太赫兹波在不同湿度煤层中的传播

温 杰，仝庆华，詹云鹏，杨春花

(1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009；2.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

太赫兹(THz)波通常指频率在0.1～10 THz(对应波长30 μm～3 mm)的电磁波，其频率介于毫米波与红外光之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡频段，也是电子学向光子学的过渡区，具有低能、高穿透、指纹谱、宽带、瞬态和相干等性质[1-2]，太赫兹技术已经被证明在更加深入的物理研究以及实际应用中有着广阔的应用前景。

随着煤炭开采强度的不断加大，矿井的开采深度也随之延伸，深度矿井也带来了一系列的矿井灾害问题[1-2]，其中矿井水害已经成为日益突出的重要问题[3-5]，是影响矿井安全的主要因素之一。因此，有必要找到一种矿井水患探测的方法来降低井下突水事故发生的概率，所以研究电磁波在不同湿度煤层中的传播规律就非常必要。煤的湿度是影响煤物理性质的重要因素，利用太赫兹在煤层中的散射特性，测量得到不同湿度的煤样在不同频率下的衰减系数。验证太赫兹频段的电磁波在煤层探测中的可行性，可以为井下不同湿度煤层的雷达成像系统的研究提供一定的数据基础，同时对于解决井下水害问题有重要意义。

1 实验原理及方法

用COMSOL 软件的光学波导模块进行模拟研究。通过折射率的波动方程εr=(n-k)2进行计算，其中εr是介电常数，n和k分别代表折射率的实部和虚部，其值分别来自于材料设置，引用不同湿度下内蒙古某地区煤样的介电常数实部与虚部的测量值[6-7]。太赫兹波在煤层中传播时，受到固体材料的散射作用[8-10]，导致传输信号强度的衰减。S参数中的S21为模型输出信号和输入信号的比值，也就是传输系数，可以反应信号的衰减程度。建立仿真环境和模型时，在煤层的上下均加入空气层，在空气层上外加完美匹配层使得模型更加符合实际情况，考虑到完美匹配层最底下边界没有反射存在，因此需要加入散射边界条件使得模拟环境更加真实。太赫兹波在水蒸气和空间边界中存在巨大的损耗，因此分别设置了5 中不同湿度下煤样的介电常数，如表1 所示。在实际的雷达探测中，通常是无法在另外一侧放置接收装置的，因此计算煤层和水在同一频段下的反射率更加适用于实际。最后使用COMSOL 的数据后处理功能对相同厚度的水层和煤层以及不同湿度的煤层分别进行参数S21和反射率的计算。

表1 不同湿度状态下煤样的介电常数

2 实验结果分析

2.1 太赫兹波在不同湿度煤层中的衰减

如图1 所示，随着频率的不断增大，煤层对太赫兹频段的衰减也逐渐增大。可以看到，煤层湿度的大小对其太赫兹波的衰减具有明显的作用。在频率较低时，湿度取0%、1%、2%、4%时，衰减的程度和区别还不是特别明显，当频率逐渐增大时，湿度对于衰减程度的影响出现明显的差异。把湿度的区间直接增加到10%，这时即使在低频段，太赫兹波的衰减趋势就已经有了明显区别。当频率逐渐增大时，不同湿度对太赫兹波的衰减差异区别明显。最终频率为10 THz、湿度为10%时，太赫兹波衰减至-16.4 dB,湿度1% 时，衰减至-6.4 dB，可见煤湿度是影响太赫兹波衰减的重要因素。

图1 太赫兹波在不同湿度煤层中的衰减

2.2 水层和煤层对不同频率太赫兹波的反射

图2 测试了相同的水层与煤层对太赫兹波的反射情况。通过图1 可知湿度是影响太赫兹波在煤层传播的重要因素。在实际的应用检测中，利用相关的检测设备如监测用的雷达等测量仪器，都是利用设备的反射系统监测电磁波的回波信号，之后对回波信号进行相关的信息后处理工作。所以，计算模型端口的反射率对于数据的实际应用具有重要的参考意义。如图2 所示，纵坐标反映了太赫兹波的入射端口的反射情况，可以看到，因为水对太赫兹波段的电磁波吸收能力很强，所以水层的反射率很低，最高的反射率只有4.7%。煤层的反射率相较于水层具有很大差异，最高反射率可以达到53%。太赫兹波段水层和煤层的反射情况区别明显，这为利用太赫兹波在煤层中探测水提供了可行性。

图2 相同的水层与煤层对太赫兹波的反射

2.3 不同湿度煤层的反射

通过比较水层与煤层对于太赫兹波段电磁波的反射，可知太赫兹波段在这两种不同介质中差别明显。图3 表示不同湿度的煤层在同一太赫兹波段下的反射情况。可以看到，不同湿度对于反射率的大小影响不是特别明显，但是随着电磁波频率的增加，湿度越大其反射率降低的速度越快，图中湿度为10%的反射率明显区别于其他湿度反射率降低的速度。这对于研究不同湿度煤层的反射情况，以及太赫兹波对不同情况下的煤层的探测具有参考意义。

图3 不同湿度的煤层对太赫兹波的反射

3 结语

从太赫兹波对与煤层的衰减出发，验证了湿度是影响其衰减的重要因素，得到不同频率、不同湿度的衰减曲线。计算了水和煤对相同太赫兹波段的电磁波反射率变化的情况，验证两种介质在同一波段反射率的明显差异。在前面的基础上，计算了不同湿度下煤层对太赫兹波反射率变化的趋势，证明湿度是影响反射率变化的重要原因。以上研究为矿井灾害尤其是问题日益突出的矿井水害问题提供数据参考，利用煤层和水层反射率的明显差异，也为太赫兹成像技术、太赫兹光谱技术等相关太赫兹用于煤 层探测方面的研究提供了参考。