基于无线信道的井下大巷与斜巷信号传输比较

孙 超，李玉良，王蓓蓓，胡 浩

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008)

0 引言

目前矿井机车监控系统采用的是20世纪80年代原煤炭部为解决煤矿井下运输问题而引入国铁的信号、集中、闭塞控制系统。这个系统基本上都是采用传感器来采集井下的信号，井下的工作环境比较恶劣，这就会导致传感器经常损坏，给修理人员增加许多不必要的工作负担。由中国矿业大学和兖矿集团东滩煤矿共同开发的无线移动视频监控跟踪系统解决了这个问题。

当今的视频监控基本上是点的监控，即在矿井下安装固定的摄像头以达到监控的目的。井下的环境很复杂，巷道的距离很远，摄像头不能无止境的增加下去，所以就可以采用移动的无线像头，对井下的环境进行监测。采用无线摄像头，这就不得不考虑到无线信号的传输问题，以及接收设备的安装的位置问题。本文主要讨论大巷与斜巷无线信号的传输。

1 煤矿井下信道的描述

在隧道内空间波传播方式是指自然传播方式，通过天线辐射的无线电波在隧道空间的空气介质中进行传输［1］。目前以实验为基础已形成了两种理论:

一种是把隧道壁等效为有损介质的波导传输原理来分析。这种用波导理论来分析各种不同截面尺寸的隧道内的电波传播特性比较直观、简单。

隧道壁一般由混凝土构成，其厚度是有限的，当传输信号的频率高于隧道的截止频率时，则集肤深度小于壁厚，这时可把隧道壁厚视为无穷大，这样就简化了计算模型，即隧道可用截面积相等的圆柱波学近似，如图1所示。设圆波导的等效半径a=4.2M，隧道内为自由空间，介电常数为ε0，外部为复介电常数为ε2的介质镶嵌。内外部分的磁导率都等于自由空间的磁导率μ0，隧道壁的电导率为 δ2=3 ×10－2S/m。

根据波导理论，对于圆柱波导，其衰减常数anm可由它的特征方程的根求出:

公式依次用于TEom、TMom以及EHnm的情况。式中μnm，n阶贝塞尔函数的第m个根;λ:波长;a:圆柱波导半径;v:外部介质的复折射系数。

另一种是将隧道内电磁波的传播看成是隧道壁产生反射波叠加的几何光学理论。把隧道壁的反射作用等效为镜像源，利用直射波与反射波的迭加，求出隧道中任一点的场强。假设到达某点的电波在此之前，在左右两壁上反射了m次，上下两壁上反射了n次，则它的场强为:

其中Em，n是点的场强。实际上各种隧道、矿井的截面尺寸和形状各不相同，材料的电参数特性δ、μ、ε也差别很大。因此用上述方法分析隧道传播特性与实测结果有一定差别。有待于进一步研究各种实用的计算方法，其基础工作是需要大量进行各种不同隧道、不同频段的传播实验［6］。

2 无线发射器与接收器的安装

关于无线发射器和接收器的安装，无线发射器安装在机车或者人车上，而接收器是安装在井下隧道的墙壁上，并将其固定，在接收器收到信号后，经过光缆传输到地面监控室。接收器与发射器的现场安装如图2所示:

发射器安装在机车或者人车的顶部，对于接收器的安装必须保证能很好地接收无线信号，最好的安装方式就是把接收器安装在隧道的正中间的顶部，把接收器悬挂并且固定，因为巷道中有很大风力，会使接收器来回摇摆，不利于信号的接收。

3 大巷的无线信号的传输

无线视频发射器采用2.4GHz的频率，信号经过无线发射器进行无线传输，接收器接到信号后，经过光缆把信号传输。在空旷的情况下，信号传输距离不大于500M。

我们可以把大巷看作一个长方体，图3是大巷的平面图，其中S是信源，D是接受装置，a、b、c是信号的传输方式(其中a经过两次反射到达D，b经过一次反射到达D，c直接传输到D点)。在现实的环境中信号的传输更为复杂。

在煤矿隧道限定空间无线信号的传输有两大定律:一是帐篷第一定律;二是帐篷第二定律。这两大定律主要说明的是信号的面传输和线传输。

信号在大巷中传输根据现场的情况是:有时会出现信号中断的情况，偶尔间断性的信号丢失，可能信号在大巷的传输过程中会有盲区;有时在信号的传输的过程中，机车在有接受器的大巷中运行，转向侧巷的后，视频画面上会出现有一段一段的视频信号，即一段有信号，一段信号丢失。

4 斜巷的无线信号的传输

图4是根据在平顶山一矿下斜井的部分示意图，斜巷中有拐点，不是理想的直的斜巷。中间有很多拐点，幅度不是很大。信号在此斜巷中传输更为复杂，对接收机的安装提出更高的要求。如图4所示，在斜巷中信号的多径效应更为的明显，能直接到达而不经过反射到接收机的很少。

斜巷的全长1200M，中间有若干变坡点，接收机安装在距车房400M处。发射器安装在人车上，在斜巷中运动。人车在斜巷的底部和顶部都可以接收到信号，把视频接收上来。接收机在空旷的场地中传输的距离小于等于500M，在此斜巷中的变坡点比较多，这些变坡点将很大程度上的影响信号的直线传播，而在斜巷中传输的距离却超过500M。多径效应会影响信号的接收，会对信号产生很大的影响，信号的延时、信号的衰减等等。然而在对现场的测试当中发现，信号在很远的地方也能接收到，视频信号也可以传输上来。

5 大巷与斜巷的比较

现在我们对大巷与斜巷的信号传输的具体情况进行分析。在大巷中信号的传输将有一部分的信号是可以直线到达接收器的，大巷在进行挖掘时，基本上是线性的，也有部分的大巷有很小的幅度，但是这种幅度基本上不会影响人们的直线视觉。大巷是机车的主要行驶的范围，如果大巷中有很大的幅度，这就将给机车的司机视角有很大的限制，这样就很容易发生事故。所以大巷的信号传输是有部分信号是可以直线到达的。而在斜巷中就有所不同，斜巷中的机车行驶都是靠缆绳牵引的，而且是单行道的，所以对整个斜巷的直视距离就没特别的要求。在斜巷中信号的传输，接收机接收到的信号只有一少部分是直线到达的，甚至没有，大多数的信号是经过反射得到的。在平顶山矿上接收机的安装点，往上有50M距离的地方有一个比较明显的变坡点，在接收机的位置往上看，见不到机车，信号在斜巷的传输，要比大巷中传输的环境更复杂。

下图图5(a)、图5(b)是在斜巷中视频录像的画面，图像中有些许雪花，主要原因是因为斜巷的照明条件不如大巷好。

图5 斜巷

下图图6(a)、图6(b)是在大巷中的视频信号的一些录像图片，和斜巷的图片相比要清晰很多，对周围环境的成像更为清楚，更有利于监控。

图6 大巷

由上面的实际的图像可以看出，影响画面的仅仅是灯光条件的不同，也就是说信号在大巷和斜巷的传输距离比预测的要远。尤其在斜巷中，中间存在几个变坡点，但是对信号的传输距离影响并不是很大，在斜巷中变坡点是可以用肉眼看出来的。

6 结语

在传统意义上，由于多径效应的存在，信号强度应该使衰变很快，但是在现场的测试中，以及设备安装和调试的过程中，我们不难发现，信号比在空旷的空间中传输的距离更远，所以可以得出一个结论:传统意义的多径效应在煤矿隧道对信号的传输起到加强信号的作用，这为无线视频在井下的应用提供了一个更好的途径。

［1］李玉良.矿井机车监控［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［2］周剑玲，于臻，冉小英.2GHz无线电波在煤矿井下隧道传播的研究［J］.传感技术学报，2009，22(6):910－912.

［3］李冰玉，张申.隧道内微波多径传播特性的仿真［J］.微波学报，2003，19(4):37－41.

［4］张会清，于洪珍，王普，等.矩形隧道中电波多径传播膜型的建立及仿真［J］.电波科学学报，2008，23(1):195－200.

［5］吕义东，周铭.多径衰落下通信系统的分析与仿真［J］.实验科学与技术，2009，7(2):18 －20.

［6］李玉良.井下车场机车视觉定位技术研究［J］.煤炭科学技术，2009，4(37):50 －56.

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