復(fù)雜礦井巷道中電磁波傳播特性及相關(guān)技術(shù)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(yán)重影響，電磁波在巷道中不能很好地傳播。本文旨在對(duì)巷道空間結(jié)構(gòu)變化下的電磁波傳播特性以及礦井環(huán)境參數(shù)對(duì)傳播衰減的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立巷道電磁波傳播的一般預(yù)測(cè)模型，為礦井無線通信系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、進(jìn)一步提高通信可靠性和質(zhì)量、解決抗多徑衰落技術(shù)難題等提供必要的理論支持。主要思路和研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)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(zhì)的波導(dǎo)，采用波導(dǎo)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(chǎng)型：E(h)mn模和E(v)mn模，推導(dǎo)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(jì)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(dǎo)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(duì)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(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，推導(dǎo)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(yùn)輸機(jī)車對(duì)傳輸截止頻率的影響，并數(shù)值模擬了復(fù)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(guān)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(dǎo)模式匹配方法和光波導(dǎo)中的射線光學(xué)方法(ray tracing)在預(yù)測(cè)巷道中電磁波場(chǎng)強(qiáng)分布的優(yōu)缺點(diǎn)，得出波導(dǎo)模式匹配方法適用于遠(yuǎn)源區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)，在近源區(qū)更適用射線跟蹤技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的結(jié)論，并利用射線跟蹤技術(shù)建立了礦井巷道的近源區(qū)多徑信道預(yù)測(cè)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(jì)算方法，討論了巷道形狀與傳輸頻率

5、、傳輸損耗的變化關(guān)系式。
　　 (4)基于MIMO的抗多徑衰落技術(shù)
　　 論文對(duì)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(jìn)行了分析，提出收發(fā)兩端采用陣列結(jié)構(gòu)的MIMO技術(shù)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(guān)性對(duì)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(dǎo)行電磁波的傳播特性
　　

6、 分析了巷道中導(dǎo)行電磁波的傳播特性，用細(xì)導(dǎo)線的表面阻抗近似方法簡(jiǎn)化井下巷道復(fù)雜的電纜表面邊界條件描述，采用細(xì)電纜近似方法推導(dǎo)了含有軸向?qū)w的巷道導(dǎo)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(dǎo)出了兩種波模的波動(dòng)方程。
　　 論文以一般性的空直類矩礦井巷道為研究目標(biāo)，通過分析復(fù)雜礦井巷道的電磁波傳播特性、環(huán)境因素對(duì)傳輸特性的影響，揭示了復(fù)雜環(huán)境的礦井電磁波傳播機(jī)理，并提出了抗多徑衰