震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)傳輸模型研究1

何志學(xué) 鐘曉玲 宋慶艷 陳會(huì)麗 李 龍

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震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)傳輸模型研究1

何志學(xué) 鐘曉玲 宋慶艷 陳會(huì)麗 李 龍

（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059）

針對(duì)震后廢墟中無(wú)法精確檢測(cè)出電磁波的傳輸特性問題，本文提出了一種在震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的檢測(cè)方法。首先是對(duì)Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在組成震后廢墟主要介質(zhì)中的傳輸特性進(jìn)行檢測(cè)推導(dǎo)。然后通過測(cè)量在廢墟不同距離下場(chǎng)強(qiáng)的大小，即可推導(dǎo)出廢墟下電磁波的場(chǎng)強(qiáng)與傳輸距離的關(guān)系，最后得出場(chǎng)強(qiáng)在震后廢墟中的傳輸模型。實(shí)驗(yàn)表明，該傳輸模型的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高，對(duì)震后廢墟中電磁波傳輸特性的檢測(cè)具有重要意義。

傳輸特性 場(chǎng)強(qiáng) 地震救援 非均勻介質(zhì) Wi-Fi

引言

中國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，資料表明，地震造成的人員傷亡絕大部分都是由于各類建筑物的破壞和倒塌所致（張風(fēng)華等，2004；郭小東等，2005）。在搜救過程中，若知道震后廢墟中電磁波的傳輸特性，對(duì)獲取被困人員的位置信息很有幫助。但震后廢墟中很難精確檢測(cè)出電磁波的傳輸特性，因此，如何在非均勻介質(zhì)（震后廢墟）中精確檢測(cè)電磁波的傳輸距離這一問題值得研究。

一般用電波損耗與傳播路徑的數(shù)學(xué)模型對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。以往的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)大多都是采用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用電平表與接收天線實(shí)現(xiàn)測(cè)量（梁玉軍等，2008；楊文麗等，2013）。但這種測(cè)試方式所特有的數(shù)據(jù)傳輸過程使得它的防干擾性很差，特別是易受來(lái)自電磁的影響。它還可能導(dǎo)致誤碼與丟包以及阻抗匹配的情況發(fā)生。并且，如果采用這種電纜傳輸?shù)姆绞皆谶h(yuǎn)距離大范圍的情況下測(cè)量時(shí)，會(huì)因?yàn)殡娎|線過長(zhǎng)而導(dǎo)致結(jié)果誤差更大。目前，各相關(guān)研究所給定的都是在自由空間和在均勻媒質(zhì)中的電磁波傳輸特性（Pozar，2005；周希朗，2010）。但實(shí)際計(jì)算場(chǎng)合卻大多是在非均勻介質(zhì)中。在文獻(xiàn)（聶在平，1995；馬金，2013）中，也提到了在非均勻介質(zhì)中場(chǎng)與波的問題，但都未給出在非均勻介質(zhì)中如何計(jì)算電磁波的傳輸特性方法。

隨著光纖技術(shù)發(fā)展成熟，加之光纖傳輸?shù)目垢蓴_性，特別是抗電磁干擾性很強(qiáng)，且具有支持遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)（楊祥林等，1991；李冬梅等，1999；Pustelny等，2001），因此利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法迅速得到推廣。本文所選用的測(cè)量?jī)x器就是利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕诠怆娹D(zhuǎn)換技術(shù)的微機(jī)化（有指針顯示與數(shù)字顯示）場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量?jī)x。但只靠?jī)x器測(cè)量無(wú)法在震后廢墟中準(zhǔn)確地測(cè)出信號(hào)源的真實(shí)場(chǎng)強(qiáng)，因?yàn)樵诘顾慕ㄖ袀鞑サ碾姶挪▽⑹艿交炷恋葘?duì)其吸收與反射等影響，最后得出的場(chǎng)強(qiáng)值并不準(zhǔn)確。考慮到現(xiàn)在Wi-Fi使用的普遍性，可以通過追蹤Wi-Fi信號(hào)來(lái)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，在震后環(huán)境里可以通過Wi-Fi中繼器發(fā)出信號(hào)。本文就是討論在震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的檢測(cè)方法。

1 測(cè)量原理及波在均勻介質(zhì)中的傳播

此場(chǎng)強(qiáng)儀主要由調(diào)頻接收、信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收4個(gè)部分組成（崔建華等，2005）。系統(tǒng)操作的整體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)操作流程圖

主要的流程是首先通過一個(gè)高頻頭對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻段選擇；然后將接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波后傳輸?shù)綑z測(cè)電路，由檢波實(shí)現(xiàn)將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的直流電平；再利用光纖傳輸數(shù)據(jù)（此時(shí)還是光波），將傳輸?shù)墓獠ń?jīng)過光/電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；最后再將電信號(hào)送入單片機(jī)中，通過單片機(jī)將此電信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)中，并在顯示屏中顯示出來(lái)。顯示結(jié)果以的'形式顯示，單位是dBm。則結(jié)合坡印廷定理（蘇東林等，2009）可知有：

'＝30＋10lg（1）

()2＝×負(fù)載阻抗（2）

式中為功率，單位為W，為電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/m，為儀器與待測(cè)手機(jī)的距離，負(fù)載阻抗為晴朗的大氣中的負(fù)載阻抗，本文取為50Ω。

根據(jù)平面波在無(wú)耗媒質(zhì)與有耗媒質(zhì)中傳播的相關(guān)知識(shí)（蘇東林等，2009；瑪奇德，1982），此處都只考慮波向+z方向傳播，則平面波在無(wú)耗媒質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)傳輸模型為：

無(wú)耗＝Ee－jz（3）

式中E為任意復(fù)常數(shù)，為定頻波在媒質(zhì)中的波數(shù)或相位常數(shù)，為波的傳播距離，為介電常數(shù)，為磁導(dǎo)率，為角頻率。

而平面波在有耗媒質(zhì)中的傳播時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)傳輸模型為：

有耗＝Ee－ze－jz（5）

式中為衰減常數(shù)，決定波的衰減特性。

所以可以將在非均勻介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果公式模擬為如下公式

有耗＝無(wú)耗（6）

式中有耗為儀器在有耗媒質(zhì)下的測(cè)量結(jié)果，無(wú)耗為儀器在無(wú)耗媒質(zhì)下的測(cè)量的結(jié)果，本文將在晴朗大氣中的測(cè)量結(jié)果視為無(wú)耗媒質(zhì)下的測(cè)量結(jié)果。為有耗媒質(zhì)的影響值。

結(jié)合上面的理論，通過模擬實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)后就可推出在非均勻介質(zhì)中的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。

2 模擬實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)傳輸模型

普通混凝土的成分是水泥、沙、土還有其他的一些物質(zhì)，通過模擬實(shí)驗(yàn)就可分別測(cè)出單一典型的介質(zhì)，如水泥、沙和土對(duì)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的影響值。

一共開展了3組實(shí)驗(yàn)。第一組是將手機(jī)置于自由空間中，將Wi-Fi中繼器打開，與測(cè)量?jī)x器放置在一起，讓手機(jī)連上設(shè)定的Wi-Fi，將測(cè)試儀器分別置于距離手機(jī)端3cm和10cm處，測(cè)量在這兩種距離下的信號(hào)強(qiáng)度值。測(cè)得數(shù)據(jù)如圖2與圖3所示。

圖2 測(cè)量?jī)x器離手機(jī)3cm

圖3 測(cè)量?jī)x器離手機(jī)10cm

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可明顯看到在這兩種距離下的測(cè)試結(jié)果分別為－13dBm和－16dBm。

第二組實(shí)驗(yàn)是接著第一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，將手機(jī)置于一個(gè)規(guī)格為16×16×8cm的較小的紙箱子內(nèi)，在箱子內(nèi)分別填滿水泥、沙和土。手機(jī)置于箱內(nèi)中部，此時(shí)手機(jī)離箱子某一面的邊緣為3cm，然后將測(cè)量?jī)x器貼近小箱子的這一面，通過測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如圖4、5、6所示。

圖4 箱子中裝滿水泥時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖5 箱子中裝滿沙時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖6 箱子中裝滿土?xí)r的測(cè)量結(jié)果

可讀取到在此3種不同介質(zhì)下的測(cè)試結(jié)果：在水泥中為－22dBm，在沙中為－26dBm，在土中為－20dBm。

第三組實(shí)驗(yàn)是將手機(jī)置于一個(gè)規(guī)格為40×28×28cm的箱子內(nèi)，在箱子內(nèi)分別填滿水泥、沙和土。手機(jī)置于箱內(nèi)中部，此時(shí)手機(jī)離箱子某一面的邊緣為10cm，然后將測(cè)量?jī)x器貼近箱子的這一面，通過測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如圖7、8、9所示。

圖7 箱子中裝滿水泥時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖8 箱子中裝滿沙時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖9 箱子中裝滿土?xí)r的測(cè)量結(jié)果

這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可讀取到測(cè)試結(jié)果：在水泥中為－26dBm，在沙中為－30dBm，在土中為－23dBm。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)合公式（1）、（2）、（3）和（5）可以計(jì)算出在水泥中對(duì)測(cè)量的干擾因子：

1＝1e－z＝2.67e1.68z

在沙中對(duì)測(cè)量的干擾因子：

2＝2e－z＝4.26e1.58z

在土中對(duì)測(cè)量的干擾因子：

3＝3e－z＝2.23e0.06z

結(jié)合公式（6），考慮到水泥、沙和土影響的權(quán)重，推導(dǎo)出混凝土中信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量公式為：

有耗＝無(wú)耗(2.67e1.68z1＋4.26e1.58z2＋2.23e0.06z3) （7）

式中1、2和k對(duì)應(yīng)的分別是水泥、沙和土的權(quán)重系數(shù)。

接著選取了三面厚度分別為10cm、14cm和18cm的混凝土墻。在自由空間中對(duì)這些距離下測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度分別為－16dBm、－17dBm和－18dBm，而在隔著這些厚度的混凝土墻體時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與示意圖如圖10至13所示。

圖10 測(cè)量示意圖

圖11 混凝土墻厚為10cm時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖12 混凝土墻厚為14cm時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖13 混凝土墻厚為10cm時(shí)的測(cè)量結(jié)果

通過結(jié)果可知在10cm厚的墻處的信號(hào)強(qiáng)度為－56dBm，在14cm厚的墻處為－61dBm，在18cm厚的墻處為－66dBm。結(jié)合（7）式解方程組有：

所以有：

有耗＝無(wú)耗(－0.294e1.68z＋0.285e1.58z＋0.022e0.06z)

＝Ee－jz(－0.294e1.68z＋0.285e1.58z＋0.022e0.06z)(≠0)

由此得出了Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在混凝土中的傳輸模型。

將該傳輸模型運(yùn)用到震后救援中，可參照?qǐng)D14。

圖14 測(cè)量模擬圖

可按圖14測(cè)量出人體相對(duì)設(shè)備距離下的場(chǎng)強(qiáng)值。d在現(xiàn)場(chǎng)很易量出，再通過場(chǎng)強(qiáng)在大氣中的傳輸特性可計(jì)算出在1路徑中的場(chǎng)強(qiáng)損耗值，就可得到廢墟內(nèi)外側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值，運(yùn)用本文得出的Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在混凝土中的傳輸模型就可計(jì)算出廢墟的厚度2。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)有耗媒質(zhì)和在晴朗大氣下場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量與計(jì)算，結(jié)合波在這些介質(zhì)中的傳輸特性以及坡印廷定理，可以推出電磁波場(chǎng)強(qiáng)的傳輸在有耗媒質(zhì)下較晴朗天氣下的干擾因子。再通過對(duì)受混凝土墻干擾下的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，最終就可推導(dǎo)出Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在混凝土中的傳輸模型。在震后倒塌的建筑中所存在的非均勻介質(zhì)絕大部分就是混凝土，所以此傳輸模型也就可以視為震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的傳輸模型，這有助于提升震后救援的技術(shù)水平。利用本文的方法還可以對(duì)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在其它非均勻介質(zhì)下的傳輸模型進(jìn)行研究推導(dǎo)。

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Research on Wi-Fi Signal Field Strength Transmission Model in Post-earthquake

He Zhixue, Zhong Xiaoling, Song Qingyan, Chen Huili and Li Long

(College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Aiming at the problem that the electromagnetic wave transmission characteristics can not be detected accurately in the ruins of the earthquake, this paper presents a method to detect the field strength of the Wi-Fi signal in the ruins after earthquake. Firstly, the transmission characteristics of the Wi-Fi signal field strength of the main components of the inhomogeneous medium is obtained. Then, by measuring the magnitude of the field strength at different distances in the inhomogeneous medium, the relationship between the transmission distance and the electromagnetic wave in the inhomogeneous medium can be deduced. Finally, we can develop the transmission model of the field strength in the inhomogeneous medium. The experiments show that the calculated results of the transmission model are of high accuracy. It is greatly significant for the detection of electromagnetic wave transmission characteristics in the ruins of the earthquake.

Transmission characteristics; Field strength; Earthquake rescue; Inhomogeneous medium; Wi-Fi

10.11899/zzfy20170427

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“城鎮(zhèn)地震災(zāi)害應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究”（2015BAK18B03）；成都理工大學(xué)2016中央財(cái)政支持地方發(fā)展專項(xiàng)“現(xiàn)代信息檢測(cè)及智能處理技術(shù)學(xué)科建設(shè)”；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“分布式超寬帶雷達(dá)地震被困人員協(xié)同探測(cè)技術(shù)研究”（41574136）

2017-04-12

何志學(xué)，男，生于1993年。碩士研究生。主要從事地震災(zāi)害搜救探測(cè)信號(hào)處理算法研究。E-mail：347376849@qq.com

何志學(xué)，鐘曉玲，宋慶艷，陳會(huì)麗，李龍，2017．震后廢墟中Wi-Fi信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)傳輸模型研究．震災(zāi)防御技術(shù)，12（4）：997—1004．