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地下电波传播

[拼音]:dixia dianbo chuanbo

[外文]:subsurface radio wave propagation

无线电波在地壳岩层或海洋中以透射、反射、折射、导引和散射等方式的传播。随着地质结构条件和应用目的的不同,使用频段可从极低频直至微波,其传播方式和特性的差异甚大。

地下无线电波的研究和应用始于20年代,但长期以来进展不大。70年代以来,由于能源开发的需要和遥感技术的发展,地下电波传播的研究及其在通信和探测方面的应用取得了较大的进展,已在矿井巷道、铁路隧道和军事坑道中的无线电通信、对潜艇的通信指挥和导航,以及矿藏资源和地壳结构(包括断层、冰川、溶洞、管道、水源和海洋中物体)的电磁波探测等方面得到应用。研究各种地质结构(包括人为结构)的几何特性和电磁特性对电波传播和波场结构的影响,是这类通信和探测系统的重要问题。

地下传播媒质

地壳是指地球表层70~80公里厚的坚硬部分,大致可分为三个层区:上区为沉积岩,分布于地面下3~7公里和海洋底下1~2公里,其电导率较高,一般为10-1~10-4西/米,海水电导率高达 4~5西/米;中区主要是花岗岩和玄武岩,分布于沉积层以下直至35~40公里深的莫霍断层,电导率可低于10-6~10-11西/米;莫霍层以下,由于温度随深度急剧增高,游离电荷增多,电导率随深度迅速增高,人们将它同地球上空的电离层相比,称之为“热电离层”。在沉积层和“热电离层”之间,形成一个低电导率的同心球壳层,即所谓的地壳波导。大多数地下传播问题只涉及较浅的沉积岩层,波源可能在地表面以上,也可能在地下岩层或某种人为结构(包括矿井、隧道)之中。

主要传播方式

(1)穿过有损媒质的传播:电波在半导电的沉积岩中传播时,由于存在欧姆损耗而严重衰减。假设媒质均匀和导电电流远大于位移电流,则平面波沿传播路径的衰减为指数型,衰减常数分贝/米,式中σ为电导率(西/米),f 为工作频率(千赫)。在海水中,频率为10千赫的电波的衰减率高达α≈3.5~3.8分贝/米。如要穿透几百米的岩层或海水,一般采用10千赫以下直至几十赫的频率。在军事坑道和潜艇等收发两端(或仅接收端)处于浅地层或海水中时,电波自地下穿出以侧波(或地面发射天线的地表面波)方式沿地面传播,或先以天波传播方式经电离层反射,然后渗入地下(海水)到达接收点。

(2)沿低电导率层的传播:在煤、盐等矿层中,常常出现中间层电导率较低而上、下层电导率较高的情况。例如,媒层σ=10-4 西/米,岩盐层σ≈10-6西/米,而上覆盖层和基底层的电导率为10-2西/米量级,因而构成有损介质平板波导,可引导中、低频或高频电波以横电磁波模传播。工作频率一般选用 0.5~10兆赫。具体选择根据媒层的电导率和厚度而定。试验表明,当存在岩盐层时,发射功率为几瓦的小型短波通信机,其通信距离可达十多公里。在3~5公里以下可能存在的厚度为几公里至几十公里的地壳波导,有可能引导几千赫以下的极低频电波,以横电磁波模传播较远的距离。当频率f=100~1赫时,此波导模衰减率相应地为α≈0.2~0.02分贝/公里。随着频率和电导率的降低以及波导厚度和面壁电导率的增加,传播衰减率趋于减小。虽然地壳波导传播的衰减率较地-电离层波导的衰减率高两个数量级,但因地壳波导中的自然和人为噪声功率比地面上的小80分贝以上,故若采用钻井,将垂直极化收发天线伸进波导空间,则在理想情况下有可能达到几百公里的传播距离。但有二个主要问题:一是很难将大功率信号输送至几公里深处;二是某些地区的花岗岩层可能出现深陷和断裂,将会严重阻碍电波的传播。

(3)以地下人为巷道作为空波导的传播:地下巷道一般可理想化为有损矩形(或半圆形)波导。由于波模耦合而与理想导电壁波导不同,其中不能区分横电波模或横磁波模,理论上难于严格求解。实际上,对应于一般巷道的几何尺寸与电特性,电波的截止频率为几十兆赫左右。当工作频率远高于截频时,波导模衰减率减小,可同时存在大量的波导模。 400~1000兆赫频段的实例研究表明,当频率太高时,巷道壁不光滑的散射损耗,以及障碍和弯曲所引起的衰减会明显增加,故工作波段以70~150兆赫为宜。

(4)泄漏馈电传输:由于巷道作为空波导时存在截止频率,且频率增高时壁的散射和障碍影响增大,为克服这两个缺点,可沿巷道轴向悬挂泄漏电缆,以引导电磁波的传播。这实质上是一种半有线半无线的传播方式,能在一定程度上扩展巷道中电波传播的距离,以满足移动业务的需要。泄漏电缆大致可分为两类:一类是连续泄漏电缆,其外导体为带孔的编织线或具有均匀分布的各种形状的开口;另一类是离散泄漏电缆,即采用完全屏蔽的电缆,而在需要的点(或等间距点)上接入各种泄漏单元,称为泄漏节或转换器。最简单的泄漏节为外导体具有环形开口的一段电缆。当泄漏电缆轴向架设于巷道内时,输入端的发生器或移动的发射天线能同时激起两种模:一种为单线模,其主要能量分布于电缆外部,并具有向内部的泄漏,其场结构类似于以巷道壁作回线的单导线所引导的横电磁波模;另一种为同轴模,即一般同轴线内的横电磁波模,其主要能量分布于电缆屏栅内,同时具有向外的泄漏场。因为同轴模的衰减率远小于单线模,经过一段距离后,巷道空间可接收的波场基本上由同轴模的泄漏场维持。因此,减小同轴模的传播衰减和增强收发天线对同轴模的耦合是这种传输的基本问题。工作频率低于巷道截止频率时,同轴模的泄漏场以单线模形式提供耦合场,频率通常选用5~10兆赫;工作频率高于截止频率时,则通过整个系统(包括巷壁的不规则性和泄漏节的间断)的不连续性,引起辐射,从而形成波导模提供耦合场,选用的频率要比空巷道时的频率高,一般为400~1000兆赫。

(5)地下不均匀结构和异物的反射和散射:这涉及正散射和逆散射(或反演)问题。所谓正散射问题,即已知媒质的电特性、几何结构以及源特性,求解场的分布特性,亦即经典的电波传播问题。逆散射问题是已知波场特性(通过某些波场参量的测量),求解地层中电参数分布特性,从而获得有关地质构造和埋地特异物体的信息。逆散射的求解基于正散射问题的解决,但由于存在不定性而比正散射问题困难得多。一般需要合理地假定一些结构模式,从理论上求出时域、频域或空域中有关正散射的场特性,通过与相应的测量数据相拟合,从而反演地下目标。在这个问题中结构模式大致分为两类:一类为水平分层有损半空间,有时还考虑水平方向的各向异性;另一类为水平分层半空间有损介质中埋有各种异物。

测量方法

大体上可分成两类。一类是钻井法,分单井和多井,井中配备可升降的收发设备,通过电波衰减的空间变化得出周围介质电特性分布,从而对矿体结构作出判断。另一类是地面(包括机载)测量法,具体方法较多,主要有三种。

(1)比值法:测量地波(即沿地表面传播的波)两个场分量的比值沿地面或随频率的变化。包括波倾角法和表面阻抗法,前者对低频准确度差。波源可以是人工源,也可为自然源(如雷电辐射和地磁微脉动)。

(2)相干法:沿地面按发射机射径方向移动接收机(或收发点固定而改变频率),收测地表面波和地下层状结构反射波,观测合成波的射频相干条纹,以确定冰层或地下物结构。

(3)脉冲法:利用有限宽度的脉冲,基于反射(或散射)波形的时间响应(或通过谱分析提取散射体的谐振频率响应)确定地层结构特性。脉冲法又可分为微波地质雷达法和谱中心在甚低频和极低频的视频脉冲法。前者用于探测浅地层内目标,精度较高,并可采用微波全息技术;后者用于探测较深目标,精度低。

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