巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响

　第３４卷第１１期 煤　　炭　　学　　报 Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．１１　 　２００９年 １１月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹ Ｎｏｖ．　 ２００９　 　　文章编号：０２５３－９９９３（２００９）１１－１５５４－０４ 巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响 张妍玮，张记龙 （１中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原　０３００５１；２中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原　０３００５１） 摘　要：根据瑞利散射规律了粉尘和雾滴对电磁波传输的衰减特性．研究明：电磁波的传 输衰减与粉尘颗粒的大小和分布无关；衰减随着电磁波的频率升高以及粉尘浓度、雾滴含水量的 增大而增大；粉尘颗粒的形状和空间取向决定交叉极化分辨率的大小，分辨率越高，不同极化波 之间的相互干扰就越大．但电磁波在特高频频段时，在限定的浓度范围内，粉尘颗粒在各个方面 对电磁波传输的衰减都很小，与巷道内其它因素引起的衰减相比是非常小的． 关键词：粉尘；雾滴；特高频电磁波；瑞利散射；交叉极化 中图分类号：ＴＤ６７６　　　文献标识码：Ａ 收稿日期：２００８－１２－０１　　责任编辑：许书阁 　　基金项目：中国科学技术部国际科技合作重点资助项目 （２００６ＤＦＢ７２５１０） 　　作者简介：张妍玮 （１９８３—），女，山西太原人，硕士研究生．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｗｏｌｉｖｅ＠１６３ｃｏｍ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｉｎｅｄｕｓｔｏｎｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ ＵＨＦｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｉｎｔｕｎｎｅｌ ＺＨＡＮＧＹａｎｗｅｉ，ＺＨＡＮＧＪｉｌｏｎｇ （１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ； ２ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅｆｏｒＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　 ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＲａｌｅｉｇｈＳｃａｔｔｅｒｉｎｇｓ，ｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｍｉｎｅｄｕｓｔａｎｄｄｒｏｐｌｅｔｏｎ ＥＭｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｓｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｆｓｉｚｅａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｕｓｔ； ｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＥＭｗａｖｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｄｕｓｔ，ａｓｗｅｌｌａｓｄｒｏｐｌｅｔ ｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｔｈｅｓｈａｐｅａｎｄｓｐａｃｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｄｕｓｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｅｃｉｄｅｔｈｅｃｒｏｓｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅＸＰＤｉｓ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｍｕｔｕａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｌａｒｉｚｅｄｗａｖｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｔＵＨＦ，ｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｓｏｆｄｕｓｔｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｅｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｎＥＭｗａｖｅ ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｓｐｅｃｔｓａｒｅｎｅｇｌｉｇｉｂｌｙｓｍａｌｌｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅｄｕｓｔ；ｄｒｏｐｌｅｔ；ＵＨＦｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅ；ＲａｌｅｉｇｈＳｃａｔｔｅｒｉｎｇｓ；ｃｒｏｓｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ 　　在煤矿生产的主要环节如开采、掘进、运输、提升的几乎所有作业工序都会不同程度地产生粉尘，大 量的粉尘颗粒悬浮沉积在矿井巷道及开采工作面内不仅会污染工作场所，危害人体健康，一定条件下还会 引发爆炸［１］．并且，这些粉尘颗粒都是有耗媒质，大量悬浮沉积于巷道内，会在不同方面给电磁波的传 输造成衰减．目前，国内外学者在矿井下特高频电波传输特性［２－３］以及粉尘对微波的传输影响［４－６］两方面 分别进行了系统的研究，但针对巷道内的粉尘对电磁波传输影响的研究甚少，并且在研究中未考虑粉尘引 起的退极化现象以及粉尘吸收水汽分子后对电磁波的影响［７］．本文则主要分析了矿井巷道内的粉尘和雾 第１１期 张妍玮等：巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响 滴对特高频段电磁波的散射和吸收衰减，并对粉尘给电磁波造成的交叉极化现象进行了初步研究． １　理论分析 １１　粉尘的散射与吸收衰减 煤矿井下巷道中的粉尘多为悬浮在矿井空气中的浮游粉尘，粒径大小在０２５～１０００μｍ之间．其 中，有８０％～９０％的矿尘是容易导致尘肺病的呼吸性粉尘，其粒径小于５μｍ．按煤矿井下粉尘浓度卫生 管理标准计算浮尘间距约为１０ｍｍ［１］．当通信电磁波频率在ＵＨＦ频段时，其波长在０１～１０ｍ之间，由 此可见，矿尘粒径的尺寸要远远小于所用波长和其间距，可认为这些微粒彼此孤立，粉尘对电磁波的散射 和吸收衰减符合瑞利散射规律． 设粉尘颗粒半径为ａ，相对介电常数为ε，入射波为均匀平面波，当均匀平面波入射到矿尘颗粒上时， 将在这些颗粒内部感应出电偶极子，这个偶极子按入射平面波频率振荡，并相当于一个偶极子天线向空间 各方向辐射电磁能量，产生散射场．因此，可以得到粉尘颗粒的散射场［８］为 Ｈφ ＝ Ａｓｉｎθ Ｚ０ｒ ３［ｊｋｒ＋（ｊｋｒ） ２］ｅ－ｊｋｒ，Ｅｒ＝ ２Ａｃｏｓθ ｒ３ （１＋ｊｋｒ）ｅ－ｊｋｒ，Ｅθ＝ Ａｓｉｎθ ｒ３ ［１＋ｊｋｒ＋（ｊｋｒ）２］ｅ－ｊｋｒ，（１） 式中，Ａ为常数；Ｚ０为自由空间波阻抗；ｋ为电磁波传播波数，ｋ＝２π／λ． 在散射场远场区满足ｋ·ｒ＝ｋａ１，由式 （１）可得 Ｈφ ＝－Ｅ０（ε－１）ｋ ２ａ３／［Ｚ０（ε＋２）ｒ］ｓｉｎθｅ －ｊｋｒ ＝ Ｅθ／Ｚ０，对平均坡印廷矢量Ｓ＝Ｒｅ［Ｅθ×Ｈ  φ］／２，从０到π积分得到单个粉尘颗粒散射的散射功率为 Ｐ＝∫ π ０ Ｓ２πｒ２ｓｉｎθｄθ＝８π （ε－１）／（ε＋２） ２ ｋ４ａ６（Ｅ２０／２Ｚ０）／３． 　　则散射功率与入射功率密度（Ｅ２０／２Ｚ０）之比即为单个粉尘颗粒的散射截面 σｄ ＝１２８π ５ａ６ （ε－１）／（ε＋２） ２ ／３λ４． （２） 　　同理，可得单个粉尘颗粒的吸收截面为 σａ＝８π ２ａ３Ｉｍ［－（ε－１）／（ε＋２）］／λ． （３） 　　因此单个粉尘颗粒的总衰减截面为吸收截面和散射截面之和，即 σｔ＝σａ＋σｄ． （４） 　　假设煤矿井下巷道横截面积为Ｓ，单位体积内的粉尘颗粒数为Ｎ，则每千米内所有粉尘颗粒的散射衰 减和吸收衰减分别为αｄ＝４３４３×１０ ３ＮＳσｄ （ｄＢ／ｋｍ），αａ＝４３４３×１０ ３ＮＳσａ（ｄＢ／ｋｍ）． 比较式（２），（３）可以看出，吸收截面要比散射截面大的多，因此总的衰减截面主要由吸收截面确定， 则粉尘所引起的总衰减系数ααａ＝４３４３×１０ ３ＮＳ×８π２ａ３Ｉｍ［－（ε－１）／（ε＋２）］／λ，由于计数法不能 很好的反应矿尘的危害性，国内外现都采用质量法来计量矿尘浓度，因此整理后得到 α＝４３４３×１０３× １８πｃε″Ｓ／（ρλ｜ε＋２｜２），其中，ｃ为粉尘颗粒的浓度，ｍｇ／ｍ３；ρ为粉尘颗粒的密度，ｇ／ｃｍ３．可以看 出：衰减与粉尘的尺寸大小和分布没有关系．影响粉尘衰减的因素包括粉尘的浓度、性质、种类以及巷道 的横截面积和巷道内的传输频率． 我国规定［１］井下有人工作的地点和人行道的空气中游离ＳｉＯ２的含量在１０％以上时，总尘浓度不得超 过６ｍｇ／ｍ３，呼吸性粉尘浓度不得超过 ２５ｍｇ／ｍ３；游离 ＳｉＯ２的含量小于 １０％时，总尘浓度不得超过 １０ｍｇ／ｍ３，呼吸性粉尘浓度不得超过３５ｍｇ／ｍ３．假设矿井巷道的横截面积为５ｍ２．取粉尘的介电常数为 ５－ｊ０２３，粉尘的密度为３１８ｇ／ｃｍ３［９－１０］． 图１为不同浓度下的呼吸性粉尘对电磁波传输的衰减随频率变化的特性曲线．可见，电磁波频率与衰 减成正比关系，随着电磁波频率的增大，粉尘对电磁波传输的衰减逐渐增大．并且当单位体积内的粉尘浓 度增大时，电磁波的衰减也在增大．电磁波频率为２４ＧＨｚ时，浓度在限定范围 （≤１０ｍｇ／ｍ３）内，α在 ２８×１０－４ｄＢ／ｋｍ以下，粉尘引起的衰减很小． ５５５１ 煤　　炭　　学　　报 ２００９年第３４卷 图１　不同浓度下粉尘对电磁波传输的衰减与频率的关系 Ｆｉｇ１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ １２　雾滴对电磁波的衰减影响 在煤矿巷道及采煤工作面，为了防尘往往用预湿 煤体的方法，这样增加了巷道中的湿度，相对湿度 可达到９５％，甚至是饱和湿度．然而当空气中存在 大量的半径在０００１～１００００μｍ之间的微粒作为凝 结核时，相对湿度即使未饱和时也会有雾滴形成． 因此在巷道内及采煤工作面内均会形成大量的雾滴， 雾滴对电磁波同样会产生散射和吸收的影响． 雾滴对电磁波的影响同样符合瑞利散射规律． 结合式 （２） ～（４）可得到单位体积内雾滴的总衰 减为α＝４３４３０６πλρ Ｉｍ －ε－１ ε＋( )２Ｍ，其中，Ｍ为雾滴含水量，ｇ／ｍ３．所以雾滴的衰减只与含水量有关， 而与其尺寸大小无关．在－１０～２０℃温度范围内，整个微波段计算雾滴衰减的经验［１１］为α＝４３４３× １０［００１１２４（２９１－Ｔ）－０９４１８］Ｍ／λ（ｄＢ／ｋｍ）． 图２　雾滴的散射衰减特性 Ｆｉｇ２　Ｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｒｏｐｌｅｔ 图２为温度在２０℃时，雾滴含水量分别为２８， ０２８和００２８ｇ／ｍ３时衰减与频率的关系，可知电 磁波的衰减随雾滴的含水量增大而增大，在相同频 率ｆ＝２４ＧＨｚ下，不同含水量下雾滴的衰减分别为 １６４７×１０－９，１６４７×１０－１０，１６４７×１０－１１ｄＢ／ｋｍ， 可见含水量每增加一个数量级，衰减同样增加一个 数量级．并且，电磁波的频率越高，雾滴的散射衰 减也越大，但衰减率都非常小． １３　粉尘对电磁波的退极化效应 电磁波在巷道内传播，通过岩尘和煤层这些损 耗介质会产生退极化现象，使得原来相互正交的两个波，到达接收点后不完全正交了，即产生了退极化现 象，引起信号间的干扰［１２］． 图３　交叉极化 Ｆｉｇ３　Ｃｒｏｓｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ 令ＥＶ，ＥＨ分别为发射端发射的垂直极化波与水平极化 波的电场矢量；ＥＶＶ，ＥＨＨ分别为其对应的同极化接收信号电 场；ＥＶＨ，ＥＨＶ分别为发射垂直极化波和水平极化波时，接收 到的水平极化波和垂直极化波信号电场，即交叉极化信号电 场，如图３所示：在电磁波传播研究中，一般多采用交叉极 化分辨率来说明两个极化波的退极化程度，即发射一种极化 波，如水平极化波，接收同极化电场为 ＥＨＨ，同时接收电波 通过去极化介质之后，在接收点产生的垂直极化电场分量 ＥＨＶ，它们两者之比值取对数：ＸＰＤＨ ＝２０ｌｇ｜ＥＨＶ／ＥＨＨ｜．显 然，ＸＰＤ愈大表示两个不同极化信号之间的分辨率越高，不同极化波之间相互干扰就越大． 产生去极化现象的主要原因是粉尘颗粒形状的不与粒子的空间取向有一定分布规律．在上面讨论 粉尘散射损耗时，将粉尘颗粒近似等效为小球体，然而实际上粉尘颗粒的形状在重力的作用下通常是扁平 的椭球体，电磁波在通过充斥着粉尘颗粒的巷道内时，电磁波沿着粉尘颗粒的长轴和短轴的衰减就不相 同，于是会产生差分衰减．同时，电磁波沿粉尘颗粒长轴与短轴的相移也不一样，这样就产生了退极化现 象． 从理论上计算去极化的大小，必须知道各种条件下粉尘颗粒的准确形状和整个传播路径上粉尘空间取 ６５５１ 第１１期 张妍玮等：巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响 向的分布情况，通常是采用一些近似的方法，在特定的条件下得出某些计算的模式．在 ＵＨＦ频段上，由 于粉尘颗粒的粒径很小，长轴与短轴的衰减之差微乎其微，因此所产生的去极化影响就很小．要更好的研 究粉尘颗粒去极化现象对电磁波的影响需改进对它的估算：延伸粉尘颗粒形状的测量；进行关于矿尘粒子 空间取向问题的实验室测试及理论估算． ２　结　　论 特高频电磁波在巷道内传播时，粉尘颗粒在不同方面对电磁波引起了衰减．电磁波的传输衰减与粉尘 颗粒的大小分布无关，只与粉尘的浓度、性质、种类以及巷道的横截面积和巷道内的传输频率有关；粉尘 和雾滴的衰减都随着电磁波频率的增大而增大，而在空的矿井巷道内，电磁波是随着频率的增大，衰减在 减小，因此在有粉尘的巷道中，要考虑两个衰减增减的叠加；在相同的频率下，矿尘浓度及雾滴的含水量 越大，衰减也越大；退极化现象也是粉尘颗粒影响电磁波传输的一个因素，在 ＵＨＦ频段，微小的粉尘颗 粒对电磁波的交叉极化影响很小．因此，在ＵＨＦ频段上，限定浓度范围内粉尘颗粒在各个方面对电磁波 传输的衰减都很小，与巷道内其它因素引起的衰减相比是非常小的． 参考文献： ［１］　吴中立．矿井通风与安全 ［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，１９８９：３４６－３５０． ［２］　ＥｍｓｌｉｅＡ，ＬａｇａｃｅＲ，ＳｔｒｏｎｇＰ．ＴｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆＵＨＦｒａｄｉｏｗａｖｅｓｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｔｕｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，１９７５，２３（２）：１９２－２０５． ［３］　孙继平，魏占永．矿井巷道中电磁场能量的损耗 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ｔｕｒｂａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅ），２００６，３１（６）：８６７－８７２． ［１０］　徐宏武．煤层电性参数测试及其与煤岩特性关系的研究 ［Ｊ］．煤炭科学技术，２００５，３３（３）：４２－４６． ＸｕＨｏｎｇｗｕ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｅｓｔｏｆｓｅａｍｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｅａｍｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄ ｃｏａｌｐｅｔｒｏｌｏｇｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，３３（３）：４２－４６． ［１１］　中国科学院大气物理研究所微波遥感组．中国晴空和云雨大气的微波辐射和传播特性 ［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９８２：２３． ［１２］　王一平，肖景明．微波传播 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，１９８７：３１１－３１２． ７５５１