本文關(guān)鍵詞：鉆地電磁波信號透地傳輸機(jī)理研究

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【摘要】：科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得無線通信被人們所熟知,各種高科技無線通信產(chǎn)品正影響著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗Ｍ瑯拥?在地質(zhì)工程等領(lǐng)域,無線通信技術(shù)也逐步被采納并應(yīng)用到相關(guān)產(chǎn)品中去,使得地質(zhì)工程向信息化和智能化的方向發(fā)展。在鉆探過程中,經(jīng)常會遇到鉆孔傾斜、彎曲等偏離原鉆孔軌跡的情況,這給整個施工作業(yè)帶來了很大的困擾。如能夠?qū)崟r的將地下的鉆進(jìn)參數(shù)傳遞到地面,進(jìn)而及時的糾正鉆孔軌跡,則會大大的防止鉆孔軌跡偏離的情況發(fā)生。因此隨鉆測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,而鉆地信號的透地傳輸問題則是隨鉆測量技術(shù)研究的關(guān)鍵。與其他形式的透地通信相比,電磁波信號的無線透地通信具有傳輸速率快、穩(wěn)定性高和不需要專屬信道等特點(diǎn),是鉆地信號透地傳輸?shù)氖走x。該技術(shù)將電磁波作為信號載體,通過電磁波收發(fā)裝置能實(shí)時的在地下與地面之間實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸。除了鉆探領(lǐng)域中的無線電磁波隨鉆測量技術(shù)以外,鉆地電磁波信號透地傳輸技術(shù)在地質(zhì)工程的其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。在采礦領(lǐng)域,利用電磁波信號透地傳輸技術(shù)開發(fā)的礦井透地通信系統(tǒng)可以使地面工作人員隨時對井下作業(yè)人員進(jìn)行監(jiān)管,也能在發(fā)生危機(jī)時及時做到疏散和救援。在非開挖中,安裝在鉆頭位置的導(dǎo)航儀中的電磁波信號發(fā)生器能實(shí)時的將各種鉆進(jìn)信息傳輸?shù)降孛嫔?從而實(shí)現(xiàn)對鉆孔的監(jiān)控導(dǎo)向。在巖土工程勘查中,可以利用電磁波無線透地通信技術(shù)將靜力觸探儀等設(shè)備的地下探頭采集到的信息實(shí)時的傳輸?shù)降孛?既穩(wěn)定可靠又節(jié)省人力物力。與廣播和移動電話等傳統(tǒng)的無線通信形式相比,電磁波無線透地通信系統(tǒng)以大地為傳播媒質(zhì),情況要復(fù)雜的多。由于信號在大地媒質(zhì)中衰減嚴(yán)重,多數(shù)時候只能采用超低頻及極低頻信號,因此所使用天線的尺寸與電磁波的波長相比都屬于電小尺寸,并且所接收到的信號范圍都屬于電小天線的近場。目前國內(nèi)外不乏對電磁波信號無線透地傳輸系統(tǒng)的研究實(shí)例,但是由于大地媒質(zhì)的復(fù)雜性和電小天線近場分布的不確定性,該技術(shù)目前尚不成熟。在電磁波信號透地傳輸領(lǐng)域,由于邊界條件復(fù)雜,用嚴(yán)格的解析方法獲得精確的解十分困難。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,用數(shù)值分析的方法求解電磁波信號透地傳輸中的電磁場問題成為了新的研究趨勢。本文將大地媒質(zhì)中的電小天線作為研究對象,對其近場的分布情況進(jìn)行了分析,探討了其透地傳輸電磁波信號的規(guī)律,并基于實(shí)際工程的需要,將電磁波信號透地傳輸技術(shù)應(yīng)用到電磁波隨鉆測量等工程實(shí)例中。在具體的理論分析中,根據(jù)電磁波信號透地傳輸系統(tǒng)中工作頻率的特點(diǎn),選用準(zhǔn)靜態(tài)理論對數(shù)值求解過程中遇到的索末菲積分進(jìn)行計(jì)算,在確保精度的條件下簡化了計(jì)算過程。將電磁相似理論引入到實(shí)驗(yàn)研究中,利用電磁縮比模型實(shí)驗(yàn)研究了地下電小天線的透地通信情況,從而得出了原型系統(tǒng)中天線透地傳輸電磁波信號的情況。針對鉆地電磁波信號無線透地傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及實(shí)際需要,本文從電磁波傳播及天線的基本理論入手,對大地媒質(zhì)中電小天線的透地傳輸規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,文章共分為七章,每章內(nèi)容如下：第一章主要闡述了鉆地電磁波信號透地傳輸?shù)难芯勘尘啊⒛康暮鸵饬x,根據(jù)電磁波透地通信系統(tǒng)、有耗媒質(zhì)中天線以及天線的近場等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析指出了目前電磁波信號透地傳輸中存在的問題及發(fā)展趨勢。第二章介紹了麥克斯韋方程組、媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系、電磁場各物理量之間滿足的波動方程、位函數(shù)理論以及媒質(zhì)分界面上場的邊界條件等電磁波基礎(chǔ)理論,并且對大地媒質(zhì)的電磁特性做了分析,在此基礎(chǔ)上研究了平面電磁波在大地媒質(zhì)中的傳播特性和超低頻極低頻電磁波在大地媒質(zhì)中的衰減規(guī)律。第三章首先介紹了無界空間中點(diǎn)源的格林函數(shù)和矢量磁位的解,在此基礎(chǔ)上研究了矢量磁位在媒質(zhì)分界面上的邊界條件以及求解電磁場問題的鏡像法。利用上述理論和方法,對半無限有耗媒質(zhì)中的垂直電偶極子和水平電偶極子的矢量磁位進(jìn)行了分析,得出了半無限媒質(zhì)中源所激勵的場的解析式。作為深入研究,本章還對三層媒質(zhì)和多層媒質(zhì)中的垂直電偶極子和水平電偶極子的矢量磁位進(jìn)行了分析,并得到了三層媒質(zhì)中源所激勵的場的解析解以及多層媒質(zhì)中源的矢量磁位的求解方法。第四章首先對矩量法等分析線天線的方法進(jìn)行了介紹,對線天線的電場積分方程進(jìn)行了推導(dǎo),并根據(jù)本研究中天線的工作頻率特點(diǎn)選用準(zhǔn)靜態(tài)理論對積分方程中難以計(jì)算的索末菲積分進(jìn)行了近似處理。在上述分析基礎(chǔ)上,本章對大地媒質(zhì)中的垂直線天線和水平線天線進(jìn)行了數(shù)值求解,包括天線表面的電流分布情況、天線在地面處產(chǎn)生的電場的分布情況以及地面上接收到電壓的分布情況。作為線天線在地質(zhì)工程中的應(yīng)用實(shí)例,本章還對電磁波隨鉆測量模型進(jìn)行了分析,并得出了模型中天線表面的電流分布情況、地面處電場的分布情況以及測量電壓的分布情況。第五章主要研究了大地媒質(zhì)中線天線的影響因素,包括天線的尺寸等來自天線自身的因素和媒質(zhì)的電磁特性參數(shù)等來自外部環(huán)境的因素。通過對大地媒質(zhì)中垂直線天線和水平線天線的討論分析,發(fā)現(xiàn)天線的長度、工作頻率以及媒質(zhì)的電導(dǎo)率對天線所激發(fā)場的影響較大,而媒質(zhì)的介電常數(shù)對場的影響非常微小。另外還分別研究了垂直線天線和水平線天線位于大地媒質(zhì)不同放置深度時場的變化情況以及饋電點(diǎn)位于天線不同位置時天線表面的電流分布情況。第六章首先介紹了縮比模型實(shí)驗(yàn)的原理,以及本實(shí)驗(yàn)采用縮比模型的意義及可行性,隨后介紹了實(shí)驗(yàn)所用到的器材和測量設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)的過程,最后對實(shí)驗(yàn)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過此縮比模型實(shí)驗(yàn)的研究,可以得出相應(yīng)比例的原型系統(tǒng)中天線透地傳輸信號的情況。第七章對本文的研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),針對研究中的一些問題給出了部分建議,并對電磁波鉆地信號透地傳輸?shù)难芯亢蛻?yīng)用前景進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：鉆地電磁波信號 透地通信 電小天線
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P634;P631.3
【目錄】：

• 作者簡介6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 緒論16-27
• §1.1 問題的提出16-17
• §1.2 鉆地電磁波信號透地傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 電磁波信號透地傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 有耗媒質(zhì)中天線的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.2.3 天線近場問題的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.4 電磁波信號透地傳輸存在問題及發(fā)展趨勢23-24
• §1.3 本文的主要內(nèi)容和研究思路24-27
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容24-25
• 1.3.2 研究方法及技術(shù)路線25-27
• 第二章 電磁波在大地媒質(zhì)中的傳播27-44
• §2.1 電磁波的基礎(chǔ)理論27-34
• 2.1.1 麥克斯韋方程組27-29
• 2.1.2 媒質(zhì)本構(gòu)方程29-30
• 2.1.3 波動方程30-31
• 2.1.4 位函數(shù)理論31-33
• 2.1.5 媒質(zhì)分界面上場的邊界條件33-34
• §2.2 大地媒質(zhì)的電磁特性參數(shù)34-37
• 2.2.1 媒質(zhì)的電磁特性參數(shù)34-35
• 2.2.2 大地媒質(zhì)的電磁特性參數(shù)35-37
• §2.3 電磁波在大地媒質(zhì)中的傳播37-43
• 2.3.1 平面電磁波在大地媒質(zhì)中的傳播37-40
• 2.3.2 超低頻極低頻電磁波在大地媒質(zhì)中的傳播規(guī)律40-43
• §2.4 本章小結(jié)43-44
• 第三章 分層有耗媒質(zhì)中的源44-70
• §3.1 無界空間中波動方程的解44-46
• 3.1.1 無界空間中的格林函數(shù)44-46
• 3.1.2 無界空間中矢量磁位的解46
• §3.2 矢量磁位的邊界條件46-48
• §3.3 求解電磁場問題的鏡像法48-50
• §3.4 半無限媒質(zhì)中垂直電偶極子的場50-53
• 3.4.1 半無限媒質(zhì)中垂直電偶極子的矢量磁位50-52
• 3.4.2 半無限媒質(zhì)中垂直電偶極子的場52-53
• §3.5 半無限媒質(zhì)中水平電偶極子的場53-58
• 3.5.1 半無限媒質(zhì)中水平電偶極子的矢量磁位53-56
• 3.5.2 半無限媒質(zhì)中水平電偶極子的場56-58
• §3.6 水平三層媒質(zhì)中垂直電偶極子的場58-61
• §3.7 水平三層媒質(zhì)中水平電偶極子的場61-65
• §3.8 水平多層媒質(zhì)中垂直電偶極子的場65-67
• §3.9 水平多層媒質(zhì)中水平電偶極子的場67-69
• §3.10 本章小結(jié)69-70
• 第四章 大地媒質(zhì)中線天線的數(shù)值解70-97
• §4.1 線天線的分析70-73
• 4.1.1 線天線的分析方法70-71
• 4.1.2 矩量法71-73
• 4.1.3 基函數(shù)和測試函數(shù)73
• §4.2 線天線的電場積分方程73-76
• 4.2.1 電場積分方程74-75
• 4.2.2 波克林頓積分方程75-76
• §4.3 索末菲積分76-79
• §4.4 大地媒質(zhì)中垂直線天線的數(shù)值解79-85
• 4.4.1 大地媒質(zhì)中垂直線天線的模型80-81
• 4.4.2 大地媒質(zhì)中垂直線天線的數(shù)值解81-84
• 4.4.3 對垂直線天線數(shù)值解的驗(yàn)證84-85
• §4.5 大地媒質(zhì)中水平線天線的數(shù)值解85-92
• 4.5.1 大地媒質(zhì)中水平線天線的模型85-86
• 4.5.2 大地媒質(zhì)中水平線天線的數(shù)值解86-91
• 4.5.3 對水平線天線數(shù)值解的驗(yàn)證91-92
• §4.6 線天線在地質(zhì)工程中的應(yīng)用92-95
• 4.6.1 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)的模型92-93
• 4.6.2 非對稱線天線的數(shù)值解93-95
• §4.7 本章小結(jié)95-97
• 第五章 大地媒質(zhì)中線天線的影響因素97-111
• §5.1 大地媒質(zhì)中垂直線天線的影響因素97-103
• 5.1.1 天線長度對垂直線天線的影響97-98
• 5.1.2 工作頻率對垂直線天線的影響98-99
• 5.1.3 大地媒質(zhì)參數(shù)對垂直線天線的影響99-101
• 5.1.4 天線放置深度對垂直線天線的影響101-102
• 5.1.5 饋電點(diǎn)位置對垂直線天線的影響102-103
• §5.2 大地媒質(zhì)中水平線天線的影響因素103-110
• 5.2.1 天線長度對水平線天線的影響103-104
• 5.2.2 工作頻率對水平線天線的影響104-106
• 5.2.3 大地媒質(zhì)參數(shù)對水平線天線的影響106-108
• 5.2.4 天線放置深度對水平線天線的影響108-110
• 5.2.5 饋電點(diǎn)位置對水平線天線的影響110
• §5.3 本章小結(jié)110-111
• 第六章 大地媒質(zhì)中線天線的縮比實(shí)驗(yàn)研究111-123
• §6.1 縮比模型實(shí)驗(yàn)的基本理論111-114
• 6.1.1 縮比模型實(shí)驗(yàn)的意義111
• 6.1.2 縮比模型成立的條件111-114
• §6.2 實(shí)驗(yàn)方案及所用器材和設(shè)備114-116
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)方案114-115
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)器材及設(shè)備115-116
• §6.3 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析116-121
• 6.3.1 實(shí)驗(yàn)過程116-117
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析117-121
• §6.4 本章小結(jié)121-123
• 第七章 結(jié)論與展望123-126
• §7.1 主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)123-124
• 7.1.1 主要研究成果123
• 7.1.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)123-124
• §7.2 展望與建議124-126
• 致謝126-127
• 參考文獻(xiàn)127-135

【引證文獻(xiàn)】

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李朝暉;孟祥軍;郭艾東;張申;;煤礦井下無線通信天線方向圖的測量[A];第十二屆全國煤礦自動化學(xué)術(shù)年會論文專輯[C];2002年

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本文編號：558556