超宽带雷达波在煤体中的传输衰减特性

郑学召，孙梓峪，王宝元，郭 军，徐承宇

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 国家矿山应急救援西安研究中心，陕西 西安 710054)

0 引 言

随着应急救援技术的发展，近些年逐渐兴起了一种新型救援技术——钻孔救援[1]。该技术于救援工作初期在地面打直径较小的钻孔，利用可实现信息实时传输的双绞线牵拉生命信息探测仪，将之放入钻孔之中，进行井下人员生命信息辨识与定位，确认生命信息后将会实施大直径钻孔作业进行营救。与以往的救援方式相比较，钻孔救援可以快速的向受困人员输送给养物资，提高生还率[2]。但该方法在救援过程中易受到煤岩、地层性质的影响，当地质偏软时进行作业易导致钻头偏移[3]，使得钻孔作业形成的通道被破坏并形成堵塞，导致生命探测装备出现测量偏差，无法精准定位人员信息。目前常用的红外成像系统穿透性差，遇到障碍物会失效[4]；音频探测由于被困人员的声音在煤岩介质传输过程中衰减速度比较快，遇到水和泥土时将会失能[5]；光学探测仪需要将光纤传感器放入被困人员周边，当距离较远或探测目标区域孔隙较小时都将难以布设[6]，以上这些传统方法都无法高效准确地探测障碍物后有无生命活动[7]。

超宽带(ultra-wide band，UWB)雷达有良好的穿透性、抗干扰性，并且可以进行非接触式测量，带宽极宽[8]，可很好的克服传统声光探测面临的难题[9]，实现生命探测与井下定位[10]。该方法通过发射纳秒级别的超宽带脉冲进行探测，对接受的回波进行处理，获取目标的位置距离与生命信息，但是由于矿山救援过程中环境恶劣，煤岩赋存条件复杂，故应用不多[11-12]。孙继平等通过对超宽带技术的研究，得出该技术拥有功耗较低、抗干扰性强、高带宽的优势，可用于矿井应急救援通信与人员定位[13]；MA等为了提高地震和其他灾害下人员救援效率，开展了基于超宽带雷达对动物和人员的区别研究，利用交叉实验验证了结果的可靠性，对使用超宽带技术进行井下人体生命识别提供了理论基础[14]；XU等利用超宽带雷达波回波信号获取墙体后人员的呼吸频率和距离信息，证明了超宽带雷达进行人员探测与生命救援的可靠性与有效性[15]；陈新科提出时间定位法与时间差定位法在超宽带定位技术中的应用，可实时了解井下人员与设备的位置状态，相比以往技术精度提高，定位误差控制在30 cm以内[16]；郭继坤等用参考独立分量分析方法滤除杂波分量，使用经验模态算法分解回波信号，分析生命特性曲线，重构人体呼吸的波形特征信息，实现非接触式生命探测与救援行动，解决了以往井下环境中超宽带信号杂波起伏较大的问题[17]；郑学召等研究了超宽带雷达在煤岩中传播的物理参数——介电常数，指出当煤体的变质程度不同时，它的介电常数伴随测试频率的增加，先降低后升高[18]。以上学者的研究指出超宽带雷达波在煤矿进行生命探测的可行性，侧重研究了超宽带雷达在无线定位、生命信息辨识与探测方面的算法、技术升级以及物理参数对超宽带雷达波衰减的影响。但是实验中的穿透介质为墙体或空气，条件较为理想，对超宽带雷达波在煤体中的传输衰减研究尚不清楚。

因此，实验通过采用可以合成信号源对信号进行模拟的NS-187矿用射频信号衰减系统，测试系统中心频率为400 MHz时的超宽带雷达波分别在厚度为25，45，65，85 cm的褐煤、长焰煤和贫瘦煤中的传输衰减信号，得出其正负峰值的变化规律，分析变质程度、厚度对超宽带雷达波衰减特性的影响。

1 传输衰减实验

1.1 NS-187矿用射频信号衰减系统

NS-187矿用射频信号衰减系统通过使用数字频率和射频信号源合成信号源，对信号进行模拟仿真并使用功率放大器放大[19]。其中的发射天线与射频信号源相连接，接收天线与衰减器连接，两者作为穿透煤体时信号的发射和接收装置，将接收到的信号经过衰减器后到达频谱分析仪，进行波形计算。

1.2 实验材料

煤样分别取自陕西新能源神木分公司的褐煤与榆林绿能公司的长焰煤，韩城桑树坪煤矿的贫瘦煤。为了避免雷达波在传输过程中由于煤样裂隙导致的信号衰减[20]，所以选用颗粒度较小、干燥的煤样。对3种煤样利用5E-MAG6700全自动分析仪进行工业分析，结果见表1。

表1 煤样工业分析

1.3 实验方法

NS-187矿用射频信号衰减系统使用定向天线，使其与煤体贴合，使得雷达波可高效地穿透煤体[21]。当雷达波在与体积较大存在明显间隙的煤块接触时，这些煤块之间的间隙和孔洞会使得雷达折射与反射作用增强，造成不必要的吸收衰减[22]，故实验中将煤体破碎为无较大孔洞与间隙，接触较为紧密的小块。

搭建高宽均1 m，长(厚)2 m的长方体模具，将煤体放入其中置于操作台，模拟矿井塌方之后的煤体堆积形状。使用制作好的模具，根据实验内容调节煤样的长(厚)度、保证雷达发射波都穿过煤体。在煤样的前后端布设发射接收天线，2部分天线与组装柜连接，对监测的信号实时存储分析，如图1所示。试验结束后关闭NS-187系统，导出频谱分析仪波形示意图，保存数据，利用Origin进行绘制。

图1 实验模型布置

2 不同变质程度煤中雷达波传输衰减规律

2.1 褐煤中超宽带雷达波的传输衰减

穿透厚度为25，45，65，85 cm时褐煤的频率关系，如图2所示。

图2 褐煤在不同频率下的雷达波穿透衰减

在图2中，褐煤在不同频率下雷达波的波形变化差异比较大。25 cm时，雷达波能量主要集中在200 MHz到600 MHz内，500 MHz时最大；45 cm与25 cm时的能量主要集中区域较为相同，但其峰值比25 cm时小了2×105mV，且在200 MHz到600 MHz内所占比例少于25 cm时所占比例。65 cm时，雷达波峰值位置向左偏移至200 MHz，最大值为2.5×105mV，在200～600 MHz内雷达波幅值均呈下降趋势，在天线频率400 MHz时降至最低；85 cm时雷达波峰值与65 cm时位置相近，但大小降低105mV，同样在天线频率400 MHz附近达到最低，雷达能量主要集中在天线频率的左侧，此时为穿透效果好，绕射能力强的低频[23]。

2.2 长焰煤中超宽带雷达波的传输衰减

穿透厚度为25,45,65,85 cm时长焰煤的频率关系，如图3所示。

图3 长焰煤在不同频率下的雷达波穿透衰减

图3中随着长焰煤厚度的增加，不同频率下煤体的幅值都在降低，主要不同体现在减小幅度的不同，25 cm至45 cm时幅值减小最快，从6×105mV降至2.8×105mV，65 cm至85 cm降幅缓慢。雷达波在穿透25，45及65 cm厚的长焰煤时，能量主要集中在400 MHz左右，且只有单道波峰；在85 cm时能量主要集中在400 MHz之前，有多道波峰出现，表明厚度增加到一定程度时，雷达波在低频范围内的能量较为集中，传输的衰减程度较小[23]。

2.3 贫瘦煤中超宽带雷达波的传输衰减

穿透厚度为25，45，65，85 cm时贫瘦煤的频率关系，如图4所示。

图4 贫瘦煤在不同频率下的雷达波穿透衰减

在图4中，贫瘦煤厚度为65 cm时已经出现多个明显波峰，当厚度为85 cm时，出现间隔很短且峰值大小相近，集中于天线频率左侧的波峰。说明在同等厚度下，变质程度更高的贫瘦煤有多个频谱能量较为集中的波峰，随着厚度的增加，会出现一个更加适宜的探测频率，表现为2个间隔很短且集中在低频的波峰。

分析图2～4中超宽带雷达波穿透煤体之后能量峰值的变化，可以看出褐煤在4种厚度下的峰值能量小于长焰煤，长焰煤的峰值能量小于贫瘦煤。其原因是煤的变质程度较低时，成煤作用所受到的压力比较小，所以孔径比较大，以大孔为主，其孔隙连通性好，吸附能力强，故雷达波衰减速度快。随着变质程度的加深煤体自身更加致密，由于煤体收缩，当内应力大于煤体强度会形成局部裂隙，这些裂隙以微孔为主，即微孔的孔隙发育程度更高，其雷达波逸散能力相比变质程度低存在大孔隙的煤体而言较弱，故衰减程度降低[24]，表现为在不同距离下贫瘦煤的峰值均高于前两者。

3 不同厚度煤雷达波的传输衰减规律

从正峰值、负峰值、频谱能量、峰峰间隔4个关键参数与厚度的关系分析雷达波衰减的变化规律，对比分析不同厚度下煤体对雷达波传输衰减的影响规律，对上述3种煤样在不同厚度下的测试结果进行整理，如图5～10所示。

图5 褐煤在4种厚度下的雷达波穿透衰减

图5中，25 cm时正负峰值分别为1 182 mV，-578 mV；85 cm时正峰值371 mV，负峰值-74 mV。随着煤厚的增加正负峰值都渐趋于零，衰减程度在增大。图6中，在同一厚度下，其正峰值比褐煤大，负峰值比褐煤小，剩余能量较多；随着雷达波穿透煤体厚度的增加，雷达波的剩余能量在减小，传输的衰减程度在增大，与褐煤所得结论基本一致。图7中，超宽带雷达波的传输衰减规律与褐煤和长焰煤的规律基本相同。

图6 长焰煤在4种厚度下的雷达波穿透衰减

从图8分析可知，在3种煤样的正峰值随厚度增加呈下降趋势。当煤层厚度从25 cm增加至45 cm时，3种煤样的衰减幅度最大，这是由于分层传输效果在起始阶段较为明显[25]；在45 cm以后，正峰值下降缓慢，分层传输效果对其影响较小。对于负峰值的变化，3种煤样无明显规律。在45 cm处，长焰煤有一个比较明显的凸点，此时的长焰煤负峰值均高于左右两侧的褐煤与贫瘦煤，但是整体的变化趋势与褐煤和贫瘦煤一致，均呈增大趋势。

图8 不同厚度下3种煤样的正负峰值变化

从图9分析可知，随着煤体厚度的增加，3种煤样的频谱能量均减小。褐煤的频谱能量在不同距离情况下的频谱能量均最低，长焰煤次之，贫瘦煤频谱能量最高，即频谱能量的高低与煤的变质程度呈正相关关系。其中褐煤和长焰煤的变化趋势相似，其频谱能量随厚度增加，先快速下降，然后缓速增长，最后减至最小值。煤样厚度为25 cm时，3种煤样的频谱能量均为最大值，原因是煤层薄，能量在煤层间隙中进行的反射、折射和衍射等作用次数少，所以对能量的吸收较差，所以大部分能量可以被穿透出去。65 cm时，煤样的频谱能量小幅度升高，是因为此时分层传输效果[25]比煤层厚度的影响作用大，导致煤体减弱了对雷达波的吸收。

图9 不同厚度下3种煤样的频谱能量变化

从图10分析可知，不同厚度下3种煤样峰峰间隔之间并未发现明显规律，即正峰值与负峰值出现的时间与距离的增加并无明显规律。

图10 不同厚度下3种煤样的峰峰间隔变化

4 结 论

1)3种煤样的变质程度为：贫瘦煤>长焰煤>褐煤，其衰减关系为：褐煤>长焰煤>贫瘦煤。在实验中表现为雷达波在穿透不同距离下贫瘦煤的能量峰值均高于褐煤与长焰煤，即超宽带雷达波在不同变质程度的煤样中传输衰减程度与煤的变质程度呈反比关系。

2)在25 cm和45 cm时，雷达波的传输衰减幅度较为明显，衰减较快；在65 cm及85 cm时，雷达波传输衰减幅度变小，依然保持衰减趋势。证明随着3种煤体厚度的增大，雷达波的传输衰减越严重，即煤体厚度与雷达波的传输衰减呈正比关系。

3)当长焰煤与贫瘦煤的厚度大于65 cm时，长焰煤频率幅值关系图中会出现多个小于等于400 MHz，间隔很短的波峰；而贫瘦煤在200 MHz与500 MHz处会出现2个较为明显，且幅值接近的波峰，说明在变质程度较高的厚煤体在低频范围内有多个适合选择的传输频率。