孫 超，李玉良，王蓓蓓，胡 浩

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，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，這就會導致傳感器經常損壞，給修理人員增加許多不必要的工作負擔。由中國礦業(yè)大學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)境很復雜，巷道的距離很遠，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中進行傳輸［1］。目前以實驗為基礎已形成了兩種理論:

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

隧道壁一般由混凝土構成，其厚度是有限的，當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近似，如圖1所示。設圓波導的等效半徑a=4.2M，隧道內為自由空間，介電常數為ε0，外部為復介電常數為ε2的介質鑲嵌。內外部分的磁導率都等于自由空間的磁導率μ0，隧道壁的電導率為 δ2=3 ×10－2S/m。

根據波導理論，對于圓柱波導，其衰減常數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階貝塞爾函數的第m個根;λ:波長;a:圓柱波導半徑;v:外部介質的復折射系數。

另一種是將隧道內電磁波的傳播看成是隧道壁產生反射波疊加的幾何光學理論。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，經過光纜傳輸到地面監(jiān)控室。接收器與發(fā)射器的現場安裝如圖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力，會使接收器來回搖擺，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，信號經過無線發(fā)射器進行無線傳輸，接收器接到信號后，經過光纜把信號傳輸。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經過兩次反射到達D，b經過一次反射到達D，c直接傳輸到D點)。在現實的環(huán)境中信號的傳輸更為復雜。

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現場的情況是:有時會出現信號中斷的情況，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);有時在信號的傳輸的過程中，機車在有接受器的大巷中運行，轉向側巷的后，視頻畫面上會出現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更為的明顯，能直接到達而不經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的距離小于等于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，而在斜巷中傳輸的距離卻超過500M。多徑效應會影響信號的接收，會對信號產生很大的影響，信號的延時、信號的衰減等等。然而在對現場的測試當中發(fā)現，信號在很遠的地方也能接收到，視頻信號也可以傳輸上來。

5 大巷與斜巷的比較

現在我們對大巷與斜巷的信號傳輸的具體情況進行分析。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，大多數的信號是經過反射得到的。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，要比大巷中傳輸的環(huán)境更復雜。

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測的要遠。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 結語

在傳統(tǒng)意義上，由于多徑效應的存在，信號強度應該使衰變很快，但是在現場的測試中，以及設備安裝和調試的過程中，我們不難發(fā)現，信號比在空曠的空間中傳輸的距離更遠，所以可以得出一個結論:傳統(tǒng)意義的多徑效應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)大學出版社，2003.

［2］周劍玲，于臻，冉小英.2GHz無線電波在煤礦井下隧道傳播的研究［J］.傳感技術學報，2009，22(6):910－912.

［3］李冰玉，張申.隧道內微波多徑傳播特性的仿真［J］.微波學報，2003，19(4):37－41.

［4］張會清，于洪珍，王普，等.矩形隧道中電波多徑傳播膜型的建立及仿真［J］.電波科學學報，2008，23(1):195－200.

［5］呂義東，周銘.多徑衰落下通信系統(tǒng)的分析與仿真［J］.實驗科學與技術，2009，7(2):18 －20.

［6］李玉良.井下車場機車視覺定位技術研究［J］.煤炭科學技術，2009，4(37):50 －56.

［7］孫繼平，石慶東.礦井隧道電磁波傳播的研究［J］.煤炭科學技術，2001，29(1):25 －27.

［8］張申.帳篷定律與隧道無線數字通信信道建模［J］.通信學報，2002，4(11):32－35.