38120字硕士毕业论文矿井通信巷道中无线电波传播分析

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：38120字

论点：矿井,巷道,电磁波

论文概述：

本文以矿井巷道的电磁波传输特性为研究对象，运用 Marcartili 等效近似分析方法推导出理想矩形巷道的电磁场各分量，并推导出通用的截止频率、传输常数的数学表达式。分析了讨论了电磁波在

论文正文：

第一章导言

1.1选题的背景和意义
煤炭作为当今我国的主要能源，在我国的经济建设中发挥着不可或缺的作用。在采矿工程中，由于机械化和自动化程度的不断提高，各种信息的传输需要一个高度可靠、高效的矿井通信系统来保证矿井安全生产、安全管理、应急救援和救灾的顺利进行。一旦发生紧急情况，在紧急救援和救灾过程中，缺乏灵活有效的矿井通信系统，无法准确掌握巷道灾害的程度和矿工的健康状况，矿井内部与地面之间的通信也无法及时进行，从而延误了矿井紧急救援和救灾的最佳时间，给矿工的生命安全和国家财产安全带来巨大的安全风险。在国家安全生产监督管理局制定的《矿山救援发展十一五规划》中，煤矿井下电磁波传输的理论研究被明确作为重点研究方向。为了保证井下作业人员的安全，满足我国经济快速发展对增加矿产资源的需求，必须为矿山生产提供可靠、安全的通信系统。矿山生产的特殊性要求建立集监测、生产和通信于一体的矿山监测系统。现有的矿井监控系统以光纤传输为骨干，构建了抗干扰能力强、信号传输稳定的矿井综合通信网络。然而，考虑到矿井生产的实际情况，复杂的生产环境极大地限制了有线通信系统的功能，同时也存在布线项目复杂、灵活性不足等各种问题，影响了矿井通信系统的有效运行。无线矿井通信系统具有设备体积小、灵活性强、信道容量大的特点，与有线通信系统在系统功能和模式上相辅相成，大大提高了系统的可靠性和安全性。本文的研究目的是基于矿井无线通信技术的发展，研究矿井隧道电磁波传播理论，从而找到改善矿井无线通信的有效方法。

1.2现有矿井无线通信系统概述

1.2.1探地通信系统
(1)甚低频或超低频电磁波
许多学者对此通信系统[2]进行了深入研究。探地通信系统主要使用极低频(3KHz-30KHz)或超低频(300Hz-3KHz)电磁波与地球通信。地面穿透通信系统在地球表面建立大规模环形天线，并将接收器放置在不同的地下位置，以接收来自天线的辐射信号。透地通信系统主要由发射机、接收机、发射天线、接收天线和地面无线信道组成。广泛用于日常生产调度和矿山抢险救灾。一旦井下遇到紧急情况，有线通信系统无法有效运行，通过地面通信系统发出的超低频信号可以穿透岩层，保证井下与地面之间的应急通信，从而能够及时制定应急救灾对策，维护国家财产和矿工生命安全。

(2)弹性波透地通信弹性
波透地通信作为一种新的通信技术已经应用于矿井通信。其优点是弹性波以地球为传输介质，具有更好的传输特性，能获得更高的能量利用率，更容易与地球介质耦合。其缺点是弹性波在地球介质中传播过程中存在多种干扰，如多径效应、散射损耗大等现象。今天的弹性波透地通信系统还没有建立一个完善的系统。

1.2.2泄漏通信系统
泄漏通信系统作为一种有线地下通信方式，已经越来越成熟，并广泛应用于实际矿山作业中。泄漏通信技术[3]平行于巷道中心轴架设泄漏电缆，根据距离在泄漏电缆中形成缝隙，通过缝隙泄漏的电磁场进一步实现地面与地下、地下与地下之间的通信。漏泄同轴电缆综合了传输线和天线的特性。电磁能量集中在电缆内外导体的中间。电磁能通过电缆传输。漏泄通信系统采用树状组网方式，每500米有一个标准段，通过中继器双向延伸。地面基站是系统的控制中心。但是，由于系统过度依赖基站和双向中继器的功能，一旦这些设备出现问题，将会造成系统级影响。通过电缆作为传输介质，抗干扰能力强，信道容量大，传输质量好。但是，由于需要铺设专用电缆线路，架设工艺复杂，电缆容易损坏，维护成本高，系统建设存在诸多安全隐患，紧急情况下可靠性不高。

第二章矿井无线信道特性分析

本文主要讨论电磁波在地下隧道中的传输特性。有必要对无线信道的传输特性进行深入分析。在此基础上，分析了矿井的复杂因素，如矿井巷道的形状和大小、围岩参数、巷道支护等。，以进一步研究电磁波在矿井巷道中的传播。为了保证更好的通信质量，建立可靠的通信系统，有必要考虑无线信道的传播特性，建立无线信道的传输模型。

2.1无线信道传输特性
在无线移动通信过程中，信号主要通过电磁波传输。电磁波的主要传播方式包括反射、散射和衍射。发射器发射的信号通过各种障碍物到达接收器。每个信号在传播过程中的传播路径和传播延迟是不同的，到达接收器的幅度和相位也是不同的。接收信号的幅度和相位也会受到影响，导致随机波动。每个接收信号的功率也会在传输过程中造成不同程度的衰落，在矿井巷道中形成典型的多径效应。对于矿井无线信道，我们从大规模衰落特性和小规模衰落特性两个方面进行研究。大规模衰落(large scale fading)是指无线电波传播路径被山丘、建筑物等大障碍物阻挡时，阴影效应造成的衰落特性，它反映了发射机和接收机之间信号场强变化的大范围。小尺度衰落损耗(small scale fading loss)主要是当移动终端在小范围内移动时，接收场强的快速波动，这反映了在小微观范围内几十个波长的变化范围。

第三章空矩形巷道电磁波传输理论....13
3.1电磁波在空矩形波导中的固有传播理论....13
3.1.1麦克斯韦方程组....13
3.1.2马卡蒂近似分析.......15
3.1.3矩形矿井电磁波传输模式分析…… 17
3.2矿井巷道传输过程中电磁波能量损失…… 19
3.3矿井巷道多模式传输理论…… 27
3.4本章总结…… 31
第四章井下多径传播模型的信道建模与仿真分析.......32
4.1光线跟踪法的基本原理........32
4.2镜像法建立矿井无线信道模型.......33
4.3模型模拟和结果分析.......41
4.4本章摘要.......46
第五章矿井复杂因素对电磁波传输特性的影响……47
5.1矿山地层对电磁波传输的影响........47
5.2异常矿井巷道电磁波传输特征........52
5.3本章摘要……59

结论

在总结前人研究的基础上，研究了电磁波在各种矩形矿井巷道中的衰减，并分析了影响电磁波衰减的主要原因。通过射线追踪法的确定性算法，建立矩形矿井无线信道模型，利用Mtalab仿真工具模拟射线追踪图，预测巷道电磁波场强分布。研究了围岩电参数对电磁波传输的影响，分析了异常巷道条件下影响电磁波衰减的因素。第一章主要介绍了本课题的背景和意义，以及当前几种典型的矿井通信系统，比较了各种矿井通信系统的优缺点。考察了国内外矿山通信的研究现状。第二章分析了矿用无线信道的特点，描述了矿用无线信道有限空范围内大规模衰落和小规模衰落的典型损耗模型和关键参数，并通过时不变脉冲响应信道模型、Nakagami分布和脉冲干扰噪声描述了矿用无线信道模型。由于矿井隧道空的限制和复杂的环境，会出现多径效应，严重影响通信质量。第三章从空直隧道出发，采用马尔卡蒂里近似分析法对理想矩形矿井隧道进行分析，得到水平极化模式和垂直极化模式各场量的数学表达式。然后推导了各种模式下的传输模式衰减公式和截止频率公式，充分考虑了电磁波在矿井巷道传输过程中可能出现的倾角、支路损耗、粗损耗和天线插入损耗，并分析了影响各种损耗的因素。通过对多模传输理论的分析，得出仅基于基模的矿井电磁波传输特性分析不足以反映矿井电波传输的衰减特性的结论。将各种衰减推导为(m，n)阶，综合考虑各种损耗，得出矿井巷道无线电波传播的衰减理论。不同阶的传输模式具有不同的截止频率。高阶模式的截止频率高于(1，1)模式，矿井巷道中的倾斜损耗和半波天线插入损耗将随着频率的增加而逐渐增加，这与传输模式损耗和粗损耗相反。第四章利用光线追迹法的镜像原理建立矿井巷道通道模型。首先确定反射次数，求解镜像点，根据线段与平面的相交原理确定有效镜像点，得到光线的有效反射路径，对发射光线进行偏振处理，最后通过数学计算得到接收点的场强。通过对场强分布的模拟和预测，发现隧道横截面尺寸越大，无线电波传输距离越远，信号强度越高。如果接收器位于中心位置，可以获得具有较高场强幅度的接收信号。频率越高，电磁波的多径效应越明显，在近场区保持的距离越远。第五章分析了矿井巷道围岩电参数的近似数值范围。通过比较不同煤矿样品的干湿度和不同频率下的电参数，模拟环境的相对介电常数设定在1~30范围内，电导率设定在10 ~ 4 ~ 102s/m范围内。低电导率矿井巷道高频电磁波传输方式的衰减可以忽略，但当巷道壁电导率较高时(如铁矿、镍矿等巷道环境)，电波衰减率会迅速增加。水平极化波的衰减率受巷道两侧相对介电常数的影响很大，而垂直极化波的衰减率受巷道顶底板相对介电常数的影响很大。分析了无线电波在异形隧道中传播的衰减特性。隧道断面尺寸越大，射频越高，衰减率越小。

参考
[1]国家安全生产监督管理局。矿山救援“十一五”发展规划。[执行局/其他职等]。
[2]陈有耀、张英平、贾明涛。《煤矿井下通信系统与技术概述》，[。矿业快报，2008，08: 14-17。
[3]姚华杉。朱宗九。《漏泄同轴电缆的性能分析与应用》，煤矿机械，2003，07: 29-31。[/比尔/] [4]孙继平汪文华。[煤矿中频感应通信系统研究。煤矿自动化，2000，04: 9-12。[/比尔/] [5]江峰，张凌涛，何鹰巢。无线网络技术在[煤矿远程监控系统中的应用。煤矿安全，2010。3.62-65[/比尔/] [6]朱建明张清一。水平电偶极作用于层状介质的反演方法[。电波科学杂志，1998，4.371-376。[/比尔/] [7]孙继平，张传雷。梯形隧道横截面尺寸对电磁波传播特性的影响[。电子与信息杂志，2006。28(8):1504-1507。
[8]孙继平、程凌飞、张沈畅。引用该论文[。中国矿业大学学报，2005，34 (5): 596-599。
[9]孙继平、封德旺、郑赵文、任金标。矩形巷道导波特性的等效传输线分析[[]。煤炭工业杂志，2008。33(12):1438-1441。
[10]孙继平，程凌飞。电磁波在梯形巷道中传播的等效分析方法[[]。煤炭科学与技术，2006，34 (1): 81-83。