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《安徽大学》 2010年
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复杂矿井巷道中电磁波传播特性及相关技术研究

姚善化  
【摘要】:空间受限的电磁波传播环境是矿井巷道电磁波传播的基本特征,受巷道中各种因素的严重影响,电磁波在巷道中不能很好地传播。本文旨在对巷道空间结构变化下的电磁波传播特性以及矿井环境参数对传播衰减的影响进行系统研究,建立巷道电磁波传播的一般预测模型,为矿井无线通信系统的规划设计、进一步提高通信可靠性和质量、解决抗多径衰落技术难题等提供必要的理论支持。主要思路和研究内容有以下几个方面: (1)空直矿井巷道电磁波传播特性 基于宏观相似性,论文将矿井巷道看作是含有有损介质的波导,采用波导模式匹配WGMD(wave-guide mode matching)理论分析空直类矩巷道中电磁波传播的一般规律,得出矿井巷道电磁波传播有两种场型:Emn(h)模和Emn(v)模,推导出不同边界条件下各传输模的传播常数、传输截止频率的计算公式和衰减率近似解,分析了空直巷道中的电磁波能量损耗。并利用基尔霍夫近似法研究了矿井巷道不规则粗糙面的电磁散射问题,推导出水平极化和垂直极化的散射系数,数值模拟了不同极化方式的电磁散射特性。 (2)巷道环境因素对传输特性的影响 论文分析了矿井巷道四壁材料电参数随着地层压力、开采深度、材料结构的变化规律,推导出不同异型巷道的电磁波波模方程和传输常数,用有限元方法分析了金属单体支柱和矿井运输机车对传输截止频率的影响,并数值模拟了复杂环境下巷道截面尺寸与电磁波的传播模式、波模截止频率之间、以及变化的环境电磁参数与电磁波信噪比衰减之间的关系。 (3)多径信道传播模型的建立 论文综合考虑了巷道壁的介电常数等环境因素的影响,讨论了波导模式匹配方法和光波导中的射线光学方法(ray tracing)在预测巷道中电磁波场强分布的优缺点,得出波导模式匹配方法适用于远源区的场强预测,在近源区更适用射线跟踪技术进行场强预测的结论,并利用射线跟踪技术建立了矿井巷道的近源区多径信道预测模型,提出了三维空间的锯齿螺旋射线传播总路径和入射角、反射角的计算方法,讨论了巷道形状与传输频率、传输损耗的变化关系式。 (4)基于MIMO的抗多径衰落技术 论文对类矩矿井巷道特定频段电磁波的大尺度和小尺度传输损耗特性进行了分析,提出收发两端采用阵列结构的MIMO技术方案用于提高矿井无线通信系统抗多径衰落性能的方法,并建立了两种矿井MIMO信道模型。分析了收发天线的空间相关性对系统性能的影响,最后提出了一种在发射功率受限条件下比特功率递增分配算法。 (5)导行电磁波的传播特性 分析了巷道中导行电磁波的传播特性,用细导线的表面阻抗近似方法简化井下巷道复杂的电缆表面边界条件描述,采用细电缆近似方法推导了含有轴向导体的巷道导行波的传输衰减近似解,最后研究了漏泄同轴电缆的传递特性,分析了单线波模和双线波模的传播特性,推导出了两种波模的波动方程。 论文以一般性的空直类矩矿井巷道为研究目标,通过分析复杂矿井巷道的电磁波传播特性、环境因素对传输特性的影响,揭示了复杂环境的矿井电磁波传播机理,并提出了抗多径衰落技术研究方案,为解决矿井无线通信问题提供了相应的理论基础。
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