基于磁感应技术矿井应急救灾无线透地通信系统的研究

摘要

发生煤矿事故时，为了使井下工作人员能够将求救信号传输到地面，实现井下与井上的直接通信，针对矿井无线透地通信中磁性天线的电磁特性，在井下救生舱内设置高导磁线圈，构建出矿井无线透地通信的发射天线，在地面上利用电磁传感器检测出耦合产生的磁场强度，实现信息传递这一研究目标。
　　无线信号传输技术中较成熟的电磁波传输在岩层、土壤等介质环境中并不能发挥重要作用，主要有三个方面的原因：较高的路径损耗，不断变化的介质及信道环境，地下天线尺寸的限制。本文着重研究了在透地通信领域的一项新技术—磁感应技术。磁感应技术可以建立一个固定不变的信道环境，而且天线可以采用小尺寸的线圈，在透地通信系统中能够实现长距离的无线传播。为了更好的降低传播路径损耗，又研究了一种新型技术—电磁感应波导技术，与传统电磁波通信技术和普通磁感应通信技术相比，磁感应波导技术可以有效降低路径损耗和延长通信距离。文章首先详细介绍了磁感应技术和磁感应波导技术的相关理论，然后分析了以岩层、土壤为介质的磁感应通信系统的路径损耗、误码率以及信道带宽。
　　在仿真实验中，基于 FEKO7.0建立了矿井无线透地通信磁场模型，设计了三种体积不同、匝数不同但输入电阻相同的铁氧体线圈，研究了该模型在地面上的磁场分布情况。结果表明：这三种铁氧体线圈模型在地面上产生了三种不同数量级的磁场强度，其量值都在电磁传感器可以检测到的范围内。同时发现，地面产生磁场强度的大小还与铁氧体线圈的放置形式有关，水平放置较竖直放置产生较大的磁场强度。因此，利用磁场代替调制电磁波作为矿井无线透地通信的传输媒介是可行的，接着研究了地层介质参数对地面磁场分布的影响。
　　在地下矿井，为了延长透地通信距离，我们研究了协同式磁感应技术，根据天线线圈不同的安装方式，分析了两种形式的协同式磁感应技术：定角协同式磁感应技术和最优角协同式磁感应技术，同定角协同式磁感应技术相比，最优角协同式磁感应技术能够提高超过20％的传输距离。
　　最后，我们通过MATLAB绘制出的曲线比较验证了利用麦克斯韦方程产生的磁场分布与利用矩量法仿真软件产生的磁场分布是否具有同一性。分析研究表明，通过麦克斯韦方程计算得到的磁场分布结果与利用矩量法仿真软件产生的磁场分布结果基本吻合。因而，可以利用仿真软件FEKO模拟仿真不同深度的矿井，在地面监测磁场分布情况。

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第一章 绪论

1.1 无线透地通信系统研究的意义

1.2矿井救灾无线透地通信面临的挑战

1.3 无线透地通信系统的国内外研究动态

1.4 矿井透地通信系统的通信方式分类

1.5 文章研究的主要内容

第二章磁感应透地通信系统的信道模型

2.1 地层信道模型及其介质特性

2.2磁感应技术的信道模型

2.3磁感应波导技术的信道模型

2.4 本章小结

第三章磁感应透地通信系统的信道特性

3.1 信道路径损耗分析

3.2 信道误码率的相关研究

3.3 信道带宽

3.4 本章小结

第四章基于FEKO磁感应透地通信模拟系统的设计与研究

4.1仿真软件FEKO介绍

4.2构建模型

4.3电磁特性状态分析

4.4参数特性的研究

4.5设计原理框图

4.6本章小结

第五章基于磁感应原理的协同式磁感应透地通信技术及磁场分布情况的同一性验证

5.1 引言

5.2协同式磁感应技术

5.3 基于MATLAB协同式透地通信仿真分析

5.4 电流线圈磁场分布情况的同一性验证

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 工作总结以及主要结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文