文 虎，張 鐸，鄭學(xué)召，樊世星，王偉峰

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.國(guó)家礦山救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

基于FDTD的電磁波在煤中傳播特性

文 虎1,2,3，張 鐸1,2,3，鄭學(xué)召1,2,3，樊世星1,2,3，王偉峰1,2,3

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.國(guó)家礦山救援西安研究中心，陜西 西安 710054)

針對(duì)礦山災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，逃生通道被堵，被困人員位置難以確定這一難題，以鉆孔生命雷達(dá)為手段，開(kāi)展了電磁波在煤礦井下傳播規(guī)律的研究。采用時(shí)域有限差分法(FDTD)建立井下二維空間磁場(chǎng)(TM)模型，利用GprMax和Matlab數(shù)值軟件對(duì)模型進(jìn)行正演模擬計(jì)算。通過(guò)理論分析與正演模擬，研究了天線中心頻率、激勵(lì)源、煤質(zhì)與煤溫等條件改變時(shí)，反射波的幅值強(qiáng)度與反射系數(shù)變化規(guī)律，目標(biāo)的探測(cè)時(shí)間與分辨率，揭示了電磁波在煤體中的傳播規(guī)律。研究結(jié)果表明:天線中心頻率為600 MHz的Ricker激勵(lì)源是最佳探測(cè)方式;電磁波在煙煤中的傳播速度最快，褐煤居中，無(wú)煙煤最次;電磁波在煤中的傳播速度隨溫度的增加而增大，人體反射波幅值強(qiáng)度則隨之減弱;人體反射波幅值強(qiáng)度與探測(cè)距離呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，據(jù)此提出建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù);確定了生命雷達(dá)與被困人員之間煤體厚度的計(jì)算方法。研究結(jié)果可為生命雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)救援探測(cè)數(shù)據(jù)的解釋提供參考與支撐。

礦山事故;應(yīng)急救援;探測(cè)雷達(dá);數(shù)值模擬

近年來(lái)，盡管百萬(wàn)噸煤死亡率已得到明顯降低，但全球每年仍有許多礦難事故發(fā)生，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。特別是在爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)和頂板等災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，井下通信設(shè)施被損壞、逃生通道被堵的情況下，如何確定被困人員的位置對(duì)提高救援效率、保障被困人員生命安全、減少財(cái)產(chǎn)損失顯得尤為重要。

目前，已發(fā)展比較成熟且被廣泛應(yīng)用的生命探測(cè)技術(shù)有音頻振動(dòng)技術(shù)[1-2]、氣體技術(shù)[3-4]、紅外熱成像技術(shù)[5-6]及雷達(dá)技術(shù)[7-8]。音頻振動(dòng)、紅外熱成像及氣體等生命探測(cè)技術(shù)存在抗干擾性差、易受溫度影響及不具備穿透性等缺點(diǎn)。因此，這3種技術(shù)不適用于有障礙物情況下的遇難(險(xiǎn))人員位置探測(cè)。

探測(cè)雷達(dá)(GPR)以其快速、安全、高效、抗干擾能力強(qiáng)、方便非接觸及提供可靠的高質(zhì)量圖像的優(yōu)點(diǎn)成為最有效的地球物理探測(cè)手段之一[9-12]，因此得到勘探科學(xué)界的一致認(rèn)可[13]。目前，GPR技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，例如土壤水分含量估計(jì)[14-15]，道路質(zhì)量評(píng)估[16-18]，工程結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)[19-21]，大型巖石建筑質(zhì)量評(píng)價(jià)[22-23]，城市地下管路監(jiān)測(cè)[13,24-25]，戰(zhàn)區(qū)地雷探測(cè)[26-27]，隱秘墳?zāi)固綔y(cè)[28-29]。目前，該技術(shù)在礦山領(lǐng)域亦逐漸成為研究熱點(diǎn)，于師建[30]研究了基于場(chǎng)強(qiáng)和頻移的電磁波在煤巖體中衰減吸收系數(shù);岳蕾[31]通過(guò)全波形概率反演算法，提高了巷道電磁波層析成像反演精度;齊承霞[32]利用MUSIC算法處理電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了煤層超前水體識(shí)別，但在礦山應(yīng)急救援方面的研究較少。

因此，針對(duì)礦山災(zāi)難鉆孔救援中雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)規(guī)律展開(kāi)研究，采用FDTD正演算法進(jìn)行了被困礦工生命信息探測(cè)的數(shù)值模擬，分析了激勵(lì)函數(shù)、中心頻率、煤質(zhì)、煤溫等條件變化時(shí)，電磁波在煤中的傳播規(guī)律，基于此規(guī)律研究了人體反射波幅值與障礙煤體厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。數(shù)值模擬為實(shí)現(xiàn)礦山鉆孔救援生命雷達(dá)探測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用提供了理論支持和數(shù)值實(shí)驗(yàn)支撐。

1 時(shí)域有限差分法原理

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的是高頻短脈沖電磁波，電磁場(chǎng)理論的核心是麥克斯韋電磁波理論。宏觀上所有電磁現(xiàn)象均可由麥克斯韋方程表示，如式(1)所示。1966年，YEE K.S[33]提出了時(shí)域有限差分法，該算法已廣泛應(yīng)用于電磁領(lǐng)域。它將數(shù)值模擬的模型采用二階中心差分格式對(duì)麥克斯韋旋度方程(式(1))進(jìn)行差分離散，進(jìn)而電磁和磁場(chǎng)的各坐標(biāo)分量即可用相鄰網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的電場(chǎng)(TE)和磁場(chǎng)(TM)表示。

式中，ρ為電荷密度，C/m3;J為電流密度，A/m2;E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m;D為電位移，C/m2;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T;Jm磁通量密度，V/m2;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

在靜止、線性各向同性的煤質(zhì)介質(zhì)中H，D，E，B的本構(gòu)關(guān)系為

式中，*為卷積;ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)/m;μ介質(zhì)的磁導(dǎo)率，H/m;σ介質(zhì)的電導(dǎo)率，S/m。

對(duì)于二維有源問(wèn)題，設(shè)所有物理量均與z無(wú)關(guān)，即?/?z=0，于是，由式(1)和(2)可得磁場(chǎng)旋度方程:

采用FDTD方法，推算出任意節(jié)點(diǎn)處磁場(chǎng)分量的差分迭代公式為

式(4)～(6)有穩(wěn)定解的時(shí)間步長(zhǎng)條件如式(7)所示，色散控制條件如式(8)所示。

式中，Δt為時(shí)間步長(zhǎng);c為光速;Δx為x方向空間步長(zhǎng);Δy為y方向空間步長(zhǎng);λ為介質(zhì)中無(wú)色散波長(zhǎng)。

2 物理模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 物理模型

以掘進(jìn)工作面頂板冒落，掘進(jìn)工作面和冒頂處之間可能存在被困人員為研究對(duì)象。正演模擬的物理尺寸為:L1為2 m,L2為1.3 m,L3為4 m,L4為10 m，人體為1.6 m×0.4 m的長(zhǎng)方形，如圖1所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

模擬時(shí)，假設(shè)煤體為各向均勻同性的半無(wú)限連續(xù)空間，人的介電常數(shù)[34]為50，空氣的介電常數(shù)為1，天線步進(jìn)距離0.060 m，收發(fā)天線間距為0.065 m，測(cè)線道數(shù)為115，空間網(wǎng)格步長(zhǎng)為0.005 m×0.005 m，邊界條件為完全匹配層(PML)。煤的電磁特性見(jiàn)表1。激勵(lì)函數(shù)、中心頻率、煤質(zhì)、煤溫等條件的模擬模型參數(shù)見(jiàn)表2，被困人員與煤柱厚度的模擬模型參數(shù)見(jiàn)表3。

表1溫度對(duì)煤樣介電常數(shù)(εr)和電阻值的影響[35]
Table1Dielectricconstant(εr)andresistanceofthecoalsamples[35]

類別20℃εrρ/(Ω·m)40℃εrρ/(Ω·m)80℃εrρ/(Ω·m)120℃εrρ/(Ω·m)褐煤4.091.14×1042.322.27×1042.309.54×1041.903.87×105煙煤2.602.11×1042.307.22×1042.102.29×1052.105.76×105無(wú)煙煤12.205.96×10311.208.93×10310.701.02×10410.001.32×104

表2各類條件下正演模擬模型參數(shù)設(shè)置
Table2Parametersettingofforwardmodelingmodelundervariousconditions

模型介電常數(shù)電阻值/(Ω·m)中心頻率/MHz激勵(lì)源Ricker模型1:激勵(lì)函數(shù)4.091.14×104600GaussianCont_sineSine200400模型2:中心頻率4.091.14×104600Ricker800100015004.091.14×104模型3:煤質(zhì)2.602.11×104600Ricker12.205.96×1034.091.14×104模型4:煤溫2.322.27×104600Ricker2.309.54×1041.903.87×105

表3模型物理尺寸
Table3Modelphysicalsize

模型L1/mL2/mL3/mL4/m1號(hào)21.34102號(hào)41.36103號(hào)61.38104號(hào)81.31010

3 模擬結(jié)果分析

2005年愛(ài)丁堡大學(xué)的Giannopoulos開(kāi)發(fā)了基于FDTD的雷達(dá)正演模擬軟件GprMax[36]。本文利用GprMax數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)確定了生命雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中最佳的天線激勵(lì)源及中心頻率，分析了煤質(zhì)與煤溫對(duì)電磁波傳播規(guī)律的影響。

3.1 激勵(lì)函數(shù)對(duì)探測(cè)的影響

為了研究激勵(lì)函數(shù)對(duì)探測(cè)的影響，設(shè)定介電常數(shù)、電阻值、中心頻率為定值，即探測(cè)結(jié)果只受單一變量(激勵(lì)函數(shù))的影響。

圖2顯示了不同激勵(lì)源正演模擬圖像，顯然Cont_sine有多次波，不適于作為激勵(lì)函數(shù)。Ricker,Gaussian及Sine都可探測(cè)到人體信號(hào)，且結(jié)果呈現(xiàn)下凹雙曲線特征，但3種激勵(lì)源中Ricker的人體反射波更加清晰。

圖2 不同激勵(lì)源正演模擬Fig.2 Forward modeling of different excitation sources

利用Matlab軟件對(duì)圖2中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)第57道反射波波形最為顯著，因此選擇第57道反射波進(jìn)行研究分析。圖3給出了3種激勵(lì)源(Ricker,Gaussian及Sine)探測(cè)的第57道反射波波形，其中人體反射波幅值分別為-62.07,-19.69,-46.10 mV/m。不難算出Ricker的人體反射波幅值強(qiáng)度是Sine的1.3倍，是Gaussian的3.2倍。因此，Ricker更適宜作為激勵(lì)源。還可知，人體目標(biāo)反射波為負(fù)峰，而煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射波為正峰，這是因?yàn)槊旱慕殡姵?shù)大于空氣的介電常數(shù)，電磁波從煤柱進(jìn)入掘進(jìn)巷時(shí)，交界面的反射振幅為正值;相應(yīng)的空氣與人的交界面的反射振幅為負(fù)值[37]。

圖3 不同激勵(lì)源正演模擬第57道波形Fig.3 Simulation of the 57th waveform in different excit-ations wave form

3.2 中心頻率對(duì)探測(cè)的影響

為了研究中心頻率對(duì)探測(cè)的影響，設(shè)定介電常數(shù)、電阻值及激勵(lì)函數(shù)為定值，即探測(cè)結(jié)果只受單一變量(中心頻率)的影響。

圖4展示了不同中心頻率情況下正演模擬效果。對(duì)比分析不同頻率天線對(duì)人體目標(biāo)的響應(yīng)特征圖譜，發(fā)現(xiàn)6種頻率的雷達(dá)均可探測(cè)到人體信號(hào);200 MHz圖像人體信號(hào)特征曲線最模糊，隨頻率的增加，特征雙曲線逐漸清晰;其中以600 MHz與800 MHz的效果最好，但不是頻率越高正演模擬的結(jié)果越好，1 GHz與1.5 GHz模擬結(jié)果中出現(xiàn)大量多次波(圖4(e),(f)和5(c))，多次波將嚴(yán)重干擾對(duì)人體目標(biāo)的判定。

圖4 不同中心頻率正演模擬Fig.4 Simulation of different antenna central frequency forward modeling

圖5 不同頻率正演模擬第57道波形Fig.5 Simulation of the 57th waveform in different antenna central frequencies

分析不同天線中心頻率正演模擬波形圖，可以得出200 MHz到1.5 GHz的人體反射波幅值分別為-30.90,-47.98,-62.07,-69.09,-68.35,-52.28 mV/m，即人體發(fā)射波幅值強(qiáng)度隨頻率的增加先增加后減小;隨頻率的增加，煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射波的幅值依次為24.70,35.93,44.68,49.69,49.55,38.41 mV/m，即隨頻率的增加幅值強(qiáng)度先增加后減小;同頻率時(shí)，人體反射波幅值強(qiáng)度大于交界面反射波幅值強(qiáng)度，這是因?yàn)槊号c空氣的介電常數(shù)差值小于人與空氣的介電常數(shù)差值;探測(cè)到人體目標(biāo)的時(shí)間隨頻率的增加而減小，說(shuō)明頻率越高電磁波在煤中的傳播速度越快。根據(jù)文獻(xiàn)[38]，本模型中各頻率的空間分辨率依次為0.37,0.19,0.12,0.09,0.07,0.05 m。因此200 MHz和400 MHz圖像模糊，1 GHz和1.5 GHz有多次波。由圖5(b)可知，800 MHz的人體反射波幅值強(qiáng)度僅為600 MHz的1.1倍。前人研究表明，頻率越高，介電損失越大，能量衰減越多，探測(cè)距離隨之減小[39]。因此，選擇600 MHz作為天線中心頻率。

3.3 煤質(zhì)對(duì)傳播規(guī)律的影響

溫度一定時(shí)，同一煤質(zhì)的介電常數(shù)和電阻值不變。為了研究煤質(zhì)對(duì)探測(cè)的影響，設(shè)定中心頻率與激勵(lì)函數(shù)為定值，即探測(cè)結(jié)果只受單一變量(煤質(zhì))的影響。

由圖6可知，褐煤、煙煤及無(wú)煙煤的人體反射波幅值分別為-62.07,-85.92,-23.75 mV/m，煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射波幅值分別為44.68,29.84,44.68 mV/m。由于電磁波在交界面的反射系數(shù)[38]分別為0.34,0.23,0.55，褐煤、煙煤及無(wú)煙煤的電阻值分別為11 400，21 100，5 960 Ω·m，因此無(wú)煙煤的交界面反射波幅值強(qiáng)度大于人體反射波幅值強(qiáng)度，與褐煤交界面反射波幅值相同。在褐煤、煙煤及無(wú)煙煤中，生命雷達(dá)探測(cè)到人體目標(biāo)的時(shí)間分別為35.4,28.7,54.2 ns，即電磁波在煙煤中的傳播速度最快，褐煤居中，無(wú)煙煤最次。這是因?yàn)?，無(wú)煙煤的介電常數(shù)最大，煙煤的介電常數(shù)最小[39]。

圖6 不同煤質(zhì)正演模擬第57道波形Fig.6 Simulation of the 57th waveform in different kinds of coal

3.4 煤溫對(duì)傳播規(guī)律的影響

溫度變化時(shí)，煤的介電常數(shù)和電阻值發(fā)生變化，從而影響電磁波的傳播。為了研究煤溫對(duì)探測(cè)的影響，設(shè)定中心頻率與激勵(lì)函數(shù)為定值，即探測(cè)結(jié)果只受單一變量(煤溫)的影響。

對(duì)比分析不同溫度條件下正演模擬波形圖。如圖7(a)所示，生命雷達(dá)探測(cè)到人體反射波的時(shí)間分別為35.4,29.6,29.1,27.4 ns，探測(cè)時(shí)間逐漸縮短，即電磁波在煤中的傳播速度速煤溫的增加而逐漸增大;人體反射波幅值分別為-62.07,-82.61,-85.3,-93.53 mV/m，幅值強(qiáng)度隨溫度增加而增大;煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射波幅值分別為44.68,32.76,31.76,25.76 mV/m，幅值強(qiáng)度隨溫度的增加而減小。這是因?yàn)殡S溫度的增加，煤的介電常數(shù)逐漸減小，電阻值逐漸增大，煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射系數(shù)逐漸減小(20 ℃，0.338;40 ℃，0.207;80 ℃，0.205;120 ℃，0.159)。如圖7(b),(c)所示，電磁波在煙煤與無(wú)煙煤中的傳播規(guī)律隨溫度的變化亦有相同的規(guī)律。

圖7 不同煤溫正演模擬第57道波形Fig.7 Simulation of the 57th waveform with different coal temperature

4 目標(biāo)定位

在以上研究基礎(chǔ)上，建立不同煤柱厚度的模型(表3)，模擬分析人體信號(hào)隨煤體厚度的變化規(guī)律，建立相應(yīng)公式。在應(yīng)急救援時(shí)，根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合該公式，可計(jì)算出煤體厚度，確定被困人員位置。模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 探測(cè)距離正演模擬第57道波形Fig.8 Simulation of the 57th waveform of probing distance

由圖8可得，4種模型中煤柱與掘進(jìn)巷交界面反射波幅值依次為44.68,29.24,21.66,17.10 mV/m，人體反射波幅值依次為-62.07,-45.72,-35.55,-28.04 mV/m。將人體反射波幅值強(qiáng)度與煤柱厚度進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示?？芍?，人體反射波的幅值強(qiáng)度與煤柱厚度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨L1(煤柱厚度)的增加，幅值強(qiáng)度逐漸減小。因?yàn)長(zhǎng)1越大，電磁波在介質(zhì)中的路程越長(zhǎng)，電磁波能量損耗亦隨之增大，因此目標(biāo)反射波幅值強(qiáng)度逐漸較小。據(jù)此，可以建立各個(gè)礦區(qū)的煤柱厚度與幅值強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)際救援中，將生命雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)相比較，可以較準(zhǔn)確的確定被困礦工位置。

圖9 人體反射波幅值擬合曲線Fig.9 Body reflection wave amplitude fitting curve

根據(jù)文獻(xiàn)[40]，電磁波在有耗介質(zhì)中傳播規(guī)律，可得電磁波在煤中的傳播速度計(jì)算式，如式(9)所示。

式中，v為電磁波在煤中的傳播速度;c為光速;εr煤的介電常數(shù)。

由式(9)可知，結(jié)合圖8中h1雙程走時(shí)，可計(jì)算出煤柱厚度，結(jié)果見(jiàn)表4，相對(duì)誤差均小于5%。

表4煤柱厚度分析
Table4Analysisofcoalpillarthickness

模型煤柱厚度/m解析值/m絕對(duì)誤差/m相對(duì)誤差/%1號(hào)21.810.194.772號(hào)43.820.184.613號(hào)65.820.184.464號(hào)87.830.174.31

由圖8中的h2，乘以光速可得煤幫到被困者的距離，再結(jié)合表4中煤柱厚度的解析值，可得雷達(dá)與被困人員之間的距離，即可研究目標(biāo)的定位問(wèn)題，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5目標(biāo)定位分析
Table5Targetlocationanalysis

模型解析值/m煤柱厚度煤幫與人間距雷達(dá)與人間距真實(shí)值/m雷達(dá)與人間距絕對(duì)誤差/m相對(duì)誤差/%1號(hào)1.811.303.113.30.195.762號(hào)3.821.295.115.30.193.583號(hào)5.821.297.117.30.192.604號(hào)7.831.299.129.30.181.94

5 結(jié) 論

(1)天線中心頻率為600 MHz的Ricker激勵(lì)源是最佳探測(cè)方式。

(2)在褐煤與煙煤中，煤柱與掘進(jìn)巷交界面處的反射波幅值強(qiáng)度小于人體反射波幅值強(qiáng)度，而在無(wú)煙煤則相反;電磁波在煙煤中的傳播速度最快，褐煤居中，無(wú)煙煤最次;電磁波在煤中的傳播速度隨溫度的增加而增大，而人體反射波幅值強(qiáng)度則隨之減弱。

(3)煤柱厚度L1與人體反射波幅值強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，據(jù)此可建立不同地區(qū)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)際救援探測(cè)中數(shù)據(jù)的解讀提供參考。

(4)根據(jù)電磁波在煤中的傳播速度，結(jié)合探測(cè)時(shí)間，可計(jì)算出生命雷達(dá)與被困人員之間煤體厚度。

[1] 朱愛(ài)軍,胡賓鑫,趙云,等.聲光一體生命搜索與定位探測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004(4):198-200.

ZHU Aijun,HU Binxin,ZHAO Yun,et al.Design and implementation of life detect and orientation measurement system through sound and video integration[J].Computer Engineering and Applications,2004(4):198-200.

[2] 肖忠源.分布式微型音頻生命探測(cè)系統(tǒng)的研制[D].成都:成都理工大學(xué),2009.

XIAO Zhongyuan.The design and implementation of the distributed miniature life detection system based on sound wave[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2009.

[3] CHARPENTIER F,BUREAU B,TROLES J,et al.Infrared monitoring of underground CO2storage using chalcogenide glass fibers[J].Optical Materials,2009,31:496-500.

[4] HEUSINKVELD B G,JACOBS A F G,HOLTSLAG A A M.Effect of openpath gas analyzer wetness on eddy covariance flux measurements:A proposed solution[J].Agricultural and Forest Meteorology,2008,148:1563-1573.

[5] LOU Wenjing.An efficient N-to-1 multipath routing protocol in wireless sensor networks[A].2nd IEEE International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems[C].Washington,2005:665-672.

[6] ALMALKAWI I T,GUERRERO Zapata M.A secure cluster-based multipath routing protocol for WMSNs[J].Sensors,2011,11(4):4401-4424.

[7] ANGELL A J,RAPPAPORT C M.Computational modeling analysis of radar scattering by clothing covered arrays of metallic body-worn explosive devices[J].Progress in Electromagnetics Research(PIER),2007,76:285-298.

[8] 嚴(yán)珊珊.用于雷達(dá)式生命探測(cè)儀的信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2012.

YAN Shanshan.Design of signal processing system for radar-based life detector[D].Changchun:Changchun University of Science and Technology,2012.

[9] DIAMANTI N,REDMAN D.Field observations and numerical models of GPR response from vertical pavement cracks[J].Journal of Applied Geophysics,2012,81:106-116.

[10] SOLLA M,LORENZO H,RIAL F I.Ground-penetrating radar for the structural evaluation of masonry bridges:Results and interpretational tools[J].Construction and Building Materials,2012,29:458-465.

[11] XIE X Y,QIN H,YU C,et al.An automatic recognition algorithm for GPR images of RC structure voids[J].Journal of Applied Geophysics,2013,99:125-134.

[12] ZHANG P,GUO X X,MUHAMMAT N,et al.Research on probing and predicting the diameter of an underground pipeline by GPR during an operation period[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2016,58:99-108.

[13] NUNEZNIETO X,SOLLA M,NOVO A,et al.Three-dimensional ground-penetrating radar methodologies for the characterization and volumetric reconstruction of underground tunneling[J].Construction and Building Materials,2014,71:551-560.

[14] Chanzy A,Tarussov A.Soil water content determination using digital ground penetrating radar[J].Soil Sci.Soc.Am.J.,1996,60(5):1318-1326.

[15] WANG X D,HE L,YANG F,et al.Estimation of soil water content using ground penetrating radar[J].Chin.J.Geotech.Eng,2009,17:(5):697-701.

[16] FAUCHARD C,DéROBERT X,CARIOU J.GPR performances for thickness calibration on road test sites[J].NDT & E Int.,2003,36:67-75.

[17] SOLLA M,LAGUELA H,GONZALEZJORGE P,et al.Approach to identify cracking in asphalt pavement using GPR and infrared thermographic methods:Preliminary findings[J].NDT & E International,2014,62:55-65.

[18] SHANGGUAN P C,AI-QADI I L,LAHOUAR S.Pattern recognition algorithms for density estimation of asphalt pavement during compaction:a simulation study[J].Journal of Applied Geophysics,2014,107:8-15.

[19] SOLLA M,LAGUELA H,MARCOS X Alvarez,et al.Application of non-destructive geomatic techniques and FDTD modeling to metrical analysis of stone blocks in a masonry wall[J].Construction and Building Materials,2012,36:14-19.

[20] RUCKA M,LACHOWICZ J,ZIELINSKA M.GPR investigation of the strengthening system of a historic masonry tower[J].Journal of Applied Geophysics,2016,131:94-102.

[21] YU Q M,ZHOU H L,WANG Y H,et al.Quality monitoring of metro grouting behind segment using ground penetrating radar[J].Construction and Building Materials,2016,110:189-200.

[22] ORLANDO L.Semiquantitative evaluation of massive rock quality using ground penetrating radar[J].J.Appl.Geophys.,2003,52:1-9.

[23] SOLLA M,LAGUELA H,RIVEIRO B,et al.Non-destructive methodologies in the assessment of the masonry arch bridge of Traba,Spain[J].Engineering Failure Analysis,2011,18:828-835.

[24] Hunaidi O,Giamou P.Ground-Penetrating-Radar for detection of leaks in buried plastic water distribution pipes[A].Seventh International Conference on Ground-Penetrating-Radar[C].Lawrence,Kansas,USA,1998:27-30.

[25] CROCCO L,PRISCO G,SOLDOVIERI F,et al.Early-stage leaking pipes GPR monitoring via microwave tomographic inversion[J].J.Appl.Geophys.,2009,67(4):270-277.

[26] CAPINERI L,IVASHOV S,BECHTEL T,et al.Comparison of GPR sensor types for landmine detection and classifi cation[A].12th International conference on ground penetrating radar[C].Birmingham(UK),2008.

[27] GONZALEZ-HUICI M A.Strategy for landmine detection and recognition using simulated GPR responses[A].Proceedings of the 14th International Conference on Ground Penetrating Radar[C].Shanghai,2012:877-82.

[28] NOVO A,LORENZO H,RIAL F I,et al.3D GPR in forensics:Finding a clandestine grave in a mountainous environment[J].Forensic Science International,2011,204:134-138.

[29] BOOTH A D,PRINGLE J K.Semblance analysis to assess GPR data from a five-year forensic study of simulated clandestine graves[J].Journal of Applied Geophysics,2016,125:37-44.

[30] 于師建.基于頻移的煤巖介質(zhì)電磁波衰減數(shù)值模擬[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2013,28(6):3270-3275.

YU Shijian.The numerical simulation of electromagnetic wave attenuation using the centroid frequency downshift method[J].Progress in Geophysics,2013,28(6):3270-3275.

[31] 岳蕾.電磁波在煤層中的傳播規(guī)律與全波形概率反演方法研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2016.

YUE Lei.Study on the propagation law of electromagnetic wave in coal seam and its full waveform probabilistic inversion method[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2016.

[32] 齊承霞.煤層超前探測(cè)中的探地雷達(dá)信號(hào)處理[D].西安:西安科技大學(xué),2014.

QI Chengxia.Ground penetrating radar signal processing in advanced detection in coal seam[D].Xi’an:Xi’an University of Science and Technology,2014.

[33] YEE K S.Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media[J].IEEE T Antenn Propag,1966,14:49-58.

[34] TRAIAN Dogaru,LAM Nguyen,CALVIN Le Sensors,et al.Computer models of the human body signature for sensing through the wall radar applications[R].DTIC Document,2007.

[35] 徐宏武.煤層電性參數(shù)測(cè)試及其煤巖特性關(guān)系的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(3):42-47.

XU Hongwu.Measurement and test of seam electric parameter and study on relation ship between seam electric parameter and coal petrology characteristics[J].Coal Science and Technology,2005,33(3):42-47.

[36] Giannopoulos A.Modelling ground penetrating radar by GPR Max[J].Construction and Building Materials,2005,19:755-762.

[37] LEE Jonah H,WANG Wei.Characterization of snow cover using ground penetrating radar for vehicle trafficability-Experiments and modeling[J].Journal of Terramechanics,2009,46:189-202.

[38] 李亞飛.地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)正演模擬[D].北京:北京交通大學(xué),2011:26-29.

LI Yafei.Forward simulation of ground penetrating radar for the tunnel fore geological forecast[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2011:26-29.

[39] 李大洪.影響地質(zhì)雷達(dá)工作頻率選擇的若干因素[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000,27(S):29-30.

LI Dahong.Several factors affect the choice of working frequency of geological radar[J].Mining Safety & Environmental Protection,2000,27(S):29-30.

[40] 鄧普.鐵路車(chē)載探地雷達(dá)檢測(cè)隧道滲漏水的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2015:21-22.

DENG Pu.Research on detection of railway tunnel seepage with train-mounted GPR[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2015:21-22.

PropagationcharacteristicsofelectromagneticwavebasedonFDTDincoal

WEN Hu1,2,3,ZHANG Duo1,2,3,ZHENG Xuezhao1,2,3,FAN Shixing1,2,3,WANG Weifeng1,2,3

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 2.KeyLaboratoryofCoalFireHazardPreventionandControlofShaanxiProvince,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 3.NationalMineRescueXi’anResearchCenter,Xi’an710054,China)

In view of mine disastrous accidents,once the escape way is blocked,it is hard to locate the miners trapped in the mines.In this paper,the propagation characteristics of electromagnetic wave in coal mine were studied.The finite-difference time-domain (FDTD) method was used to establish the two-dimensional space magnetic field model,which was calculated based on forward simulation technique of GprMax and Matlab software packages.Through theoretical analysis and numerous simulation,the impacts of frequency of antenna center,excitation source,coal types and coal temperatures on the amplitude intensity of the reflected wave and reflection coefficient were investigated.Coupled with the researches referring to the target detection time and resolution,the propagation characteristics of electromagnetic wave in coals were eventually revealed.The results revealed that the Ricker wave with the center frequency of 600 MHz provided the best way of probing.The propagation velocity of electromagnetic wave was the fastest in bituminous coal and lowest in anthracite with lignite in the middle.The propagation velocity of the electromagnetic wave increased with rising coal temperatures.The amplitude intensity of the reflected wave of the human body was weakened with the increase of coal temperature.Further study indicated that the amplitude intensity of the reflected wave of the human body had a logarithmic function with and the detection distance.The above conclusions were then applied for building a database to help the calculation on the thickness of coal between life radar and trapped personnel.The results of this study provide guidelines for the life radar system research as well as the development and on-site rescue detection data interpretation.

mine accident;emergency rescue;ground penetrating radar;numerical simulation

文虎，張鐸，鄭學(xué)召,等.基于FDTD的電磁波在煤中傳播特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):2959-2967.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0554

WEN Hu,ZHANG Duo,ZHENG Xuezhao,et al.Propagation characteristics of electromagnetic wave based on FDTD in coal[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2959-2967.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0554

TD657

A

0253-9993(2017)11-2959-09

2017-04-25

2017-09-30責(zé)任編輯許書(shū)閣

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0801800-02);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51504186);中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2016-M-592820)

文 虎(1972—)，男，新疆石河子人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail:wenh@xust.edu.cn