地面无线电波传播特征实验_论文

本科毕业论文

地面无线电波传播特征实验

THE GROUND RADIO WA VES PROPAGATION CHARACTERISTICS EXPERIMENT

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地面无线电波传播特征实验

摘要

无线电波发展十分迅速，而且应用在生产实践中非常广泛，掌握好无线电波传播特征以及研究更好的无线电波发展方法是非常重要的。

本文主要研究地面无线电波的传播特征实验。本文通过对井下无线电波透视技术在井上进行模拟试验，通过对不同频率在不同情况下的接收强度得到的数据，进行分析成图，得出结论。频率越高衰减速度越快，直至相同。频率越高衰减越稳定,，接收天线离发射天线距离越远，衰减速度减慢直至几乎不变。符合指数公式。另外，垂直与平行方向两个方向获得的场强哪个更稳定更有规律性的问题。

关键词：无线电波，无线电波透视技术，传播特征规律

THE GROUND RADIO WA VES PROPAGATION

CHARACTERISTICS EXPERIMENT

ABSTRACT

In the rapidly growing radio waves is very extensive and applied in production practice, mastering the radio waves propagation characteristic and the development of radio waves research better method is very important.

This paper mainly studies the ground radio waves propagation characteristics of the experiment. This article through to the underground radio wave perspective technique to inoue simulation experiment was carried out, based on the received strength of different frequencies in different cases is data, analysis of maps, draw the conclusion. The higher the frequency the faster the attenuation, until the same. The more stable, the higher the frequency attenuation, the further away from the transmitting antenna distance receiving antenna, attenuation slowed until almost the same. In line with the index formula. In addition, the vertical and parallel to the direction of two direction which is more stable field strength from a regular problem.

KEYWORDS：radio waves, radio waves, the technical perspective, propagation characteristics of law

目录

摘要............................................................................................................................................ I I ABSTRACT ............................................................................................................................... I I 1绪论.. (2)

1.1研究背景及意义 (2)

1.2研究现状 (3)

1.3研究内容 (3)

2无线电波理论部分 (4)

2.1基本原理 (4)

2.2电波的传播方式 (4)

2.3无线电波传输媒质对传播的影响 (5)

(1).传输损耗 (6)

(2).衰落现象 (6)

(3).干扰和噪声影响 (6)

3矿井无线电波透视技术 (7)

3.1无线电波透视法基本原理及特点 (7)

3.1.1基本原理 (7)

3.1.2无线电波透视仪的基本特点 (8)

3．2观测方法 (8)

3．2.1同步法 (8)

3．2.2定点法 (8)

4地面无线电波透视实验 (9)

4.1设备 (9)

4.1．1接收机YCT-88仪器技术指标 (9)

4.1.2发射机YCT-88S仪器技术指标 (9)

4.2场地 (9)

4.3观测系统 (9)

4.4实验数据、分析、成图、结论 (10)

5总结 (33)

参考文献 (3)

谢辞 (4)

1绪论

1.1研究背景及意义

在煤炭地下开采过程中，要做到科学、安全、经济地开采，就必须全面掌握区域地质构造情况，以便有针对性．地采取有效技术措施。给矿井塞金生产造成极大危害，同时，严重影响煤质、产量、工效、材料消耗等经济技术指标，也增加了生产成本。使用钻探和巷探的方法，当前，在矿井生产中经常受勘探手段的制约，无法准确地预测井下工作葡的地质构造变化、小煤窑破坏区等因素，其施工进度、勘探程度、范围、成本费用等方面，很难满足高产高效矿井技术要求。为了提高探测地质变化的视域和深度，寻找一种简单、易行、效果可靠、经济合理的探测手段是非常必要的。靖煤公司先后在红会一矿、大水头矿、魏家地矿、红会四矿等矿井采用无线电波坑道透视技术，实际应用效果也显示了这一新技术在当前地质保障总体技术条件下的先进性和实用性，对综放工作面进行采前探测，为探测工作面内地质构造及小煤窑破坏区，发挥了重要作用，为区域地质探。为了提高坑透技术预测异常区的准确性，并在实际回采中不断收集新的信息，同时结合已做坑透的相邻工作面的验证情况，我们要充分考虑到引起异常的各种因素，不断加以修正补充。

本文主要研究地面无线电波：地面上主要受地面电磁特性和地形影响的无线电波的传播。只有当接收点和发射点都在地面上，且天线高度比工作波长短得多时，无线电波在这两点间存在一种沿着地面传播的模式。由于使用仪器是矿井无线电波探测，有必要说明关于井下无线电波透视技术的情况，随着现代化采煤技术的不断推广应用，在当前高产高效和安全生产的前提下，利用有效地探测手段查明工作面隐伏地质构造是有利安排采掘、缓解生产接续矛盾的必由之路。工作面回采对地质工作要求愈来愈高，要求更为精确地查明工作面处的隐伏地质构造，诸如查明工作面内宽度大于3m。控制落差多于采高l/2的断裂构造，厚度达到煤层1/2的冲刷带、底凸和变薄区、火成岩以及陷落柱等。因此，而无线电波透视法因其地质构造探查效果显著、透视距大，已成为综采工作面地质构造的主要物探方法。无线电波透视方法应用于煤矿生产已将近40 年时间，从1976年煤炭科学研究总院重庆煤科院成功研制第一台无线电波坑道透视仪起。无线电波透视方法能够探测工作面内的构造如断层、煤层厚度变化及陷落柱、破碎带等，而且属于无损检测，施工效率高，因此无线电波透视方法得到了煤矿的青睐。我矿地质构造条件较复杂，现有的地质资料很难准确判断工作面内部小型构造及煤层变薄带等地质现象，而正确运用无线电波坑透资料对回采工作面正常安全生产提供了较为可靠的地质保障。对已回采工作面的坑透工作实践证明，是一种行之有效的物探手段，无线电波透视技术探测工作面中地质构造的准确性较高。矿方可根据异常的大小及影响程度，决定是否调整计划避开或提前采取得力有效措施顺利通过，由于预先查明了回采工作面的地质构造，

为确保综采工作面的接替发挥积极作用，最大限度地减少搬家及停采而造成的损失。

1.2研究现状

目前无线电波透视仪器采集的数据都是电磁波的场强。由于岩层电性(介电常数，电阻率)的不同，对电磁波能量的吸收是有一定的不同。其实，在电阻率低的岩、矿石中无线电波被吸收要相对多一些，对于特殊地质环境例如伴随出现的断裂地质构造界面对电磁波则会产生反射、折射等作用，这种作用的直接结果是会使电磁波能量产生衰减和损耗。因此可以断定，如果在电磁波穿过煤层等介质中，必然存在与煤层电性不同的地质体，可能是下列如断层、陷落柱断层或其它地质构造，这时表现为信号显著减弱，由于电磁波能量被其大部分吸收或完全屏蔽，甚至完全接收不到，形成透视异常现象，现行的处理技术，例如综合曲线法和衰减系数层析成像法，都是通过这一原理对仪器接收到的电磁场强度进行反演成像解释的。在煤矿开采生产中，无线电波透视法已经被广泛应用于煤矿井下工作的对不明地质构造位置的探测，层析成像技术近几年来已经发展成熟，逐渐被运用到深部隐伏矿床勘探、煤矿开采等各项领域中。而且资料解释方法也从单一的手工方式向地球物理层析成像技术方向发展．

20世纪70年代国外在对电磁波在地下吸收介质和煤层中的传播进行了大规模理论研究，进一步地，地下电波法资料处理解释都运用的是层析成像技术；80年代还对间断煤层中的无线电波传播理论展开了进一步研究。

国内也进行了地下电波层析成像方法的研究，其算法主要是基于直射线的mating，SIRT等算法，并提出了抗干扰的相对层析成像技术同时，采前探测对胡挖乱采人为破坏造成的含水区域以及生产造成影响的地质构造，已成为一项列行的技术及安全保障措施。由煤炭科学总院重庆分院研制的WKT—E型无线电波坑道透视仪，被全国许多高产高效矿井作为一项重要的必备技术装备靖煤公司引进此设备，通过推广应用，其使用效果显著，也祢补了公司地质物探新技术的空缺。得到大部分科技人员的认可，也使相当多的工程技术人员对此技术提出更高的要求，共同探索和解决这些问题，有助于无线电波坑道透视仪在煤矿地质保障和安全生产中更好地发挥作用。

1.3研究内容

矿井无线电波技术是一项复杂的工程系统，包括理论研究，设备系统，数据采集观测系统，数据成像以及分析，得出结论。主要研究内容有以下几个方面：

(1)采集数据：设备连接，实测，记录数据

(2)分析数据：对数据进行分析处理

(3)得出结论：从分析数据中得到无线电波传播规律，以及可能受到的影响。

2无线电波理论部分

2.1基本原理

无线电波在各种空间和介质中传播时，具有一些特性，例如折射、反射、散射、绕射以及吸收等。因为这些特性的原因，在传播过程中随着距离的加大信号表现为逐渐衰减的形式，当无线电波传播的越远，或者说是越大的空间，例如宇宙中，电波能量就表现为越来越分散，这种情况我们把它叫做会造成扩散衰减现象：另外，电波能量在介质中传播时，则会造成折射衰减和吸收衰减等，因为它的能量是能够被传输介质吸收的。

沿地面传播的无线电波叫地波。当天线架设很低或者比较低，它的最大辐射方向沿着地面的时候，这就是地波传播。地波传播它的特点是简而言之就是信号比较稳定，而且基本上不会受天气的影响，但是只要电波频率提高了，传输中的损耗也会越多。因此，这种方式对于长波的低频传输更加适合。

地波传输的情况主要取决于地面条件。地面条件主要有两个方面：地质情况和地面的不平坦性。由于地面的不平坦性无线电波波长不同而接收信号也会发生变化，而地质情况主要是土壤的电气性质不同来影响无线电波传输的。电气性质包括几个方面的参数电导率σ、磁导率μ还有就是介电系数ε。

首先一个要论述的损耗是大尺度路径损耗，这种损耗在当用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落的时候一般为大尺度平均路径损耗，也就是平均接收功率和有效发射功率之间的差值。

还有一个就是路径损耗，路径损耗无线电波信号能量在接收器和发射器之间由传播环境的影响引入的损耗的量。一定频率的无线电波可以被空气过滤或被完全地屏蔽。无线电波传输过程中功率损耗在空气中传输时发生，也就是说，只要它在空气中传播，就会被损耗。原因就是由于空气会对信号进行过滤作用引起的。

2.2电波的传播方式

传输无线电信号的媒质分为3个部分其中有电离层、地表面和对流层，不论是哪一种无线电波信号传输系统均由3部分组成传输媒质和收信部分、发信部分。由于不同媒质的电特性不同，不同波段的无线电波的传播过程也会不同，煤质就对无线电波传输产生重要影响。那么，根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的影响，将无线电波传播方式分为下面几种：

(1)天波传播是经过电离层反射后到达接收点。大气层中的大气分子受太阳辐射的x 射线和紫外线照射后，一部分大气分子被分离，形成负、正离子和电子，这一空间层被称为电离层。电离层在距离地表三万米到上空几万米高度的空间范围，在在这样一个范围里存在几层电离层，这几层电离层一起形成了一个天然的反射界面，对于电离层来说，这个空间具有特殊性，因为电波发射到电离层会被反射回来，这部分电波就称为天波或反射波。电离层有几个层度。白天的话会存在有三到四层，按高度分为D、E、F层也可以分为D、E、F1、F2层，在晚上，F1、D层会消失不见，E、F2层继续存在。

(2)沿地表面传播的是地波传播。无线电波沿着地球表面以绕射方式到达很远的地方，成为地面波传播，随着当电波频率愈高，地面波随距离的增加能量衰减越快，其特点是信号相对稳定。这种传播方式主要适用于中波段(中频)和长波段(低频)广播，在较小范围内(半径约几十至几百公里)可以形成一个相对稳定的服务区。中波适于本地区的广播。由于不同的地表面土壤结构，如海洋、陆地、干土、湿地等，土壤的电气特性在一个覆盖范围内也是不同的，还有因为不规则的各种地物、植被和地势的存在，地波在各方向上的传播距离及速度都不相同。

(3)视距传播，目前广泛使用的卫星通信和超短波通信的电波传播均属这种传播方式，是指在收、发天线离地面的高度比较大而波长相对这个高度要小得多的情况下，电波会直接从发射天线传到接收天线天线。这种传播方式很有局限性，范围较小，只能在视线距离范围以内。

(4)散射传播是在电离层中介质的不均匀性的情况下或对流层或流星通过大气层时

在遇有空气急流时就会产生的一种散射现象，这种散射传播使视距以外包括数百公里的地区区域接收到的场强比绕射波高。上面所说的超视距传播主要被用于微波和超短波远距离通信。

(5)超短波的传播特征与以上几种相比具有一定特殊性，它既不能被电离层反射，也不能绕射，而只能以直线传播，这种以直线传播的波叫做直接波或空间波。。超短波传播与发射天线的高度有关，发射天线架得越高，空间波就会传得越远。所以电视接收天线和电视发射天线都是应该尽量架得高一些。由于直接波不会拐弯，因此它的传播距离就非常有限虽然如上所说，由于地球圆形表明的原因无线电波传播距离也不会太远。超短波是不能够被电离层反射的，但是超短波却能够穿透电离层，因此在地球的上空传播就毫无障碍可言，所以可以通过利用空间波和宇宙中遥远的太空中的人造卫星、宇宙飞船等联系。另外，卫星电视转播、卫星中继站等也是主要利用的天波传播途径原理。

2.3无线电波传输媒质对传播的影响

无线电波在传输过程中发生能量损耗，这种损耗是由煤质不同引起，主要原因是在

地下深度的影响地质条件差异水文条件围岩的不同，使得煤质有差异，不同的煤质条件对电磁波的吸收不同，电磁波经过时会发生折射反射等。

(1)传输损耗

无线电波在煤质传输过程中能量损失，导致接收的能量弱与发射无线电波能量。从而发生传输损耗。煤质的不同，介质电性差异，导致对电磁波的吸收不同，加上地下煤层内部的不均一性，接收到的信号具有随机性，从而无线电波接收到的信号会比发射点的信号能量要低。

(2)衰落现象

这种衰落现象一般是指无线电波信号随时间变化而变得起伏不定。它一般分为两种类型：干涉型衰落和吸收型衰落。干涉型衰落是由很多种单一干涉情况现象引起的。吸收型衰落是指由于传输煤质中的电性差异的变化，使得无线电波能量也会媒质中发生衰减而相应的变化一般为减小而引起的(如雨雪、水汽等都对无线电波的信号能量具有吸收作用)。由于天气情况具有随机性，因此吸收的强弱也必然有起伏，从而导致信号的衰落。而在某些传播方式中，发、收两点之问信号有成百上千条传播途径，由于传播媒质的随机性，使得到达接收点的每一个途径的都有随机性变化，这样，合成信号的相位和幅度都在发生随机起伏。无线电波的衰落现象严重地影响通信系统的可靠性和电波传播的稳定性。

(3)干扰和噪声影响

当载有信息信号的的无线电波在传播途径中传播时，由于传播途径内存在着许多电磁波源，它辐射的具有很宽的频带电磁波并以很多不同的方式在空间传播。干扰大致分为各种电气设备干扰、通信电子干扰、大气、天气干扰。任何一个接收系统的最小可用信号频率是由系统的噪声频率决定的。尤其发射功率不能很好的调节的情况下，噪声对无线电信号接收影响就会比较大，而且，无线电波传输损耗较大，信号很微弱。总之，无线电波在这种通讯系统中会造成干扰。

当波传播介质的单位体积内阻挡体的个数非常巨大或者波穿行的介质中存在小于波长的物体时，便发生散射。散射波产生于小物体、粗糙表面或其他不规则物体。绕射由次级波进入阴影区的传播而形成。在实际的通信系统中，路灯、树木、和街道标志等都会引起绕射。阴影区绕射波场强为障碍物周围所有次级波的矢量和。当接收信号和发射信号之间的无线传播路径中会发生绕射一般是遇到尖利的物体阻挡时。由尖锐物体障碍物表面产生的二次波分布于空间，甚至存在于障碍物的背面。绕射是无线电波传输过程非常重要的一个传播方式。他是一种能让无线信号绕地球表面曲线传播，绕射情况一般可由哈根原理解释，它可以用波前上的所有点都是可作为产生次级波或者二次波的点源的这种理论方法来解释，这些次级波组合起来并且在传播方向上会形成新的合成波。当发射机和接收机之间没有视距传播路径时，在高频波段，绕射与反射一样，在障

碍物周围的波也会产生弯曲。包括绕射点入射波的极化情况、相位和振幅，物体的物理形态大小起着非常大的作用。

3矿井无线电波透视技术

无线电波坑透法具有仪器轻便、便于携带、操作简单、所需工作人员较少等优点。但有一定的局限性，有的构造在某些条件下，异常曲线较难分辩。因此，要想确定异常体的性质及具体位置，还得结合传统的地质手段以及相邻工作面的构造发育特征，综合分析，找出规律。无线电波坑透技术对煤层破碎、煤层变薄带等地质现象预测准确性较差，有待于进一步确定。

3.1无线电波透视法基本原理及特点

3.1.1基本原理

巷道无线电波透视技术，又叫坑透法。无线电波接收到的信号是发射机发射的能量在水平方向上的分量。坑道无线电波透视法是一种地下电磁波法。电磁波在地下煤岩层中传播时，当发射机发送的无线电波穿越电磁性质不同的介质时，就会造成电场强度的变化，因此只要分析场强的变化就可以预测工作面内不明的构造情况。电磁波在煤(岩)层中传播过程中，由于岩石的电性(如介电常数、电阻率等)有差异，对电磁波能量吸收存在差异，对电磁波在低阻岩层介质中传播具有比较强的吸收作用，坑道无线电波透视法研究各种岩石、地质构造及煤层对电磁波传播的影响所造成的各种特殊的地质构造区域，能对电磁波产生反射、折射等作用，也会使电磁波能量变化，例如发生衰减和损耗。因此，当电磁波在煤层中传输过程中，存在与煤层电性不同的地质体，如断层、陷落柱或其他地层构造，电磁波的能量就会大部分被吸收或完全被吸收，从而信号明显减弱，甚至完全接收不到信号，形成异常区就是“阴影区”。改变发射机与接收饥的位置，采集处理观测记录的数据，分析数据，得出异常的“阴影区”。这些“阴影区”交会的地方，就是异常的位置，从而进行地质分析。

sin

r

e

H H

r β

θ

-

=式3-1-1

式中H—介质中某点的实测场强；

H

?

—初始场强，它与发射机功率及周围介质有关；β—煤层对无线电波能量的吸收系数；

r—原点到发射原点的距离；

sinθ一方向因子，θ是天线轴线与观测方向的夹角。