復雜礦井巷道中電磁波傳播特性及相關技術研究.pdf

1、空間受限的電磁波傳播環(huán)境是礦井巷道電磁波傳播的基本特征，受巷道中各種因素的嚴重影響，電磁波在巷道中不能很好地傳播。本文旨在對巷道空間結構變化下的電磁波傳播特性以及礦井環(huán)境參數(shù)對傳播衰減的影響進行系統(tǒng)研究，建立巷道電磁波傳播的一般預測模型，為礦井無線通信系統(tǒng)的規(guī)劃設計、進一步提高通信可靠性和質量、解決抗多徑衰落技術難題等提供必要的理論支持。主要思路和研究內(nèi)容有以下幾個方面：
　　 (1)空直礦井巷道電磁波傳播特性
　　 基

2、于宏觀相似性，論文將礦井巷道看作是含有有損介質的波導，采用波導模式匹配WGMD(wave-guide mode matching)理論分析空直類矩巷道中電磁波傳播的一般規(guī)律，得出礦井巷道電磁波傳播有兩種場型：E(h)mn模和E(v)mn模，推導出不同邊界條件下各傳輸模的傳播常數(shù)、傳輸截止頻率的計算公式和衰減率近似解，分析了空直巷道中的電磁波能量損耗。并利用基爾霍夫近似法研究了礦井巷道不規(guī)則粗糙面的電磁散射問題，推導出水平極化和垂直極化的

3、散射系數(shù)，數(shù)值模擬了不同極化方式的電磁散射特性。
　　 (2)巷道環(huán)境因素對傳輸特性的影響
　　 論文分析了礦井巷道四壁材料電參數(shù)隨著地層壓力、開采深度、材料結構的變化規(guī)律，推導出不同異型巷道的電磁波波模方程和傳輸常數(shù)，用有限元方法分析了金屬單體支柱和礦井運輸機車對傳輸截止頻率的影響，并數(shù)值模擬了復雜環(huán)境下巷道截面尺寸與電磁波的傳播模式、波模截止頻率之間、以及變化的環(huán)境電磁參數(shù)與電磁波信噪比衰減之間的關系。
　　

4、 (3)多徑信道傳播模型的建立
　　 論文綜合考慮了巷道壁的介電常數(shù)等環(huán)境因素的影響，討論了波導模式匹配方法和光波導中的射線光學方法(ray tracing)在預測巷道中電磁波場強分布的優(yōu)缺點，得出波導模式匹配方法適用于遠源區(qū)的場強預測，在近源區(qū)更適用射線跟蹤技術進行場強預測的結論，并利用射線跟蹤技術建立了礦井巷道的近源區(qū)多徑信道預測模型，提出了三維空間的鋸齒螺旋射線傳播總路徑和入射角、反射角的計算方法，討論了巷道形狀與傳輸頻率

5、、傳輸損耗的變化關系式。
　　 (4)基于MIMO的抗多徑衰落技術
　　 論文對類矩礦井巷道特定頻段電磁波的大尺度和小尺度傳輸損耗特性進行了分析，提出收發(fā)兩端采用陣列結構的MIMO技術方案用于提高礦井無線通信系統(tǒng)抗多徑衰落性能的方法，并建立了兩種礦井MIMO信道模型。分析了收發(fā)天線的空間相關性對系統(tǒng)性能的影響，最后提出了一種在發(fā)射功率受限條件下比特功率遞增分配算法。
　　 (5)導行電磁波的傳播特性
　　

6、 分析了巷道中導行電磁波的傳播特性，用細導線的表面阻抗近似方法簡化井下巷道復雜的電纜表面邊界條件描述，采用細電纜近似方法推導了含有軸向導體的巷道導行波的傳輸衰減近似解，最后研究了漏泄同軸電纜的傳遞特性，分析了單線波模和雙線波模的傳播特性，推導出了兩種波模的波動方程。
　　 論文以一般性的空直類矩礦井巷道為研究目標，通過分析復雜礦井巷道的電磁波傳播特性、環(huán)境因素對傳輸特性的影響，揭示了復雜環(huán)境的礦井電磁波傳播機理，并提出了抗多徑衰