极低频电流场透地通信路径损耗建模与分析*

徐 湛,温晓雯,张 淦

(1.北京信息科技大学 信息与通信工程学院,北京100101;2.北京信息科技大学 自动化学院,北京100192;3.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院,北京100083)

0 引 言

隧道坍塌事故发生后,在隧道洞口和施工掌子面之间,坍塌岩土通常会形成一段厚度在200 m以上的全封闭厚实塌方体,导致掌子面施工人员被困,由于对外信息传输链路被塌方体阻断,给实施隧道抢通、及时救援带来极大难度。隧道无线强穿透信息传输技术对于第一时间建立与受困人员的信息传输,打通“生命通道”具有重要意义[1]。国内外一直持续开展相关研究,迄今为止,现有技术均存在各种制约因素,导致不能在隧道坍塌应急救援场景下可靠应用[2-3]。

地电极电流场通信是一种以大地为信道的强穿透信息传输技术,具有可靠性高、功耗低等优势,现有研究主要应用于地上至地下,即信号传输方向垂直于地表的信息传输,在山岭隧道通信中不便于现场布设[4]。本文探索将其应用于水平方向信号传输的可行性,用于隧道坍塌场景下的应急救援通信。

隧道救援透地(Through-The-Earth,TTE)通信信道是包含不同介质(包括黏土、岩石、沙土、钢筋混凝土等)的复杂大地环境[5],分析信道特性主要包括3个方面[6-8]:一是环境所引起的噪声特性;二是信号输入点的接触阻抗;三是信号在大地信道中的衰减和相移特性(在TTE通信中通常收发间距远小于一个波长,因此不考虑相关的相移特性)。

本文拟在Wite等人[9]建立的导电半空间有限源的地下电磁场模型的基础上,结合接触阻抗模型,建立极低频地电极电流场TTE通信路径损耗模型;仿真分析信号在不同电极半径、电极入土深度、电极间距、发射信号频率和传输距离下的信号路径损耗,优选工作参数;在此基础上,搭建极低频地电极电流场无线TTE通信平台,进行200 m和400 m极低频TTE通信路径损耗测试;最后对实际测试结果的噪声影响进行分析,计算路径损耗并与仿真结果对比分析,验证路径损耗模型的准确性。

1 路径损耗建模

隧道坍塌场景下应急救援通信示意图如图1所示。

图1 极低频地电极电流场TTE通信示意Fig.1 Schematic of TTE communications with extremely low frequency ground electrode current field

传统应用于矿井的地上至地下的电流场TTE通信方案中电极插入方向与信号收发电场传播方向基本一致[10-12],而在水平方向电流场TTE通信中电极插入方向与信号收发电场传播方向垂直,如图2所示,其电流场传播特性存在较大差异。为此,本文开展应用于水平方向的双电极地电极电流场TTE通信路径损耗分析、建模与试验验证。

图2 垂直与水平电流场TTE通信示意Fig.2 Schematic of vertical and horizontal current field TTE communications

本文采用水平的双电极进行电流场信息传输,将极低频的电信号施加于插入地面的一对电极上,在两电极之间形成交变的电流,由于电极长度远小于通信距离,相当于一段贴于地表的具有电流的有限源,从而在地层中形成电流场,通过在接收端的电极对上感应到变化电压实现信息传输[13-14],模型如图3所示。

图3 极低频地电极电流场TTE通信模型Fig.3 TTE communications model of extremely low frequency ground electrode current field

(1)

接触阻抗Ztx计算公式可以表示为[16-18]

(2)

式中:σ2是电极间土壤导电率;a是电极半径;d电极入土深度;2ltx是发射端电极间距。

Vrx≈2Elrxcosθ

(3)

式中:θ是电场与接收电极间的夹角。路径损耗模型是描述信号经过传播的衰减,理论上可以表示为LP=-20lg(|Vrx|/|Vtx|),代入公式(1)、(2)、(3)即可得水平双电极的地电极电流场TTE通信路径损耗模型为

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,信号在水平方向电流场传输过程中的路径损耗与发射信号频率、大地信道电导率、电极间土壤电导率、传输距离、收发端电极间距、电场方向与接收电极的夹角、电极半径和电极入土深度有关。

2 路径损耗仿真

根据公式(4),仿真发射信号频率为8 Hz,大地信道电导率为0.01 S/m(沙质黏土)时[19],路径损耗与电极入土深度、电极半径和电极间距的关系,结果如图4所示。从图4(a)可以看出,路径损耗随电极入土深度的增加而减小,在电极入土深度为1 m前变化较为明显,1 m后变化趋势减缓。从图4(b)可以看出,路径损耗随电极半径的增加而减小,在电极半径为0.01 m前变化较为明显,0.01 m后趋于平缓。由仿真结果结合实际可操作性优选电极半径为0.01 m,电极长1.2 m,入土深度1 m。从图4(c)路径损耗与电极间距的关系可以看出,在电极间距1～20 m变化范围内,路径损耗随电极间距增大而减小,在条件允许时,为增大接收电压幅值可以增大电极间距。

(a)路径损耗与电极入土深度的关系

假设电极间土壤电导率为0.01 S/m,电极间距3 m,偏向角为45°,根据上述电极优选参数,按照公式(4)仿真通信距离为200 m时,路径损耗与发射信号频率的关系,结果如图5(a)所示。从图5(a)中可以看出,发射信号频率低于20 Hz时,路径损耗随频率的增加而减小,高于20 Hz时路径损耗随频率的增加而增大,信号在极低频段路径损耗在104 dB上下微小波动。通信距离为400 m时,路径损耗与发射信号频率的关系如图5(b)所示,可以看出路径损耗在8 Hz左右达到最小值,信号在极低频段损耗在126 dB上下微小波动。

(a)通信距离200 m

由图5(a)和(b)对比可知,通信距离越远,路径损耗越大,最佳发射信号频率越小。

3 实验数据采集

为了验证模型的准确性,本文设计并搭建了极低频地电极电流场无线TTE通信系统,包括电流场信号发射装置、电流场信号接收装置、导线和4根长1.2 m、半径0.01 m的电极。按图6所示布置实验,电极间距3 m,入土深度1 m。发射信号包络恒定,频率从3～10 Hz逐频增加,各单一频率信号时长1 s,信号总长8 s。

图6 极低频地电极电流场TTE通信测试Fig.6 Testing of TTE communications of extremely low frequency ground electrode current field

分别进行了通信距离为200 m和400 m的路径损耗测试,由于400 m时接收信号很微弱,为提高接收电压幅值,在电极处加水(发射端电极安插处注入550 mL纯净水),以减小接触阻抗,测试结果与不加水时作对比。

4 试验结果与分析

通信距离200 m、发送电压100 V,通信距离400 m、发送电压180 V,以及通信距离400 m、电极处加水、发送电压180 V时接收信号时域和频域信息如图7(a)所示。从图中可以看出,信号的主要信息频段在3～10 Hz之间,信号受干扰影响明显,干扰主要包括直流信号分量和50 Hz工频干扰,及一些100 Hz和150 Hz的谐波干扰。

图7 接收信号滤波处理结果Fig.7 Filtering processing result of the received signals

设计加窗线性相位FIR1带通滤波器,200 m接收信号通带频率为1 Hz,阻带频率为15 Hz,400 m接收信号通带频率为2 Hz,阻带频率为12 Hz,滤波器的幅度和相位响应如图7(b)所示。接收信号经滤波器对干扰进行滤除后信号时域和频域信息如图7(c)所示,可以看出在实际测量结果中,发射信号频率从3～10 Hz变化时,接收信号电压幅值变化不明显。

通信距离为200 m时,不同发射信号频率下路径损耗仿真和实测数据对比如图8(a)所示,可以看出仿真与实测路径损耗均在104 dB附近,信号频率在3～10 Hz变化时路径损耗呈下降趋势,且随着频率升高变化趋缓。通信距离为400 m时,仿真与实测数据如图8(b)所示,路径损耗均在126 dB附近,发射信号频率在3～8 Hz时呈缓慢下降趋势,在8～10 Hz时缓慢上升。实测与仿真模型基本一致。

(a)通信距离200 m

由图8可知,在水平地电极电流场TTE通信中,通信距离对信号的路径损耗有显著影响,通信距离越远,信号衰减越大,通信距离为400 m时较200 m损耗增加了近20 dB;在电极处加水可以明显增大电极间土壤电导率,降低接触阻抗,增大接收电压幅值,实测路径损耗较不加水时减小约6 dB。

5 结 论

针对隧道坍塌场景下的无线强穿透通信需求,本文将地电极电流场TTE通信方式应用于水平方向的应急通信,建立了双电极的水平地电极电流场TTE通信路径损耗模型。由于接触阻抗与路径损耗紧密相关,提供了包括电极半径、电极入土深度和电极间距的路径损耗表达式,给出了应用于水平方向TTE通信的最佳电极半径为0.01 m,电极入土深度为1 m。搭建了极低频电流场TTE通信系统,测试了发射信号频率在极低频3～10 Hz时的路径损耗。结果分析表明,实测数据路径损耗与发射信号频率的关系与模型仿真结果基本一致,证明了模型的准确性。