【摘要】：伴隨著現(xiàn)代工業(yè)對地下空間及資源開發(fā)利用,地下設(shè)備設(shè)施監(jiān)測、礦井應(yīng)急救援、環(huán)境位置感知等應(yīng)用對地表下的通信系統(tǒng)提出了更高的要求。但是地層中難以敷設(shè)的通信線路,某些特定情況下有線通訊中斷的現(xiàn)實,使得有效解決無線地下通信成為極具意義的研究課題。然而地層對高頻無線信號衰減極高,傳統(tǒng)射頻通信系統(tǒng)的通信距離被限制在幾米范圍內(nèi),遠不能滿足實際場景的需求。采用甚低頻、超低頻波段后理論上可以獲得更有效信號傳輸。本論文面向礦山應(yīng)急通信、石油隨鉆測量、地質(zhì)監(jiān)測、井下人員定位等應(yīng)用,針對基于環(huán)形天線及耦合波導的甚低頻耦合通信系統(tǒng)進行了一系列的研究,具體研究內(nèi)容如下:(1)地表下甚低頻耦合通信信道模型及通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究電磁信號在由土壤、巖層、砂石、水分等組成地層中的傳播衰減極大。論文對基于對成層介質(zhì)條件下垂直磁偶極子的輻射場進行理論分析并建立數(shù)學仿真模型,對地層中不同頻率電磁波的傳播情況進行仿真,進而建立甚低頻耦合信號的傳播模型;對甚低頻波段的噪聲源進行辨識和分析,確定噪聲模型及相關(guān)參數(shù);并在信道研究基礎(chǔ)上給出甚低頻耦合通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及系統(tǒng)模型;最后設(shè)計實驗系統(tǒng)進行了系統(tǒng)功能驗證。(2)針對甚低頻嚴重的非高斯噪聲干擾提出并研究了基于雙環(huán)天線的主動降噪方法非高斯噪聲是甚低頻波段的主要噪聲成分,時域中表現(xiàn)為大量隨機發(fā)生的極高幅值的尖峰脈沖,即使經(jīng)過非線性限幅,仍然會在窄帶接收機中產(chǎn)生較強的暫態(tài)效應(yīng),難以通過線性濾波消除干擾。在不同環(huán)境下對甚低頻通信系統(tǒng)的噪聲進行大量測量和統(tǒng)計特征分析,討論了接收系統(tǒng)及接收天線的設(shè)計方案,提出基于雙環(huán)天線主動降噪方法。該方法對寬帶環(huán)形天線接收的非高斯噪聲信號進行時間窗提取,通過窄帶接收系統(tǒng)模型對非高斯脈沖進行處理并得到純噪聲樣本,經(jīng)幅度均衡、移相處理后,與有用信號進行相減,實現(xiàn)對非高斯噪聲暫態(tài)效應(yīng)的抑制。該方法在發(fā)射功率及信號帶寬受限的條件下,有效提高了甚低頻耦合通信的信道容量。(3)面向礦山救援研究并實現(xiàn)了長距離雙向透地耦合通信系統(tǒng)基于甚低頻耦合通信系統(tǒng)模型,在地下空間狹窄、發(fā)射功率受限的條件下對雙向透地通信系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)和設(shè)計原則進行分析,完成長距離耦合通信系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計和電路實現(xiàn),包括發(fā)射機、接收機、發(fā)射天線、接收天線、大功率驅(qū)動電路等,提出并實現(xiàn)了適用于甚低頻窄帶系統(tǒng)的高效調(diào)制及信道編碼方案;在礦山實際的現(xiàn)場完成了達323米的透地通信實驗,對系統(tǒng)性能指標進行了驗證。(4)研究了基于耦合波導的甚低頻網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)面向石油隨鉆測量、地下管線智能監(jiān)測、地下環(huán)境感知等應(yīng)用,研究耦合波導理論,通過地表下已有的鉆桿、管線等結(jié)構(gòu),或地表下敷設(shè)的周期性導體結(jié)構(gòu),進行耦合波傳播,建立通信網(wǎng)絡(luò)。在一維磁感應(yīng)波導基礎(chǔ)上提出一維電容耦合波導結(jié)構(gòu),實現(xiàn)石油鉆具數(shù)據(jù)的高速傳輸;以柵格周期性二維結(jié)構(gòu)為例提出基于平面波展開的二維耦合波傳播分析方法,大幅提高了二維耦合波的求解速度,提出二維蜂窩結(jié)構(gòu)波導模型,在各個傳播方向上實現(xiàn)更均一的帶寬、群速;最終建立實驗平臺和時域仿真模型,驗證了甚低頻耦合波一維、二維傳播模型的有效性和可行性,為建立地下長距離管線通信和地下無線網(wǎng)絡(luò)建立了一定的理論基礎(chǔ)。本論文的研究,為地表下長距離耦合通信及大面積網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測建立了理論基礎(chǔ)并提供設(shè)計依據(jù),關(guān)于地表下電磁信號幅度分布及降噪理論的研究成果,可推廣到地下人員及設(shè)施坐標定位、地表下無線供能,及水下通信等領(lǐng)域,同樣具有可用的理論及應(yīng)用價值。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.4

【參考文獻】

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本文編號：2426496