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题名基于混合射线追踪的矿井电磁波分析方法
被引量：6
- 1
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作者
孙继平
张高敏
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机构
中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院
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出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2022年第7期2834-2843,共10页
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基金
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801800)。
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文摘
矿井无线通信设备的传输距离和天线安装位置有关,为不影响行人和行车,无线通信设备天线一般安装在顶板或巷帮附近,因此需要研究适用于收发天线位于顶板或巷帮附近时矿井电磁波的分析方法及电磁波传播特性。首先用射线追踪法计算出收发点在巷帮或顶板附近时的接收信号强度明显高于其位于巷道截面中心附近的接收信号强度,证明了射线追踪法不适用于研究收发点同时位于巷帮附近时的电磁波传播特性。在传统射线追踪法的基础上,提出了修正射线追踪模型,设计了发射点或接收点位于顶板和巷帮交界线上以及在同一顶板或巷帮时有效射线的判定方法,细化了每个反射点入射能量的路径损耗和反射损耗,减小了射线追踪法计算信号强度的波动范围,并扩大了该方法在巷道内的适用范围。为进一步提高射线追踪法在整个巷道截面内的适用性,在修正射线追踪模型和位置衰减系数的基础上,提出了混合射线模型,给出位置衰减系数的定义和表达式,在煤矿辅助运输巷道内开展了收发天线在巷道内不同水平位置处接收信号强度变化的测量实验,根据现场测量数据和修正射线追踪模型的仿真数据,计算出天线沿巷道水平位置变化的水平位置衰减系数。实验表明:相同误差条件下,修正射线追踪模型在巷道截面中心区域外的适用范围比传统射线追踪法提高了25%。混合射线追踪法在整个巷道水平范围内仿真值和测量值之间的纵向平均误差均小于5 dB。这表明,提出的混合射线追踪法扩大了传统射线追踪法的适用范围,可以更准确地计算出天线靠近巷帮时,矿井电磁波传播特性,为矿井无线通信设备天线的安装、优化布置提供指导。
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关键词
混合射线追踪
矿井电磁波
矿井无线通信
天线位置
传播特性
衰减系数
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Keywords
mixed ray tracing
mine electromagnetic waves
mine wireless communcation
antennas location
propagation characteristics
attenuation coefficient
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分类号
TD655
[矿业工程—矿山机电]
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题名UWR-FDTD矿井电磁波数值分析方法
被引量：5
- 2
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作者
张高敏
刘毅
彭铭
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机构
中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院
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出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2022年第11期4157-4166,共10页
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基金
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801800)。
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文摘
为减小FDTD(Finite-Difference Time-Domain)对计算机内存空间与算力的需求,提高FDTD求解矿井电磁波的计算效率,根据矿井巷道断面小、轴向长的特点,提出了单位窗口循环使用时域有限差分方法(Unit Window Recycling, UWR-FDTD)。该方法沿巷道轴向把待研究的巷道平均划分多个虚拟窗口,虚拟窗口的断面面积与巷道断面面积相同,为一个同虚拟窗口大小相同的单位窗口分配内存空间,所有虚拟窗口循环使用单位窗口的内存空间,执行传统FDTD迭代过程。激励源设在第1个虚拟窗口,根据1个单位窗口电磁波传播时间,确定每个虚拟窗口的迭代次数,按照时间步存储单位窗口内最后一个Yee网格的电磁场分量,作为下一个虚拟窗口的子激励源。每个虚拟窗口在单位窗口内迭代完成后,均存储完成时刻单位窗口的电磁场分量,用于合成整个巷道内的电磁场数值。结果表明:同传统FDTD方法相比,UWR-FDTD方法在一维二维三维计算空间均可减少内存使用量,划分虚拟窗口数目越多,仿真时所需的内存空间越小,在三维空间内提高的计算效率更加显著;在无耗介质、有耗介质计算空间,分别用时谐源和脉冲源作为激励源,在一维二维三维空间内用UWR-FDTD计算出合成电场的周期和幅值,与传统FDTD计算结果一致。UWR-FDTD矿井电磁波仿真时间与巷道断面面积、巷道长度和电磁波频率有关;划分虚拟窗口的长度为待研究巷道长度的1/10~1/6时,计算用时最短,计算效率最高。
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关键词
矿井电磁波
矿井无线传输
时域有限差分
单位窗口循环使用
虚拟窗口
内存空间
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Keywords
electromagnetic fields in coal mine
wireless transmission in mine
finite-difference time-domain
unit window recycling
virtual windows
memory space
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分类号
TD655
[矿业工程—矿山机电]
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题名FDTD矿井无线传输特性分析方法研究
被引量：4
- 3
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作者
张高敏
刘毅
彭铭
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机构
中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院
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出处
《煤炭科学技术》
CAS
CSCD
北大核心
2022年第11期202-212,共11页
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基金
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801800)。
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文摘
为减少井下无线通信基站数量,提高井下无线信号覆盖范围和通信质量,需要研究无线通信基站天线和固定无线通信设备天线安装位置对矿井电磁波传播特性的影响。建立了由空气介质、巷道壁和完全匹配层组成的时域有限差分三维巷道模型,并根据该模型推导了时域有限差分迭代方程。提出了一种可变内阻激励源,以减小Yee网格间因感应电流引起的计算误差,并推导了该激励源的显式时域有限差分迭代方程,在巷道内测量了收发天线在巷道断面不同位置处的电磁波信号强度。结果表明:提出的可变内阻激励源计算出的电磁波信号强度仿真值与赫兹偶极子天线解析方程计算出的解析值在300 m自由空间内的衰减规律一致,性能优于透明激励源和硬激励源。激励源和接收点位于巷道断面中心时580、740、900 MHz三种频率电磁波信号强度的仿真值与测量值相比,衰减规律一致,表明提出的计算方法可用于研究巷道内电磁波传播特性。收发天线到同一巷帮等距时,两天线同步从巷道断面中心移动到巷帮附近,电磁波信号衰减逐渐增大;收发天线到巷帮距离在0~0.02 m范围内电磁波信号平均衰减梯度为217 dB/m,是0.04~0.30 m范围内的6.2倍,是0.02~0.04 m内的1.6倍。因此,在不影响行人和行车的条件下,无线通信基站天线应尽量远离巷帮,以获得最佳通信效果。
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关键词
矿井电磁波
无线传输特性
巷道模型
可变内阻激励源
天线位置
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Keywords
mine electromagnetic waves
wireless transmission characteristics
tunnel model
variable internal resistance excitation source
antenna position
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分类号
TD65
[矿业工程—矿山机电]
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