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透地通信系统在金杖子隧道工程中的应用

来源:草根论文网 时间:2017-03-27 字体:[ ] 收藏 我要投稿 浏览:

 由于环境情况复杂,隧道内的通信理论研究较为困难,几十年来发展缓慢,其趋势远远落后于地面和空间,主要原因是:①地层对电磁波有吸收作用,使得电磁波在其中的衰减较为严重;②天线效率低;③隧道内接收点的信号很微弱等。

对于地下工程中移动目标定位技术的研究有不少,1994年在南非普雷米尔金刚石矿安装了一种微波信标系统,但是这种定位方式定位精度不高,属于粗定位。近年来,研究者们又把研究重点投向了射频技术。目前关于射频技术的室内定位系统主要有Microsoft ResearchRADAR(2000)系统等。我国透地定位技术起步略晚,比较有代表性的产品有煤科总院的KJFZO00系统中的井下人员定位考勤系统,目前国内外对地下定位系统的研究大多使用的还是RFID以及CAN总线技术,当地下发生地质灾害时,大部分设备无法使用的情况还是无法得到有效解决,因此,迫切需要一种受地质灾害影响小的定位系统来准确定位人员的位置。

1金杖子隧道透地通信系统介绍

在目前的工程应用中,大多数的电磁波定位技术都是基于普通电磁波,传播介质主要为空气。而本文所研究的对象是处于公路隧道中,传播介质对电磁波有较强的吸收性和屏蔽性,因此常规的定位方法不一定适用,容易造成人员伤亡和财产损失,所以必须研发出一种能够克服这种局限性的定位系统,来更好地保障人员和财产安全。甚低频电磁波对金属、土层等介质具有较好的穿透性能,因此可被改造应用于隧道工程、矿山工程。

金杖子隧道透地定位系统由电磁波发射系统、大地信道、电磁波接收系统以及数据处理系统4部分组成,其结构如图1所示。根据理论和实验证明:只要选定合适的工作频率,再根据隧道的大地地壳条件,综合考虑各种因素,甚低频电磁波就能较理想地穿透大地,完成甚低频电磁波的透地通信,从而可以对施工人员进行较精确的定位,保障人身财产安全。

根据麦克斯韦基本原理:在所有各点,不论是否有导体存在,只要有磁场变化都有电场存在,充满变化磁场的介质中,同时也充满变化的电场,这种场永远是相互联系着形成电磁场。根据该原理,只要在半导电介质的地层中形成变化的电流,就一定会在地层中形成变化的磁场。

根据电磁波的天线理论,发射天线的长度需要达到几万米乃至更长,这在实际的隧道定位中是不现实也是不经济的,因此如果要将电磁波的天线理论应用到实际工程中,需要通过一种新的方法来建立公路隧道的传播模型。研究发现电磁波的发射天线为通有交变电流的电流环,因此可以通过毕奥萨法尔定律对其磁场分布进行求解,示意模型如图2e

透地电磁波的空间分布模型如式(1)所示:

式中:}o为岩层的磁导率;工为通过圆环中的电流;r为电流环的半径。

根据上式可知,透地甚低频电磁波在电磁场的空间分布幅值与场点的位置有关,并且呈非线性关系,在工程中可以通过测量不同场点上的电磁场幅值来获取甚低频电磁波接收装置的位置,从而实现甚低频电磁波的定位。

2金杖子隧道透地定位信号的传播

2.1金杖子隧道大地信道特性分析

发送的信息传送到既定的信宿,可选用适于传输的物理媒体来完成通信功能。连接发信号与收信号的设备、适用于不同类型通信业务的各种物理媒体统称为信道。信道可以是无线的,也可以是有线的,本文中的甚低频隧道透地通信信道就属于无线信道,透地定位系统的信道是土壤以及地下岩层。任何媒质的电磁特性都可以用3个参数来表示,它们是介电常数、磁导率和电导率。

(1)介电常数(F/m )

大地表层中,土壤、岩石的介电常数取决于各个组成部分的比例、温度等,而岩层的介电常数与极化场的频率有关,并且这种关系可由土壤中的含水量决定。

(2)磁导率(H/m)

土壤和沉积岩是典型的抗磁体,其磁导率与真空中磁导率没有区别。因此电磁场的磁场分量在岩土层与空气的分界面上是没有变化的,可以取其磁导率。

(3)电导率(S/m)

在岩土层中激励起电磁场时,岩层的电导率会引起功能量损失,并决定着电磁场随着距离辐射源的远近而衰减的情况。对于大地来说,其电导率是不固定的,在温度、孔隙率、湿度、岩石矿物成分、频率等各种因素的影响下,会有较大的变化。为了计算出电磁波透地区的等效电导率,将透地区的媒介等效为平均电导率为的半均匀媒介。表1列出了不同岩层的电导率范围分布情况。

研究发现,在岩层中传递电磁波时,半导电媒质要吸收电磁波的能量。频率越高,或者电导率越大,电磁波振幅的衰减就越严重,穿透能力就越弱,传播距离也就越短;电磁波的频率越低,媒质的电导率越小,衰减速度就越慢,进而越有利于信号的传送。2.2金杖子透地通信系统频率的选取

使用较低的电磁波发射频率能够提高电磁波的穿透能力,从而增加传播距离,减少电磁波幅值的衰减。可以把甚低频电磁波进行改进,从而更好地用于极端复杂环境中的、远距离的通信,例如隧道透地通信、矿井通信等。根据甚低频电磁波的这个特性,决定采用3kHz的甚低频电磁波作为公路隧道定位系统的频率,这样研发出来的透地通信系统才具有更强的可靠性。电磁波频段的划分如表2所示。

透地通信系统在工程现场的应用

在承德平泉金杖子隧道进行了透地通信系统的应用和测试。该隧道海拔约为660m。实验在隧道内的作业面进行,最远可测试的透地通信垂直距离为323m。整个实验包括两部分,即地面一作业面的通信和作业面一地面的通信。根据隧道的实际情况和作业平面构造,进行地面一作业面通信测试时,发射机铺设在660工作面(山顶);进行作业面一地面通信测试时,发射机铺设在隧道内部作业面。发射机载波频率为3.OkHz时,上述两种测试均可以实现正常通信。在隧道的不断施工掘进过程中,在不同的掘进深度和位置,又进行了若干次工程现场的测试,该透地通信系统均表现出了优良的应用效果。

结语

综上所述,本文在比较先前的透地通信技术的基础之上,总结了目前在透地通信领域中理论和实际应用中的问题,介绍了金杖子隧道透地通信系统,并对大地信道特性进行了理论上的分析与研究,提出了基于甚低频电磁波的透地定位技术。现代化建设离不开公路、铁路隧道等地下工程,一款性能优良的透地通信系统在保障人身财产安全中起到了举足轻重的作用。改善通信的精准性、及时性对于提高隧道内的安全指标和生产管理质量有着十分重要的意义。

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作者:郑编辑 责任编辑:郑编辑

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