地表下甚低频耦合通信系统及关键技术研究

发布时间：2019-02-19 12:19

【摘要】：伴随着现代工业对地下空间及资源开发利用,地下设备设施监测、矿井应急救援、环境位置感知等应用对地表下的通信系统提出了更高的要求。但是地层中难以敷设的通信线路,某些特定情况下有线通讯中断的现实,使得有效解决无线地下通信成为极具意义的研究课题。然而地层对高频无线信号衰减极高,传统射频通信系统的通信距离被限制在几米范围内,远不能满足实际场景的需求。采用甚低频、超低频波段后理论上可以获得更有效信号传输。本论文面向矿山应急通信、石油随钻测量、地质监测、井下人员定位等应用,针对基于环形天线及耦合波导的甚低频耦合通信系统进行了一系列的研究,具体研究内容如下:(1)地表下甚低频耦合通信信道模型及通信系统结构研究电磁信号在由土壤、岩层、砂石、水分等组成地层中的传播衰减极大。论文对基于对成层介质条件下垂直磁偶极子的辐射场进行理论分析并建立数学仿真模型,对地层中不同频率电磁波的传播情况进行仿真,进而建立甚低频耦合信号的传播模型;对甚低频波段的噪声源进行辨识和分析,确定噪声模型及相关参数;并在信道研究基础上给出甚低频耦合通信系统的结构组成及系统模型;最后设计实验系统进行了系统功能验证。(2)针对甚低频严重的非高斯噪声干扰提出并研究了基于双环天线的主动降噪方法非高斯噪声是甚低频波段的主要噪声成分,时域中表现为大量随机发生的极高幅值的尖峰脉冲,即使经过非线性限幅,仍然会在窄带接收机中产生较强的暂态效应,难以通过线性滤波消除干扰。在不同环境下对甚低频通信系统的噪声进行大量测量和统计特征分析,讨论了接收系统及接收天线的设计方案,提出基于双环天线主动降噪方法。该方法对宽带环形天线接收的非高斯噪声信号进行时间窗提取,通过窄带接收系统模型对非高斯脉冲进行处理并得到纯噪声样本,经幅度均衡、移相处理后,与有用信号进行相减,实现对非高斯噪声暂态效应的抑制。该方法在发射功率及信号带宽受限的条件下,有效提高了甚低频耦合通信的信道容量。(3)面向矿山救援研究并实现了长距离双向透地耦合通信系统基于甚低频耦合通信系统模型,在地下空间狭窄、发射功率受限的条件下对双向透地通信系统设计依据和设计原则进行分析,完成长距离耦合通信系统各功能模块的设计和电路实现,包括发射机、接收机、发射天线、接收天线、大功率驱动电路等,提出并实现了适用于甚低频窄带系统的高效调制及信道编码方案;在矿山实际的现场完成了达323米的透地通信实验,对系统性能指标进行了验证。(4)研究了基于耦合波导的甚低频网络通信技术面向石油随钻测量、地下管线智能监测、地下环境感知等应用,研究耦合波导理论,通过地表下已有的钻杆、管线等结构,或地表下敷设的周期性导体结构,进行耦合波传播,建立通信网络。在一维磁感应波导基础上提出一维电容耦合波导结构,实现石油钻具数据的高速传输;以栅格周期性二维结构为例提出基于平面波展开的二维耦合波传播分析方法,大幅提高了二维耦合波的求解速度,提出二维蜂窝结构波导模型,在各个传播方向上实现更均一的带宽、群速;最终建立实验平台和时域仿真模型,验证了甚低频耦合波一维、二维传播模型的有效性和可行性,为建立地下长距离管线通信和地下无线网络建立了一定的理论基础。本论文的研究,为地表下长距离耦合通信及大面积网络监测建立了理论基础并提供设计依据,关于地表下电磁信号幅度分布及降噪理论的研究成果,可推广到地下人员及设施坐标定位、地表下无线供能,及水下通信等领域,同样具有可用的理论及应用价值。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.4

【参考文献】