第一章 绪论
1.1 课题选题背景与意义
煤炭作为当今我国的主要能源，在我国经济建设中有着不可或缺的作用。在矿产开采的工程中，由于机械化、自动化程度的不断提高，各种信息的传递需要一个可靠性强、效率高的矿井通信系统，以保证矿井的安全生产、安全管理、抢险救灾等工作的顺利进行。一旦出现紧急情况，在事故抢险救灾的过程中，缺乏灵活有效的矿井通信系统，就不能准确的把握巷道内部灾难程度和矿工的健康情况，矿井内部和地面不能及时的沟通，延误了矿井抢险救灾的最佳时机，对矿工的生命安全和国家的财产安全都存在很大的安全风险。国家安全生产监督管理总局在《矿山救援“十一五”发展规划》[1]一文中，明确把煤矿地下电磁波传输的理论研究作为重点研究方向。为了确保井下工作人员的安全，满足我国经济快速发展对不断增大矿产能源的需求，必须为矿井的生产提供可靠、安全的通信系统，矿井生产的特殊性就要求建立集监测、生产、通信于一体的矿井监控系统。现有的矿井监测监控系统以光纤传输为骨干构建矿井综合通信网络，具有抗干扰能力强、信号传输稳定的特点。但是考虑到矿井生产的实际情况，复杂的生产环境很大程度上限制着有线通信系统的功能，也存在着各种各样的问题，如布线工程繁杂，灵活性不足等，影响着矿井通信系统的有效运行。无线矿井通信系统具有设备体积小、灵活性强，信道容量大等特点，这在系统功能和方式上和有线通信系统相互弥补，很大程度上提高了系统的可靠性、安全性。本文的研究目的是以发展矿井无线通信技术为出发点，对矿井巷道的电磁波传播理论进行研究，进而发现改善矿井无线通信的有效方法。
1.2 现有矿井无线通信系统概述
1.2.1 透地通信系统
（1）甚低或超低频电磁波
许多学者对该通信系统做过深入的研究[2]，透地通信系统主要采用甚低频（3KHz-30KHz）或者超低频(300Hz-3KHz)的电磁波，借助大地进行通信，透地通信系统在地表建立规模巨大的环形天线，将接收器置于地下的各个位置接收天线的辐射信号。透地通信系统主要是由发射机、接收机、发射天线、接收天线以及大地无线信道五部分组成。广泛的用于日常生产调度以及矿井抢险救灾等。一旦井下遇到紧急情况，有线通信系统不能有效的运行时，通过透地通信系统发射出的超低频信号便可以穿透岩层，保障井下与地面的应急通信，从而能够及时的制定抢险救灾对策，维护国家财产和矿工生命安全。
（2）弹性波透地通信弹性
波透地通信作为一种新型的通信技术开始应用到矿井通信中去，其优点是弹性波以大地作为传输媒介，具备更为优良的传输特性，能够得到更高能量利用率，更易于与大地媒介进行耦合。其缺点在于弹性波在大地媒介传输的过程存在各种各样的干扰，如多径效应、散射损耗大等现象，当今的弹性波透地通信系统还没有建立起一个完善的体系。
1.2.2 漏泄通信系统
漏泄通信系统作为一种有线的井下通信方式已经日趋成熟，广泛的应用到实际矿井作业中去。漏泄通信技术[3]将漏泄电缆平行于巷道中心轴架设，在泄漏电缆上按距离开有槽孔，借助槽孔漏泄出的电磁场进而实现井上与井下的、井下与井下的通信。漏泄同轴电缆将传输线与天线的特性融合为一体，电磁能量集中在电缆的内外导体中间，通过电缆传输电磁能量，漏泄通信系统采用树状的组网模式，每隔 500 米为一个标准段，由中继器进行双向延伸，地面基地站为系统的控制中心，但是由于该系统过于依赖基地站和双向中继器的功能，一旦这些设备出现问题，就会造成系统级的影响。通过电缆作为传输的媒介，抗干扰能力强，信道容量大，传输质量好。但是由于需要铺设专门的电缆线路，架设技术繁杂，电缆容易受到破坏，维护成本较高，在系统构建上存在较多的安全隐患，发生紧急情况时，可靠性不高。
第二章 矿井无线信道特性分析
本文主要探讨电磁波在井下巷道的传输特性，必须对无线信道的传输特性进行深入的分析，并在此基础上充分考虑矿井的复杂因素，如矿井巷道形状和尺寸、围岩参数、巷道分支等影响，对矿井电磁波在巷道中的传输进一步的研究。为了保障更好的通信质量，建立可靠的通信系统，就必须考虑无线信道传播特性，建立无线信道的传输模型。
2.1 无线信道传输特性
在无线移动通信的过程中，主要依靠电磁波进行信号的传输，电磁波主要的传输方式包括反射、散射和绕射，由发射机发出的信号到达接收机要经过各种障碍物的遮挡，各个信号在传播过程的传播路径和传播时延就会不同，到达接收机的幅度、相位也不相同，对接收到的信号的幅度和相位也会产生影响，造成随机性的波动，各个接收信号的功率在传输过程中也会造成不同程度上的衰落，这就形成了矿井巷道中典型的多径效应。对于矿井无线信道我们从大尺度衰落特性和小尺度衰落特性两个方面进行研究，大尺度衰落是指在电波传播路径上受到山丘、建筑物等大型障碍物的阻挡，产生的阴影效应引起的衰落特性，反映了发射机到接收机之间较大范围的信号场强变化。小尺度衰落损耗它主要是移动终端在小范围内移动时，造成接收场强的快速波动，它反映微观小范围内数十波长量级的变化范围。
第三章 空矩形巷道中电磁波传输理论....13
3.1 电磁波在空矩形波导中的固有传播理论....13
3.1.1 麦克斯韦方程组 ....13
3.1.2 马卡梯里近似分析法 .......15
3.1.3 电磁波在矩形矿井的传输模式分析 ......17
3.2 电磁波在矿井巷道传输过程中的能量损耗 .....19
3.3 矿井巷道多模传输理论 ........27
3.4 本章小结 ....31
第四章 井下多径传播模型信道建模与仿真分析.....32
4.1 射线追踪法的基本原理 ........32
4.2 运用镜像法建立矿井无线信道模型......33
4.3 模型仿真与结果分析.......41
4.4 本章小结 ....46
第五章 矿井复杂因素对电磁波传输特性的影响.....47
5.1 矿井岩层对电磁波传输的影响........47
5.2 异型矿井巷道电磁波传输特性........52
5.3 本章小结 .....59
结论
本文在总结前人研究的基础上，研究了电磁波在矩形矿井巷道各种类型的衰减情况，并分析了影响电磁波衰减的主要原因。通过射线追踪法这种确定性算法，建立了矩形矿井无线信道模型，并利用 Mtalab仿真工具，仿真了射线追踪示意图，预测了巷道中电磁波的场强分布。研究了矿井围岩电参数对电磁波传输的影响，并分析了异型矿井巷道情况下影响电磁波衰减的因素。第一章主要介绍了本课题的选题背景与意义，以及当今现有的几种典型的矿井通信系统，比较各种矿井通信系统优缺点。调研了国内外基于矿井通信的研究现状。第二章分析了矿井无线信道的特性，描述了矿井无线信道受限空间中的大尺度衰落典型损耗模型和小尺度衰落类型及关键参数，通过时不变冲击响应信道模型、Nakagami 分布结合脉冲干扰噪声来描述矿井无线信道模型。由于矿井巷道空间受限，环境复杂，会发生多径效应，严重影响通信质量。第三章首先从空直巷道出发，运用 Marcatili 近似分析方法对理想矩形矿井巷道进行分析，得出了水平极化模和垂直极化模各个场量的数学表达式，进而推导出各个模式下的传输模衰减公式和截止频率公式，并充分考虑了电磁波在矿井巷道传输过程中可能存在的倾斜、分支损耗、粗糙损耗和天线插入损耗，并分析了影响各种损耗的因素。并通过多模传输理论的分析，得出单一依靠基模来分析矿井电磁波传输特性不足以反映电波在矿井传输的衰减特性。把各类衰减推导至( m, n )阶，综合考虑各类损耗的得出矿井巷道电波传播的衰减理论。阶数不同的传输模式相应的截止频率不同。高次模的截止频率均高于（1，1）模，矿井巷道中倾斜损耗与半波天线插入损耗会随着频率的升高而逐渐增大这与传输模损耗、粗糙损耗的情况是相反的。第四章运用射线追踪法的镜像法原理建立矿井巷道信道模型。首先确定反射次数，求解镜像点，根据线段与平面的相交原理确定有效镜像点，进而得到射线的有效反射路径，并对发射射线进行了极化处理，最后通过数学计算得到接收点的场强。通过对场强分布仿真预测发现，巷道的截面尺寸越大，电波的传输距离越远，信号强度越高。接收机位置居于中心位置能获得场强幅度更高的接收信号。频率越高的电磁波多径效应越为明显，且近场区域维持距离越远。第五章分析了矿井巷道围岩的电参数大致的数值范围，通过对不同煤矿样本的干湿度、不同频率下电参数的比较，设定仿真环境的相对介电常数的取值范围是 1~30，电导率的取值范围是 10-4~102S/m。高频电磁波在低电导率的矿井巷道的传输模衰减可以忽略不计，但巷道壁的电导率较高（如铁矿、镍矿等巷道环境）达到某一临界值 0.1 /c s m，电波的衰减率会迅速升高。水平极化波的衰减率受到巷道两侧壁的相对介电常数的影响较大，垂直极化波的衰减率受到巷道顶底板的相对介电常数的影响较大。分析了异型巷道中的电波传播衰减特性，巷道截面尺寸越大，电波频率越高，衰减率越小。
参考文献
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