基于無線信道的井下大巷與斜巷信號傳輸比較

孫 超，李玉良，王蓓蓓，胡 浩

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221008)

0 引言

目前礦井機車監(jiān)控系統(tǒng)采用的是20世紀(jì)80年代原煤炭部為解決煤礦井下運輸問題而引入國鐵的信號、集中、閉塞控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)基本上都是采用傳感器來采集井下的信號，井下的工作環(huán)境比較惡劣，這就會導(dǎo)致傳感器經(jīng)常損壞，給修理人員增加許多不必要的工作負(fù)擔(dān)。由中國礦業(yè)大學(xué)和兗礦集團東灘煤礦共同開發(fā)的無線移動視頻監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)解決了這個問題。

當(dāng)今的視頻監(jiān)控基本上是點的監(jiān)控，即在礦井下安裝固定的攝像頭以達到監(jiān)控的目的。井下的環(huán)境很復(fù)雜，巷道的距離很遠(yuǎn)，攝像頭不能無止境的增加下去，所以就可以采用移動的無線像頭，對井下的環(huán)境進行監(jiān)測。采用無線攝像頭，這就不得不考慮到無線信號的傳輸問題，以及接收設(shè)備的安裝的位置問題。本文主要討論大巷與斜巷無線信號的傳輸。

1 煤礦井下信道的描述

在隧道內(nèi)空間波傳播方式是指自然傳播方式，通過天線輻射的無線電波在隧道空間的空氣介質(zhì)中進行傳輸［1］。目前以實驗為基礎(chǔ)已形成了兩種理論:

一種是把隧道壁等效為有損介質(zhì)的波導(dǎo)傳輸原理來分析。這種用波導(dǎo)理論來分析各種不同截面尺寸的隧道內(nèi)的電波傳播特性比較直觀、簡單。

隧道壁一般由混凝土構(gòu)成，其厚度是有限的，當(dāng)傳輸信號的頻率高于隧道的截止頻率時，則集膚深度小于壁厚，這時可把隧道壁厚視為無窮大，這樣就簡化了計算模型，即隧道可用截面積相等的圓柱波學(xué)近似，如圖1所示。設(shè)圓波導(dǎo)的等效半徑a=4.2M，隧道內(nèi)為自由空間，介電常數(shù)為ε0，外部為復(fù)介電常數(shù)為ε2的介質(zhì)鑲嵌。內(nèi)外部分的磁導(dǎo)率都等于自由空間的磁導(dǎo)率μ0，隧道壁的電導(dǎo)率為 δ2=3 ×10－2S/m。

根據(jù)波導(dǎo)理論，對于圓柱波導(dǎo)，其衰減常數(shù)anm可由它的特征方程的根求出:

公式依次用于TEom、TMom以及EHnm的情況。式中μnm，n階貝塞爾函數(shù)的第m個根;λ:波長;a:圓柱波導(dǎo)半徑;v:外部介質(zhì)的復(fù)折射系數(shù)。

另一種是將隧道內(nèi)電磁波的傳播看成是隧道壁產(chǎn)生反射波疊加的幾何光學(xué)理論。把隧道壁的反射作用等效為鏡像源，利用直射波與反射波的迭加，求出隧道中任一點的場強。假設(shè)到達某點的電波在此之前，在左右兩壁上反射了m次，上下兩壁上反射了n次，則它的場強為:

其中Em，n是點的場強。實際上各種隧道、礦井的截面尺寸和形狀各不相同，材料的電參數(shù)特性δ、μ、ε也差別很大。因此用上述方法分析隧道傳播特性與實測結(jié)果有一定差別。有待于進一步研究各種實用的計算方法，其基礎(chǔ)工作是需要大量進行各種不同隧道、不同頻段的傳播實驗［6］。

2 無線發(fā)射器與接收器的安裝

關(guān)于無線發(fā)射器和接收器的安裝，無線發(fā)射器安裝在機車或者人車上，而接收器是安裝在井下隧道的墻壁上，并將其固定，在接收器收到信號后，經(jīng)過光纜傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室。接收器與發(fā)射器的現(xiàn)場安裝如圖2所示:

發(fā)射器安裝在機車或者人車的頂部，對于接收器的安裝必須保證能很好地接收無線信號，最好的安裝方式就是把接收器安裝在隧道的正中間的頂部，把接收器懸掛并且固定，因為巷道中有很大風(fēng)力，會使接收器來回?fù)u擺，不利于信號的接收。

3 大巷的無線信號的傳輸

無線視頻發(fā)射器采用2.4GHz的頻率，信號經(jīng)過無線發(fā)射器進行無線傳輸，接收器接到信號后，經(jīng)過光纜把信號傳輸。在空曠的情況下，信號傳輸距離不大于500M。

我們可以把大巷看作一個長方體，圖3是大巷的平面圖，其中S是信源，D是接受裝置，a、b、c是信號的傳輸方式(其中a經(jīng)過兩次反射到達D，b經(jīng)過一次反射到達D，c直接傳輸?shù)紻點)。在現(xiàn)實的環(huán)境中信號的傳輸更為復(fù)雜。

在煤礦隧道限定空間無線信號的傳輸有兩大定律:一是帳篷第一定律;二是帳篷第二定律。這兩大定律主要說明的是信號的面?zhèn)鬏敽途€傳輸。

信號在大巷中傳輸根據(jù)現(xiàn)場的情況是:有時會出現(xiàn)信號中斷的情況，偶爾間斷性的信號丟失，可能信號在大巷的傳輸過程中會有盲區(qū);有時在信號的傳輸?shù)倪^程中，機車在有接受器的大巷中運行，轉(zhuǎn)向側(cè)巷的后，視頻畫面上會出現(xiàn)有一段一段的視頻信號，即一段有信號，一段信號丟失。

4 斜巷的無線信號的傳輸

圖4是根據(jù)在平頂山一礦下斜井的部分示意圖，斜巷中有拐點，不是理想的直的斜巷。中間有很多拐點，幅度不是很大。信號在此斜巷中傳輸更為復(fù)雜，對接收機的安裝提出更高的要求。如圖4所示，在斜巷中信號的多徑效應(yīng)更為的明顯，能直接到達而不經(jīng)過反射到接收機的很少。

斜巷的全長1200M，中間有若干變坡點，接收機安裝在距車房400M處。發(fā)射器安裝在人車上，在斜巷中運動。人車在斜巷的底部和頂部都可以接收到信號，把視頻接收上來。接收機在空曠的場地中傳輸?shù)木嚯x小于等于500M，在此斜巷中的變坡點比較多，這些變坡點將很大程度上的影響信號的直線傳播，而在斜巷中傳輸?shù)木嚯x卻超過500M。多徑效應(yīng)會影響信號的接收，會對信號產(chǎn)生很大的影響，信號的延時、信號的衰減等等。然而在對現(xiàn)場的測試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，信號在很遠(yuǎn)的地方也能接收到，視頻信號也可以傳輸上來。

5 大巷與斜巷的比較

現(xiàn)在我們對大巷與斜巷的信號傳輸?shù)木唧w情況進行分析。在大巷中信號的傳輸將有一部分的信號是可以直線到達接收器的，大巷在進行挖掘時，基本上是線性的，也有部分的大巷有很小的幅度，但是這種幅度基本上不會影響人們的直線視覺。大巷是機車的主要行駛的范圍，如果大巷中有很大的幅度，這就將給機車的司機視角有很大的限制，這樣就很容易發(fā)生事故。所以大巷的信號傳輸是有部分信號是可以直線到達的。而在斜巷中就有所不同，斜巷中的機車行駛都是靠纜繩牽引的，而且是單行道的，所以對整個斜巷的直視距離就沒特別的要求。在斜巷中信號的傳輸，接收機接收到的信號只有一少部分是直線到達的，甚至沒有，大多數(shù)的信號是經(jīng)過反射得到的。在平頂山礦上接收機的安裝點，往上有50M距離的地方有一個比較明顯的變坡點，在接收機的位置往上看，見不到機車，信號在斜巷的傳輸，要比大巷中傳輸?shù)沫h(huán)境更復(fù)雜。

下圖圖5(a)、圖5(b)是在斜巷中視頻錄像的畫面，圖像中有些許雪花，主要原因是因為斜巷的照明條件不如大巷好。

圖5 斜巷

下圖圖6(a)、圖6(b)是在大巷中的視頻信號的一些錄像圖片，和斜巷的圖片相比要清晰很多，對周圍環(huán)境的成像更為清楚，更有利于監(jiān)控。

圖6 大巷

由上面的實際的圖像可以看出，影響畫面的僅僅是燈光條件的不同，也就是說信號在大巷和斜巷的傳輸距離比預(yù)測的要遠(yuǎn)。尤其在斜巷中，中間存在幾個變坡點，但是對信號的傳輸距離影響并不是很大，在斜巷中變坡點是可以用肉眼看出來的。

6 結(jié)語

在傳統(tǒng)意義上，由于多徑效應(yīng)的存在，信號強度應(yīng)該使衰變很快，但是在現(xiàn)場的測試中，以及設(shè)備安裝和調(diào)試的過程中，我們不難發(fā)現(xiàn)，信號比在空曠的空間中傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，所以可以得出一個結(jié)論:傳統(tǒng)意義的多徑效應(yīng)在煤礦隧道對信號的傳輸起到加強信號的作用，這為無線視頻在井下的應(yīng)用提供了一個更好的途徑。

［1］李玉良.礦井機車監(jiān)控［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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