離,相當(dāng)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(yīng)到變化電壓實(shí)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(jì)算公式可以表示為[16-18]

(2)

式中:σ2是電極間土壤導(dǎo)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(dǎo)率、電極間土壤電導(dǎo)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(guān)。

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(dǎo)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(guān)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(shí)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(guān)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(guān)系

假設(shè)電極間土壤電導(dǎo)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(guān)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(guān)系如圖5(b)所示,可以看出路徑損耗在8 Hz左右達(dá)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(yuǎn),路徑損耗越大,最佳發(fā)射信號頻率越小。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,本文設(shè)計(jì)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(dǎo)線和4根長1.2 m、半徑0.01 m的電極。按圖6所示布置實(shí)驗(yàn),電極間距3 m,入土深度1 m。發(fā)射信號包絡(luò)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(jìn)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(yàn)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(shè)計(jì)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(yīng)如圖7(b)所示。接收信號經(jīng)濾波器對干擾進(jìn)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(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖8(a)所示,可以看出仿真與實(shí)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(shí)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(shí)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(yuǎn),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(dǎo)率,降低接觸阻抗,增大接收電壓幅值,實(shí)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(qiáng)穿透通信需求,本文將地電極電流場TTE通信方式應(yīng)用于水平方向的應(yīng)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(guān),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(dá)式,給出了應(yīng)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(shí)測數(shù)據(jù)路徑損耗與發(fā)射信號頻率的關(guān)系與模型仿真結(jié)果基本一致,證明了模型的準(zhǔn)確性。