溫 杰，仝慶華，詹云鵬，楊春花

(1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009；2.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

太赫茲(THz)波通常指頻率在0.1～10 THz(對應(yīng)波長30 μm～3 mm)的電磁波，其頻率介于毫米波與紅外光之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡頻段，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)，具有低能、高穿透、指紋譜、寬帶、瞬態(tài)和相干等性質(zhì)[1-2]，太赫茲技術(shù)已經(jīng)被證明在更加深入的物理研究以及實際應(yīng)用中有著廣闊的應(yīng)用前景。

隨著煤炭開采強度的不斷加大，礦井的開采深度也隨之延伸，深度礦井也帶來了一系列的礦井災(zāi)害問題[1-2]，其中礦井水害已經(jīng)成為日益突出的重要問題[3-5]，是影響礦井安全的主要因素之一。因此，有必要找到一種礦井水患探測的方法來降低井下突水事故發(fā)生的概率，所以研究電磁波在不同濕度煤層中的傳播規(guī)律就非常必要。煤的濕度是影響煤物理性質(zhì)的重要因素，利用太赫茲在煤層中的散射特性，測量得到不同濕度的煤樣在不同頻率下的衰減系數(shù)。驗證太赫茲頻段的電磁波在煤層探測中的可行性，可以為井下不同濕度煤層的雷達成像系統(tǒng)的研究提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時對于解決井下水害問題有重要意義。

1 實驗原理及方法

用COMSOL 軟件的光學(xué)波導(dǎo)模塊進行模擬研究。通過折射率的波動方程εr=(n-k)2進行計算，其中εr是介電常數(shù)，n和k分別代表折射率的實部和虛部，其值分別來自于材料設(shè)置，引用不同濕度下內(nèi)蒙古某地區(qū)煤樣的介電常數(shù)實部與虛部的測量值[6-7]。太赫茲波在煤層中傳播時，受到固體材料的散射作用[8-10]，導(dǎo)致傳輸信號強度的衰減。S參數(shù)中的S21為模型輸出信號和輸入信號的比值，也就是傳輸系數(shù)，可以反應(yīng)信號的衰減程度。建立仿真環(huán)境和模型時，在煤層的上下均加入空氣層，在空氣層上外加完美匹配層使得模型更加符合實際情況，考慮到完美匹配層最底下邊界沒有反射存在，因此需要加入散射邊界條件使得模擬環(huán)境更加真實。太赫茲波在水蒸氣和空間邊界中存在巨大的損耗，因此分別設(shè)置了5 中不同濕度下煤樣的介電常數(shù)，如表1 所示。在實際的雷達探測中，通常是無法在另外一側(cè)放置接收裝置的，因此計算煤層和水在同一頻段下的反射率更加適用于實際。最后使用COMSOL 的數(shù)據(jù)后處理功能對相同厚度的水層和煤層以及不同濕度的煤層分別進行參數(shù)S21和反射率的計算。

表1 不同濕度狀態(tài)下煤樣的介電常數(shù)

2 實驗結(jié)果分析

2.1 太赫茲波在不同濕度煤層中的衰減

如圖1 所示，隨著頻率的不斷增大，煤層對太赫茲頻段的衰減也逐漸增大?？梢钥吹?，煤層濕度的大小對其太赫茲波的衰減具有明顯的作用。在頻率較低時，濕度取0%、1%、2%、4%時，衰減的程度和區(qū)別還不是特別明顯，當頻率逐漸增大時，濕度對于衰減程度的影響出現(xiàn)明顯的差異。把濕度的區(qū)間直接增加到10%，這時即使在低頻段，太赫茲波的衰減趨勢就已經(jīng)有了明顯區(qū)別。當頻率逐漸增大時，不同濕度對太赫茲波的衰減差異區(qū)別明顯。最終頻率為10 THz、濕度為10%時，太赫茲波衰減至-16.4 dB,濕度1% 時，衰減至-6.4 dB，可見煤濕度是影響太赫茲波衰減的重要因素。

圖1 太赫茲波在不同濕度煤層中的衰減

2.2 水層和煤層對不同頻率太赫茲波的反射

圖2 測試了相同的水層與煤層對太赫茲波的反射情況。通過圖1 可知濕度是影響太赫茲波在煤層傳播的重要因素。在實際的應(yīng)用檢測中，利用相關(guān)的檢測設(shè)備如監(jiān)測用的雷達等測量儀器，都是利用設(shè)備的反射系統(tǒng)監(jiān)測電磁波的回波信號，之后對回波信號進行相關(guān)的信息后處理工作。所以，計算模型端口的反射率對于數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用具有重要的參考意義。如圖2 所示，縱坐標反映了太赫茲波的入射端口的反射情況，可以看到，因為水對太赫茲波段的電磁波吸收能力很強，所以水層的反射率很低，最高的反射率只有4.7%。煤層的反射率相較于水層具有很大差異，最高反射率可以達到53%。太赫茲波段水層和煤層的反射情況區(qū)別明顯，這為利用太赫茲波在煤層中探測水提供了可行性。

圖2 相同的水層與煤層對太赫茲波的反射

2.3 不同濕度煤層的反射

通過比較水層與煤層對于太赫茲波段電磁波的反射，可知太赫茲波段在這兩種不同介質(zhì)中差別明顯。圖3 表示不同濕度的煤層在同一太赫茲波段下的反射情況?？梢钥吹剑煌瑵穸葘τ诜瓷渎实拇笮∮绊懖皇翘貏e明顯，但是隨著電磁波頻率的增加，濕度越大其反射率降低的速度越快，圖中濕度為10%的反射率明顯區(qū)別于其他濕度反射率降低的速度。這對于研究不同濕度煤層的反射情況，以及太赫茲波對不同情況下的煤層的探測具有參考意義。

圖3 不同濕度的煤層對太赫茲波的反射

3 結(jié)語

從太赫茲波對與煤層的衰減出發(fā)，驗證了濕度是影響其衰減的重要因素，得到不同頻率、不同濕度的衰減曲線。計算了水和煤對相同太赫茲波段的電磁波反射率變化的情況，驗證兩種介質(zhì)在同一波段反射率的明顯差異。在前面的基礎(chǔ)上，計算了不同濕度下煤層對太赫茲波反射率變化的趨勢，證明濕度是影響反射率變化的重要原因。以上研究為礦井災(zāi)害尤其是問題日益突出的礦井水害問題提供數(shù)據(jù)參考，利用煤層和水層反射率的明顯差異，也為太赫茲成像技術(shù)、太赫茲光譜技術(shù)等相關(guān)太赫茲用于煤 層探測方面的研究提供了參考。