粉尘对UHF频段电磁波传播特性的影响
时间：2022-09-04 01:06:16
【前言】粉尘对UHF频段电磁波传播特性的影响由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 粉尘对电磁波传播的影响 1.1 电磁波发射频率 以圆形巷道为例，将悬浮的粉尘等效为小球体，假设这些尺寸大小相等的小球体均匀的分布在巷道内，图1所示为巷道截面示意图[1]。 由于粉尘的存在，当电磁波入射到粉尘颗粒上时，颗粒内部将感应出电偶极子，并按入射平面波...
摘 要：煤矿开采、隧道开凿等施工活动中的各个环节都会向井下空气中排放大量粉尘。这些粉尘漂浮在空气中，影响着巷道内电磁波的传播。文章从电磁波的发射频率、粉尘浓度、退极化现象以及雾滴的形成等几方面入手，结合相关文献中的公式，运用软件进行仿真，结果表明，电磁波的传输衰减随着频率的升高而增大；而粉尘浓度、雾滴含水量的增大使得电磁波的衰减增加。进而得出这些因素对电磁波的传播都将起到削弱作用的结论。
中图分类号：TN929.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-02
0 引 言
在工程领域，如煤矿、公路等面临着大量隧道的开凿。尤其是我国的煤炭开采，主要以井下为主，煤矿井下工作环境特殊，人员流动性大，设备复杂，因此，灵活可靠的井下移动通信是提高生产效率和确保矿工生命安全的重要措施之一。煤矿在生产、储存、运输以及巷道掘进等各个环节都会向井下空气中排放大量粉尘。尤其是风速较大的作业场所，粉尘排放量更大。当电磁波处于UHF频段时，其波长较小，一般小于矿井巷道、公路和铁路隧道的截面尺寸，因此井下移动通信选择特高频段。矿井巷道中复杂的环境必定对电磁波传播存在影响，粉尘是巷道中无处不在的微小颗粒，对电磁波的传播也存在着一定影响，本文通过软件进行仿真，从各方面印证粉尘对电磁波传播的影响。
1 粉尘对电磁波传播的影响
1.1 电磁波发射频率
以圆形巷道为例，将悬浮的粉尘等效为小球体，假设这些尺寸大小相等的小球体均匀的分布在巷道内，图1所示为巷道截面示意图[1]。
由于粉尘的存在，当电磁波入射到粉尘颗粒上时，颗粒内部将感应出电偶极子，并按入射平面波频率振荡，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[2]。根据瑞利散射近似公式，文献[3]中得出粉尘引起的总衰减率，见式（1）。
可见在相同的粉尘浓度下，不同电磁波发射频率造成的衰减不相同，随着发射频率的增加，电磁波的传播衰减增大。
1.2 粉尘浓度
在煤矿安全规程中规定，作业场所空气中的粉尘浓度[5]标准如表1所列。
现分别对粉尘浓度为0.5 mg/m3、2.0 mg/m3、3.5 mg/m3、10 mg/m3和1 000 mg/m3进行仿真，得到如图3所示的曲线。
井下粉尘分布不均匀，一般炮采工作面的粉尘浓度为300～600 mg/m3，机采工作面作业地点的粉尘浓度达1 000～3 000 mg/m3，而综采割煤时粉尘浓度则高达4000～8 000 mg/m3[6]，当粉尘浓度为8 000 mg/m3，电磁波频率为1 GHz时，衰减约为1 dB/km。
可见，在相同电磁波发射频率下，电磁波传输功率的衰减随着浓度的增加而增大，浓度越高，衰减越大。在允许浓度范围内，粉尘对电磁波的衰减很小，可以忽略不计。当发生爆炸时，粉尘浓度很高，电磁波衰减很大，可达到1 dB/km，此时粉尘的影响不容忽视。
1.3 粉尘吸收水分子
煤矿井下采煤工作面是连续产尘强度较大的工作场所，预湿煤体、湿式除尘是国内外煤矿广泛采用的积极有效的防尘措施。这样就增加了巷道中的湿度，相对湿度可达到95%，甚至是饱和湿度。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也会有雾滴形成。雾滴对电磁波同样会产生散射和吸收的影响。电磁波通过雾滴后其极化方向发生旋转，产生退极化（交叉极化） 和噪声，对电磁波起衰减作用。
由图中可以看出，在相同雾滴含水量的情况下，随着电磁波发射频率的增加，衰减也随之增大。同一频率下，雾滴的含水量越大，电磁波的衰减也越大。
1.4 温度
受深度开采产生的地温、高温地下水源、地面空气热交换以及电气设备散热等因素的影响，煤矿井下温度变化范围较大。其中，地温对井下空气的温度影响最大，在恒温带以下，随着深度的增加，地温逐渐升高，不同地点的地温梯度值不同，其平均值是3 ℃/100 m，有的煤矿井下温度甚至高达44 ℃[9]。在这种情况下，由公式（3）可以看出，温度对由雾滴造成的衰减也存在一定影响。事实上，不同温度下，雾滴对电磁波传播特性的影响如图5所示。
在相同发射频率和雾滴含水量下，观察在不同温度下雾滴对电磁波传播的影响。由此可见，随着井下温度的升高，雾滴对电磁波传播的衰减会稍微减小。
2 结 语
在煤矿开采、生产的过程中，由于巷道中存在大量的粉尘，粉尘从各方面影响着电磁波的传播，而电磁波的频率、粉尘的浓度、退极化现象以及雾滴的形成都是影响电磁波传播的因素，文中从这些方面入手，分别仿真出相应结果。总体来说，这些因素对电磁波的传播都起的是削弱作用。但是粉尘浓度、雾滴含水量对电磁波传播的影响相对较大，其中，雾滴的含水量每增加一个数量级，电磁波的衰减也同样增加一个数量级。文中的结论大都是假设巷道中的粉尘为均匀分布的小球体，实际上，巷道中的情况并非如此理想，如果能够建立非均匀模型，那么结论会更加明显。另外，巷道的尘源位置、风向、粉尘扩散情况以及电磁波传播方向等因素也应当考虑进去。
参考文献
[1]潘涛，李艳东.煤矿巷道中粉尘对电磁波传播特性的影响[J].煤炭科学技术，2007，35（7）：97-99.
[2]赵静.巷道中电磁波传播衰减影响因素研究[J].煤矿机电，2010（4）：22-24.
[3]张妍玮，张记龙.巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响[J].煤炭学报，2009，34（11）：1554-1557.
[4]孙继平，张长森.圆形隧道中电磁波的传输特性[J].电波科学学报，2003，18（4）：408-412.
[5]国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[S].北京：煤炭工业出版社，2009.
[6]金龙哲，李晋平，孙玉福.矿井粉尘防治理论[M].北京：科学出版社，2010.
[7]魏占永.隧道中水汽对电磁波传播特性的影响[J].煤炭科学技术，2003，31（2）：39-41.
[8]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.
[9]杨孟达.煤矿地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
