钻地电磁波信号透地传输机理研究

发布时间：2017-07-18 16:09

  本文关键词：钻地电磁波信号透地传输机理研究

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【摘要】：科学技术的快速发展使得无线通信被人们所熟知,各种高科技无线通信产品正影响着我们日常生活的方方面面。同样的,在地质工程等领域,无线通信技术也逐步被采纳并应用到相关产品中去,使得地质工程向信息化和智能化的方向发展。在钻探过程中,经常会遇到钻孔倾斜、弯曲等偏离原钻孔轨迹的情况,这给整个施工作业带来了很大的困扰。如能够实时的将地下的钻进参数传递到地面,进而及时的纠正钻孔轨迹,则会大大的防止钻孔轨迹偏离的情况发生。因此随钻测量技术应运而生,而钻地信号的透地传输问题则是随钻测量技术研究的关键。与其他形式的透地通信相比,电磁波信号的无线透地通信具有传输速率快、稳定性高和不需要专属信道等特点,是钻地信号透地传输的首选。该技术将电磁波作为信号载体,通过电磁波收发装置能实时的在地下与地面之间实现信息的无线传输。除了钻探领域中的无线电磁波随钻测量技术以外,钻地电磁波信号透地传输技术在地质工程的其他领域也有着广泛的应用。在采矿领域,利用电磁波信号透地传输技术开发的矿井透地通信系统可以使地面工作人员随时对井下作业人员进行监管,也能在发生危机时及时做到疏散和救援。在非开挖中,安装在钻头位置的导航仪中的电磁波信号发生器能实时的将各种钻进信息传输到地面上,从而实现对钻孔的监控导向。在岩土工程勘查中,可以利用电磁波无线透地通信技术将静力触探仪等设备的地下探头采集到的信息实时的传输到地面,既稳定可靠又节省人力物力。与广播和移动电话等传统的无线通信形式相比,电磁波无线透地通信系统以大地为传播媒质,情况要复杂的多。由于信号在大地媒质中衰减严重,多数时候只能采用超低频及极低频信号,因此所使用天线的尺寸与电磁波的波长相比都属于电小尺寸,并且所接收到的信号范围都属于电小天线的近场。目前国内外不乏对电磁波信号无线透地传输系统的研究实例,但是由于大地媒质的复杂性和电小天线近场分布的不确定性,该技术目前尚不成熟。在电磁波信号透地传输领域,由于边界条件复杂,用严格的解析方法获得精确的解十分困难。随着计算机软硬件技术的发展,用数值分析的方法求解电磁波信号透地传输中的电磁场问题成为了新的研究趋势。本文将大地媒质中的电小天线作为研究对象,对其近场的分布情况进行了分析,探讨了其透地传输电磁波信号的规律,并基于实际工程的需要,将电磁波信号透地传输技术应用到电磁波随钻测量等工程实例中。在具体的理论分析中,根据电磁波信号透地传输系统中工作频率的特点,选用准静态理论对数值求解过程中遇到的索末菲积分进行计算,在确保精度的条件下简化了计算过程。将电磁相似理论引入到实验研究中,利用电磁缩比模型实验研究了地下电小天线的透地通信情况,从而得出了原型系统中天线透地传输电磁波信号的情况。针对钻地电磁波信号无线透地传输系统的研究现状及实际需要,本文从电磁波传播及天线的基本理论入手,对大地媒质中电小天线的透地传输规律进行了详细的理论分析和实验研究,文章共分为七章,每章内容如下：第一章主要阐述了钻地电磁波信号透地传输的研究背景、目的和意义,根据电磁波透地通信系统、有耗媒质中天线以及天线的近场等方面的国内外研究现状分析指出了目前电磁波信号透地传输中存在的问题及发展趋势。第二章介绍了麦克斯韦方程组、媒质的本构关系、电磁场各物理量之间满足的波动方程、位函数理论以及媒质分界面上场的边界条件等电磁波基础理论,并且对大地媒质的电磁特性做了分析,在此基础上研究了平面电磁波在大地媒质中的传播特性和超低频极低频电磁波在大地媒质中的衰减规律。第三章首先介绍了无界空间中点源的格林函数和矢量磁位的解,在此基础上研究了矢量磁位在媒质分界面上的边界条件以及求解电磁场问题的镜像法。利用上述理论和方法,对半无限有耗媒质中的垂直电偶极子和水平电偶极子的矢量磁位进行了分析,得出了半无限媒质中源所激励的场的解析式。作为深入研究,本章还对三层媒质和多层媒质中的垂直电偶极子和水平电偶极子的矢量磁位进行了分析,并得到了三层媒质中源所激励的场的解析解以及多层媒质中源的矢量磁位的求解方法。第四章首先对矩量法等分析线天线的方法进行了介绍,对线天线的电场积分方程进行了推导,并根据本研究中天线的工作频率特点选用准静态理论对积分方程中难以计算的索末菲积分进行了近似处理。在上述分析基础上,本章对大地媒质中的垂直线天线和水平线天线进行了数值求解,包括天线表面的电流分布情况、天线在地面处产生的电场的分布情况以及地面上接收到电压的分布情况。作为线天线在地质工程中的应用实例,本章还对电磁波随钻测量模型进行了分析,并得出了模型中天线表面的电流分布情况、地面处电场的分布情况以及测量电压的分布情况。第五章主要研究了大地媒质中线天线的影响因素,包括天线的尺寸等来自天线自身的因素和媒质的电磁特性参数等来自外部环境的因素。通过对大地媒质中垂直线天线和水平线天线的讨论分析,发现天线的长度、工作频率以及媒质的电导率对天线所激发场的影响较大,而媒质的介电常数对场的影响非常微小。另外还分别研究了垂直线天线和水平线天线位于大地媒质不同放置深度时场的变化情况以及馈电点位于天线不同位置时天线表面的电流分布情况。第六章首先介绍了缩比模型实验的原理,以及本实验采用缩比模型的意义及可行性,随后介绍了实验所用到的器材和测量设备以及实验的过程,最后对实验所采集到的数据进行了分析。通过此缩比模型实验的研究,可以得出相应比例的原型系统中天线透地传输信号的情况。第七章对本文的研究成果和创新点进行了总结,针对研究中的一些问题给出了部分建议,并对电磁波钻地信号透地传输的研究和应用前景进行了展望。
【关键词】：钻地电磁波信号 透地通信 电小天线
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P634;P631.3
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-27
• §1.1 问题的提出16-17
• §1.2 钻地电磁波信号透地传输的研究现状17-24
• 1.2.1 电磁波信号透地传输的研究现状17-20
• 1.2.2 有耗媒质中天线的研究现状20-21
• 1.2.3 天线近场问题的研究现状21-23
• 1.2.4 电磁波信号透地传输存在问题及发展趋势23-24
• §1.3 本文的主要内容和研究思路24-27
• 1.3.1 主要研究内容24-25
• 1.3.2 研究方法及技术路线25-27
• 第二章 电磁波在大地媒质中的传播27-44
• §2.1 电磁波的基础理论27-34
• 2.1.1 麦克斯韦方程组27-29
• 2.1.2 媒质本构方程29-30
• 2.1.3 波动方程30-31
• 2.1.4 位函数理论31-33
• 2.1.5 媒质分界面上场的边界条件33-34
• §2.2 大地媒质的电磁特性参数34-37
• 2.2.1 媒质的电磁特性参数34-35
• 2.2.2 大地媒质的电磁特性参数35-37
• §2.3 电磁波在大地媒质中的传播37-43
• 2.3.1 平面电磁波在大地媒质中的传播37-40
• 2.3.2 超低频极低频电磁波在大地媒质中的传播规律40-43
• §2.4 本章小结43-44
• 第三章 分层有耗媒质中的源44-70
• §3.1 无界空间中波动方程的解44-46
• 3.1.1 无界空间中的格林函数44-46
• 3.1.2 无界空间中矢量磁位的解46
• §3.2 矢量磁位的边界条件46-48
• §3.3 求解电磁场问题的镜像法48-50
• §3.4 半无限媒质中垂直电偶极子的场50-53
• 3.4.1 半无限媒质中垂直电偶极子的矢量磁位50-52
• 3.4.2 半无限媒质中垂直电偶极子的场52-53
• §3.5 半无限媒质中水平电偶极子的场53-58
• 3.5.1 半无限媒质中水平电偶极子的矢量磁位53-56
• 3.5.2 半无限媒质中水平电偶极子的场56-58
• §3.6 水平三层媒质中垂直电偶极子的场58-61
• §3.7 水平三层媒质中水平电偶极子的场61-65
• §3.8 水平多层媒质中垂直电偶极子的场65-67
• §3.9 水平多层媒质中水平电偶极子的场67-69
• §3.10 本章小结69-70
• 第四章 大地媒质中线天线的数值解70-97
• §4.1 线天线的分析70-73
• 4.1.1 线天线的分析方法70-71
• 4.1.2 矩量法71-73
• 4.1.3 基函数和测试函数73
• §4.2 线天线的电场积分方程73-76
• 4.2.1 电场积分方程74-75
• 4.2.2 波克林顿积分方程75-76
• §4.3 索末菲积分76-79
• §4.4 大地媒质中垂直线天线的数值解79-85
• 4.4.1 大地媒质中垂直线天线的模型80-81
• 4.4.2 大地媒质中垂直线天线的数值解81-84
• 4.4.3 对垂直线天线数值解的验证84-85
• §4.5 大地媒质中水平线天线的数值解85-92
• 4.5.1 大地媒质中水平线天线的模型85-86
• 4.5.2 大地媒质中水平线天线的数值解86-91
• 4.5.3 对水平线天线数值解的验证91-92
• §4.6 线天线在地质工程中的应用92-95
• 4.6.1 电磁波随钻测量系统的模型92-93
• 4.6.2 非对称线天线的数值解93-95
• §4.7 本章小结95-97
• 第五章 大地媒质中线天线的影响因素97-111
• §5.1 大地媒质中垂直线天线的影响因素97-103
• 5.1.1 天线长度对垂直线天线的影响97-98
• 5.1.2 工作频率对垂直线天线的影响98-99
• 5.1.3 大地媒质参数对垂直线天线的影响99-101
• 5.1.4 天线放置深度对垂直线天线的影响101-102
• 5.1.5 馈电点位置对垂直线天线的影响102-103
• §5.2 大地媒质中水平线天线的影响因素103-110
• 5.2.1 天线长度对水平线天线的影响103-104
• 5.2.2 工作频率对水平线天线的影响104-106
• 5.2.3 大地媒质参数对水平线天线的影响106-108
• 5.2.4 天线放置深度对水平线天线的影响108-110
• 5.2.5 馈电点位置对水平线天线的影响110
• §5.3 本章小结110-111
• 第六章 大地媒质中线天线的缩比实验研究111-123
• §6.1 缩比模型实验的基本理论111-114
• 6.1.1 缩比模型实验的意义111
• 6.1.2 缩比模型成立的条件111-114
• §6.2 实验方案及所用器材和设备114-116
• 6.2.1 实验方案114-115
• 6.2.2 实验器材及设备115-116
• §6.3 实验过程及数据分析116-121
• 6.3.1 实验过程116-117
• 6.3.2 实验数据分析117-121
• §6.4 本章小结121-123
• 第七章 结论与展望123-126
• §7.1 主要研究成果与创新点123-124
• 7.1.1 主要研究成果123
• 7.1.2 主要创新点123-124
• §7.2 展望与建议124-126
• 致谢126-127
• 参考文献127-135

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 李朝晖;孟祥军;郭艾东;张申;;煤矿井下无线通信天线方向图的测量[A];第十二届全国煤矿自动化学术年会论文专辑[C];2002年

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本文编号：558556