地下電波傳播

地下無線電波的研究和套用始於20年代，但長期以來進展不大。70年代以來，由於能源開發的需要和遙感技術的發展，地下電波傳播的研究及其在通信和探測方面的套用取得了較大的進展，已在礦井巷道、鐵路隧道和軍事坑道中的無線電通信、對潛艇的通信指揮和導航，以及礦藏資源和地殼結構（包括斷層、冰川、溶洞、管道、水源和海洋中物體）的電磁波探測等方面得到套用。研究各種地質結構（包括人為結構）的幾何特性和電磁特性對電波傳播和波場結構的影響，是這類通信和探測系統的重要問題。

基本介紹

• 中文名：地下電波傳播
• 上區：沉積岩
• 中區：花崗岩和玄武岩
• 主要傳播方式：穿過有損媒質的傳播等

地下傳播媒質

地殼是指地球表層70～80公里厚的堅硬部分，大致可分為三個層區：上區為沉積岩，分布於地面下3～7公里和海洋底下1～2公里，其電導率較高，一般為10-1～10-4西/米，海水電導率高達 4～5西/米；中區主要是花崗岩和玄武岩，分布於沉積層以下直至35～40公里深的莫霍斷層,電導率可低於10-6～10-11西/米；莫霍層以下，由於溫度隨深度急劇增高，游離電荷增多，電導率隨深度迅速增高，人們將它同地球上空的電離層相比，稱之為“熱電離層”。在沉積層和“熱電離層”之間，形成一個低電導率的同心球殼層，即所謂的地殼波導。大多數地下傳播問題只涉及較淺的沉積岩層，波源可能在地表面以上，也可能在地下岩層或某種人為結構（包括礦井、隧道）之中。

主要傳播方式

①　穿過有損媒質的傳播：電波在半導電的沉積岩中傳播時，由於存在歐姆損耗而嚴重衰減。假設媒質均勻和導電電流遠大於位移電流，則平面波沿傳播路徑的衰減為指數型，衰減常數分貝/米，式中σ為電導率(西/米),f 為工作頻率(千赫)。在海水中,頻率為10千赫的電波的衰減率高達α≈3.5～3.8分貝/米。如要穿透幾百米的岩層或海水,一般採用10千赫以下直至幾十赫的頻率。在軍事坑道和潛艇等收發兩端（或僅接收端）處於淺地層或海水中時，電波自地下穿出以側波（或地面發射天線的地表面波）方式沿地面傳播，或先以天波傳播方式經電離層反射，然後滲入地下（海水）到達接收點。

地下電波傳播

②　沿低電導率層的傳播：在煤、鹽等礦層中，常常出現中間層電導率較低而上、下層電導率較高的情況。例如，媒層σ=10-4 西/米，岩鹽層σ≈10-6西/米，而上覆蓋層和基底層的電導率為10-2西/米量級,因而構成有損介質平板波導，可引導中、低頻或高頻電波以橫電磁波模傳播。工作頻率一般選用 0.5～10兆赫。具體選擇根據媒層的電導率和厚度而定。試驗表明，當存在岩鹽層時，發射功率為幾瓦的小型短波通信機，其通信距離可達十多公里。在3～5公里以下可能存在的厚度為幾公里至幾十公里的地殼波導，有可能引導幾千赫以下的極低頻電波,以橫電磁波模傳播較遠的距離。當頻率f=100～1赫時,此波導模衰減率相應地為α≈0.2～0.02分貝/公里。隨著頻率和電導率的降低以及波導厚度和面壁電導率的增加，傳播衰減率趨於減小。雖然地殼波導傳播的衰減率較地－電離層波導的衰減率高兩個數量級，但因地殼波導中的自然和人為噪聲功率比地面上的小80分貝以上，故若採用鑽井，將垂直極化收發天線伸進波導空間，則在理想情況下有可能達到幾百公里的傳播距離。但有二個主要問題：一是很難將大功率信號輸送至幾公里深處；二是某些地區的花崗岩層可能出現深陷和斷裂，將會嚴重阻礙電波的傳播。

③　以地下人為巷道作為空波導的傳播：地下巷道一般可理想化為有損矩形（或半圓形）波導。由於波模耦合而與理想導電壁波導不同，其中不能區分橫電波模或橫磁波模，理論上難於嚴格求解。實際上，對應於一般巷道的幾何尺寸與電特性，電波的截止頻率為幾十兆赫左右。當工作頻率遠高於截頻時，波導模衰減率減小，可同時存在大量的波導模。 400～1000兆赫頻段的實例研究表明,當頻率太高時，巷道壁不光滑的散射損耗,以及障礙和彎曲所引起的衰減會明顯增加，故工作波段以70～150兆赫為宜。

④　泄漏饋電傳輸：由於巷道作為空波導時存在截止頻率，且頻率增高時壁的散射和障礙影響增大，為克服這兩個缺點，可沿巷道軸向懸掛泄漏電纜，以引導電磁波的傳播。這實質上是一種半有線半無線的傳播方式，能在一定程度上擴展巷道中電波傳播的距離，以滿足移動業務的需要。泄漏電纜大致可分為兩類：一類是連續泄漏電纜，其外導體為帶孔的編織線或具有均勻分布的各種形狀的開口；另一類是離散泄漏電纜，即採用完全螢幕蔽的電纜，而在需要的點（或等間距點）上接入各種泄漏單元，稱為泄漏節或轉換器。最簡單的泄漏節為外導體具有環形開口的一段電纜。當泄漏電纜軸向架設於巷道內時，輸入端的發生器或移動的發射天線能同時激起兩種模：一種為單線模，其主要能量分布於電纜外部，並具有向內部的泄漏，其場結構類似於以巷道壁作回線的單導線所引導的橫電磁波模；另一種為同軸模，即一般同軸線內的橫電磁波模，其主要能量分布於電纜屏柵內，同時具有向外的泄漏場。因為同軸模的衰減率遠小於單線模，經過一段距離後，巷道空間可接收的波場基本上由同軸模的泄漏場維持。因此，減小同軸模的傳播衰減和增強收發天線對同軸模的耦合是這種傳輸的基本問題。工作頻率低於巷道截止頻率時，同軸模的泄漏場以單線模形式提供耦合場,頻率通常選用5～10兆赫；工作頻率高於截止頻率時，則通過整個系統（包括巷壁的不規則性和泄漏節的間斷）的不連續性，引起輻射，從而形成波導模提供耦合場，選用的頻率要比空巷道時的頻率高，一般為400～1000兆赫。

⑤　地下不均勻結構和異物的反射和散射：這涉及正散射和逆散射（或反演）問題。所謂正散射問題，即已知媒質的電特性、幾何結構以及源特性，求解場的分布特性，亦即經典的電波傳播問題。逆散射問題是已知波場特性（通過某些波場參量的測量），求解地層中電參數分布特性，從而獲得有關地質構造和埋地特異物體的信息。逆散射的求解基於正散射問題的解決，但由於存在不定性而比正散射問題困難得多。一般需要合理地假定一些結構模式，從理論上求出時域、頻域或空域中有關正散射的場特性,通過與相應的測量數據相擬合,從而反演地下目標。在這個問題中結構模式大致分為兩類：一類為水平分層有損半空間，有時還考慮水平方向的各向異性；另一類為水平分層半空間有損介質中埋有各種異物。

測量方法

大體上可分成兩類。一類是鑽井法，分單井和多井，井中配備可升降的收發設備，通過電波衰減的空間變化得出周圍介質電特性分布，從而對礦體結構作出判斷。另一類是地面（包括機載）測量法，具體方法較多，主要有三種。①比值法：測量地波（即沿地表面傳播的波）兩個場分量的比值沿地面或隨頻率的變化。包括波傾角法和表面阻抗法，前者對低頻準確度差。波源可以是人工源，也可為自然源（如雷電輻射和地磁微脈動）。②相干法：沿地面按發射機射徑方向移動接收機（或收發點固定而改變頻率），收測地表面波和地下層狀結構反射波，觀測合成波的射頻相干條紋，以確定冰層或地下物結構。③脈衝法：利用有限寬度的脈衝，基於反射（或散射）波形的時間回響（或通過譜分析提取散射體的諧振頻率回響）確定地層結構特性。脈衝法又可分為微波地質雷達法和譜中心在甚低頻和極低頻的視頻脈衝法。前者用於探測淺地層內目標,精度較高,並可採用微波全息技術；後者用於探測較深目標，精度低。