本文選題：地下通信　切入點(diǎn)：磁感通信　出處：《北京科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：當(dāng)前,急需一種有效的、可用于地表下通信與定位的技術(shù)解決震后、難后人員通信、精確定位、搜救等難題。然而,由土壤、沙石、水等復(fù)雜成分構(gòu)成的地下通信介質(zhì)嚴(yán)重制約現(xiàn)有高頻電磁通信算法和天線尺寸,使得傳統(tǒng)電磁波通信技術(shù)不再適合。對(duì)于建立地下無線通信系統(tǒng),磁感技術(shù)是一個(gè)非常好的選擇。比起電磁波通信技術(shù),近場(chǎng)低頻磁感通信技術(shù)具有無多徑效應(yīng),衰減速度相對(duì)較慢,無大延遲,小尺寸天線等優(yōu)點(diǎn),更適用于透地通信以及透地定位。然而,通信介質(zhì)的復(fù)雜性,通信范圍的局限性和透地定位的精準(zhǔn)性等難點(diǎn)問題依舊存在。本論文就以上難題提出基于電小天線的地表下近場(chǎng)磁感應(yīng)通信在不同部署條件下的傳播模型及應(yīng)用：通過對(duì)綜合考慮地下環(huán)境的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模型的研究,掌握其基本傳播特性；通過對(duì)基于磁中繼技術(shù)的二維、三維天線陣列通信模型的研究,提出長距離通信策略；通過對(duì)基于三維天線陣列模型定位技術(shù)的研究,提出對(duì)地表下磁感通信重要應(yīng)用——高精度定位的解決方案。本文主要?jiǎng)?chuàng)新性工作如下：1)綜合考慮土壤成分和噪聲等環(huán)境因素,提出無磁中繼點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模型并驗(yàn)證。傳統(tǒng)近場(chǎng)磁感通信模型利用理想環(huán)境下天線間互感模型進(jìn)行搭建,沒有考慮地質(zhì)因素和噪聲因素。本文綜合考慮地質(zhì)因素中含水量比重對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響,噪聲因素中環(huán)境噪聲和熱噪聲對(duì)接收電壓強(qiáng)度的影響,增加磁感通信中互感公式的電導(dǎo)率因子、接收電壓種類兩項(xiàng)因素,提出地表下近場(chǎng)磁感通信無磁中繼點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信理論模型。同時(shí),設(shè)計(jì)并驗(yàn)證通信裝置,利用通過校驗(yàn)的通信裝置在不同尺寸線圈、不同含水量、不同角度和不同距離下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、接收功率、路徑衰減等傳播特性進(jìn)行研究。2)利用磁中繼技術(shù),提出二維天線陣列通信模型并研究其傳播特性。相較于增加線圈尺寸的方法,采用磁中繼技術(shù)具有天線尺寸小、通信距離長的優(yōu)點(diǎn),特別適合地表下長距離通信和天線易埋設(shè)的應(yīng)用場(chǎng)景。本文分別就強(qiáng)、弱耦合狀態(tài)下直線型天線陣列的接收功率進(jìn)行研究,提出強(qiáng)耦合狀態(tài)下天線的最優(yōu)擺放間距以及弱耦合狀態(tài)下的最優(yōu)通信頻率的算法。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出基于六邊形天線陣列的傳播模型,在色散方程、帶寬、群速度、能量密度和路徑衰減五種傳播特性下與傳統(tǒng)四邊形天線陣列進(jìn)行對(duì)比。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在二維空間下,相較于傳統(tǒng)四邊形陣列,本文提出的六邊形天線陣列帶寬提高15.4%,能量密度增加了3倍。3)提出基于磁中繼技術(shù)的三維天線陣列通信模型,研究其傳播特性；并利用該模型提出了基于模式識(shí)別與分類的三維定位算法。三維六邊形天線陣列的傳播特性在帶寬、群速度和能量密度等方面都有很大的提高。特別的,比起三維四邊形陣列,其帶寬提高了15%,能量密度增加了3.6倍。基于此天線陣列,本文歸納出兩種常見井下部署場(chǎng)景,綜合考慮收發(fā)端頻率波動(dòng)、信道噪聲強(qiáng)度波動(dòng)、土壤含水量波動(dòng)、擺放角度的不確定性五項(xiàng)隨機(jī)因素,提出基于支持向量機(jī)模式識(shí)別與分類算法的透地定位技術(shù),克服傳統(tǒng)定位技術(shù)在包含信道隨機(jī)因素、通信系統(tǒng)的隨機(jī)因素和場(chǎng)景部署的不確定性的情況下的不適用性。結(jié)果表明,本文提出的方法不但給出了不確定因素和隨機(jī)性存在時(shí),定位精度超過96.5%的方法,而且表明利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將磁感通信擴(kuò)展到惡劣環(huán)境的適用性。
[Abstract]:褰撳墠,鎬ラ渶涓，

本文編號(hào)：1667325