基于PSO-GA的Kriging插值法建立透地通信分层地层媒质模型

地层层系的不同分布对透地通信电磁波的传播特性有重要影响。Kriging插值法利用地层媒质的有限采样点可有效建立分层地层媒质模型,其中的插值计算过程中变异函数模型参数的优化是准确构造地层分层模型的关键。为更好地解决由于采样点分布不匀造成的插值点与采样点之间的误差,使求出的构建地层分界面的插值点更加逼近采样点,从而更精确地建立地层分层模型,提出了一种基于粒子群-遗传(PSO-GA)的Kriging插值法,对变异函数模型的参数进行优化。相比于基于PSO的Kriging插值法与基于GA的Kriging插值法,所提出的算法在粒子寻优迭代整个过程中通过粒子间的两次信息交换,不仅解决了陷入局部最优的问题,实现了全局最优样本,还加快了收敛的速度。仿真与分析结果表明采用所提出的基于PSO-GA的Kriging插值法建立透地通信分层地层媒质模型,相比于基于PSO的Kriging插值法与基于GA的Kriging插值法可获得更好的寻优性能及寻优稳定性。     

平面弹性波信号在地层介质中的传输损耗特性

通过分析弹性波在大地介质中传播的衰减机理,得到简单平行分层大地信道弹性波纵波信号传输总衰减模型,根据沉积地层情况分别建立了平行分层大地信道和准平行分层大地信道模型,并用射线追踪法对平面弹性纵波的传播进行了仿真。仿真结果表明：无论平行地层模型还是准平行模型,弹性波在入射角度小幅度变化的情况下（小于5°）,传输衰耗特性曲线平坦,角度的小幅度变化会造成接收面信号到达位置的偏移,吸收衰减损耗远大于界面反射造成的功率损耗（1 500 Hz处相差约20 dB）。     

矿井不同位置信源无线电波传播特性研究

为了研究信源处于矿井不同位置时对电磁波传播特性的影响,基于矩形隧道传播模型分析了不同极化方式电磁波的衰减特性的近似解。在理论分析的基础上对1个模拟矩形矿井的不同信源位置的传播特性进行了仿真,根据结果可知在矿井宽度大于高度的情况下,对于任意位置的信源,其水平极化电磁波传播的衰减率始终大于垂直极化电磁波,在距离发射源30~50 m内电波的衰减相对较快,然后逐渐趋于平缓。当信号源越靠近矿井壁,传播模式越复杂,衰减率越大,而在矿井中央,电磁波的衰减率最小,上述结论为矿井无线救援通信技术提供了理论支持。     

煤矿井下有限空间无线信道特性研究

为了研究煤矿井下无线电波在信道内的传播特性及影响,基于矩形隧道传播模型分析了不同极化方式下电磁波的衰减特性的近似解。在理论分析的基础上对一个模拟矩形矿井巷道内电磁波的衰减特性进行了仿真。根据结果可知,随着巷道距离的增加电磁波存在严重的快衰落现象。在近距离处场强的增幅很大,变化趋势很大,随着距离的增加,场强衰减变缓。这些结论为矿井无线救援通信技术提供了理论支持。     

无线透地通信协同式磁性天线模型的研究

针对矿井下单个磁性天线在无线透地通信系统中传输效率低、信号强度弱的不足,基于FEKO建立了甚低频透地通信协同式天线分布模型。从磁场分布和分析结果来看,协同式天线模型相比较单一天线模型产生了较大的磁场强度,改变2个天线之间的间距以及天线摆放角度对磁场强度也有着重要影响。此模型可有效提高信号传输强度与效率,满足透地通信对于信号传输的要求。     

地层对电磁随钻测量信号的影响研究

为了改善电磁波随钻测量系统的信号传输的距离和质量,通过对电磁波在地层中传输特性的分析,研究了地层电导率、磁导率、电磁波发射频率和发射天线长度这4个方面对电磁波信号衰减和传输深度的影响。结果表明：电磁波传输距离随着发射频率减小而增大,高电阻率地层有利于电磁波的传输。当频率在5～20 Hz时,传输距离1 000～2 000 m时,强度信号较强,能很好地满足工程的需要,选用穿孔外接金属环套激励天线的效果最好,而且金属环长度应尽量长,而绝缘段长度为0.5 m时,发射天线的效果最佳。     

有耗介质高频脉冲电磁波传播衰减理论与应用的实践研究

从电磁波传播的麦克斯韦方程出发,介绍和分析了地质雷达高频脉冲电磁波在地下有耗介质传播过程中的衰减特性理论,并将其应用于弱地基工程的勘察实践中,取得了良好的应用效果。通过引进Cole-Cole公式表征复介电常数和品质因子衰减特性,可以从理论上描述高频脉冲电磁波在地下有耗介质中的衰减行为和特性,工程应用实践证明：利用地质雷达高频脉冲电磁波的衰减特性研究断裂破碎带、地下裂缝及地下空洞化弱地基等对地质雷达反射波的衰减特性和行为,进而对弱地基进行解释,评价方法可行,且具有投资少、见效快、精度高及非破坏性等一系列优点。     

电导率σ对矩形巷道中电磁波传播特性的影响

研究了在300MHz以下频段,矩形巷道中存在电导率σ时电磁波传播的特性.研究表明,电磁波的传播具有很强的波导效应.巷道的截面越大,越有利于电波的传播.如果传播电波的频率低于截止频率,则衰减只和传播的频率有关.在截止频率以上,电导率越小,电磁波传播损耗越大;在相同的电导率下,随着频率的增加,衰减也将增加.TE波更适合于在巷道中传播.     

方位电磁波仪器PeriScope水平井煤岩边界探测特性研究

在煤矿生产中,预先、精准识别煤岩界面能够提高采出率、降低开采风险,是实现煤炭智能化开采的卡脖子技术之一。方位电磁波测井仪器具有较大探测深度和方位分辨能力,其在煤岩界面测井方法中具有一定优势,为了研究油田方位电磁波仪器PeriScope在煤田测井中的适用性,建立了煤矿测井水平分层地层模型,使用广义反射系数法和有限元数值模拟方法,以方位电磁波仪器PeriScope为例,考察了其对煤层边界的探测特性。应用PeriScope仪器的发射频率和源距组合,设置其仪器半径为煤矿钻杆的常用半径,模拟结果显示,地质信号在界面处的响应符合典型特征,地质信号随仪器旋转角变化具有周期性响应规律,频率和探边距离非简单正相关关系,源距和探边距离具有正相关关系,地质信号幅值随煤层层厚的增加而增加,但层厚增加到一定值后地质信号不再随层厚变化,偏心距较大时地质信号受偏心距影响,方位电磁波测量响应能够反映采空区的电阻率变化。结果表明,地质信号对煤岩边界的探测能力受频率、源距、电阻率对比度、层厚等多种因素影响,方位电磁波仪器PeriScope的地质信号具有方位分辨能力,能够用于探测模型设置的煤岩分界面和识别采空区,但对于围岩...     

弹性波透地通信分层大地信道的多径特性

通过分析弹性波在平行地层中传播的界面反射及衰减特性,得到了分层均匀介质中弹性波信号传播的多径信道模型,导出了多径延迟与各层的厚度以及层内弹性波纵波的传播速度的关系,以及多径/直达信号比(R MD)的近似算式,同时也探讨了因层间反射导致的多径衰落情况。在神华集团上湾煤矿煤层及围岩钻孔资料基础上建立地层模型并进行了仿真,结果表明：在直达信号正常情况下,多径信号的幅度较直达信号低20 dB以上,多径干扰基本可以忽略,此时即使传输信号带宽大于信道相关带宽B c,由多径导致的衰落仍然是近似平坦的;如果直达信号被遮蔽(比正常值低20 dB以上),信号呈明显频率选择性衰落,衰落深度约15 dB。仿真结果还说明使用直接序列扩频的透地通信,较高的码速率有利于抑制多径效应。     

The numerical simulation on electromagnetic wave attenuation characteristics of coal face in time-frequency domain

This paper took the abnormal geological objects with high or low resistivity in the coal face as the background to establish the physical model. 2D forward numerical simulation for electromagnetic wave equation was implemented by the finite-difference scheme. According to the simulative results, the attenuation-absorption coefficient were calculated respectively based on field intensity and frequency shift parameter. Research result indicates, when coal-bed contains high electric resistivity geological abnormal object or low electric resistivity geological abnormal object, absorption attenuation function researched by frequency shift parameter of electromagnetic wave signal is more sensitive than by electromagnetic field intensity parameter.     

电雷管电磁场中差模响应特性

提出了电雷管电磁场中差模响应特性研究方法。利用传输线理论,建立煤矿许用电雷管简化物理模型,计算不同介质条件下电雷管分布参数,分析研究10 kHz~20 GHz电磁波传播过程、雷管阻抗变化规律;采用Ansoft HFSS电磁场仿真软件与电雷管响应分析结果对比,具有较好的一致性;基于阻抗特性分析结果,建立电雷管不同端面电动势和电流计算方法;基于相同输入条件下的温度变化,形成电雷管输入与桥丝响应的关系。计算分析和仿真结果表明,电雷管在电磁场中敏感频率并不惟一,建立的分析方法是雷管与电磁波理论的紧密结合,为电雷管电磁兼容性分析和设计提供数值分析方法。     

基于FDTD的电磁波在煤中传播特性

针对矿山灾害事故发生时,逃生通道被堵,被困人员位置难以确定这一难题,以钻孔生命雷达为手段,开展了电磁波在煤矿井下传播规律的研究。采用时域有限差分法(FDTD)建立井下二维空间磁场(TM)模型,利用Gpr Max和Matlab数值软件对模型进行正演模拟计算。通过理论分析与正演模拟,研究了天线中心频率、激励源、煤质与煤温等条件改变时,反射波的幅值强度与反射系数变化规律,目标的探测时间与分辨率,揭示了电磁波在煤体中的传播规律。研究结果表明:天线中心频率为600 MHz的Ricker激励源是最佳探测方式;电磁波在烟煤中的传播速度最快,褐煤居中,无烟煤最次;电磁波在煤中的传播速度随温度的增加而增大,人体反射波幅值强度则随之减弱;人体反射波幅值强度与探测距离呈对数函数关系,据此提出建立相应数据库;确定了生命雷达与被困人员之间煤体厚度的计算方法。研究结果可为生命雷达系统的研发和现场救援探测数据的解释提供参考与支撑。     

煤矿井下电磁随钻测量水平钻进信号强度预测

针对电磁随钻测量在煤矿井下水平钻进中信号衰减严重、适用深度受限的问题,采用电磁波在层状介质中的传播理论和基于二级离散复镜像法的插值算法求得层状有耗介质中的电场分量,结合分段脉冲基函数和点匹配的矩量法计算钻杆上电流和煤层中电场分布,进而计算孔口的信号强度。基于此,利用本模型分析了由基本顶、直接顶、煤层、直接底和基本底构成的5层信道信号强度的影响因素。仿真结果表明,信号强度随煤层和围岩电阻率先逐渐增大,后达到饱和,而煤层对信号强度的影响最显著|设置电极位于钻杆同侧、增大下部钻杆长度、减小钻杆接头之间的接触阻抗和减小信号频率可以提高信号强度。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

拱形巷道是煤矿井下最常见的一种巷道。分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内电磁波的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响进行了仿真。结果表明,在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小;巷道横截面积越大衰减率越小;围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波;围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

基于探地雷达原位试验的空区探测研究

选用露天矿山边坡已揭露的空区进行探地雷达原位试验, 利用媒质的介电常数以及电磁波在地下介质中的反射和衰减特性, 结合空区露头的实际情况以及钻探资料对探测结果进行识别解释;进而归纳出该矿山边坡不同地质条件下电磁波反射特征。将原位测试得到的规律应用到该矿山其他位置处的空区探测, 并用现场钻孔和地质资料对其可靠性进行检验。研究结果表明, 基于原位试验获取拟探测矿山的雷达资料解释电磁波在同一矿山空区及其围岩中的传播规律的方法可行。     

电磁场对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响

在实验的基础上,研究了电磁场对瓦斯爆炸过程中火焰传播和爆炸波的影响.研究结果表明：电磁场对瓦斯爆炸过程影响非常明显,加电磁场后瓦斯爆炸火焰传播速度和爆炸波超压均比光滑管道有大幅提高,而且随着电磁场强度的增加,影响程度加强.基于电磁场对瓦斯爆炸传播特性的实验结论,从理论上分析了电磁场对瓦斯爆炸的影响机理,并对实验现象做出了合理的解释.但是由于电场与磁场在瓦斯爆炸过程中的互相制约,电磁场效应不是磁场效应和电场效应简单的相互加剧关系.     

Experimental study and theoretical analysis on the effect of electric field on gas explosion and its propagation

The effect of the electric field with different intensity on explosion wave pressure and flame propagation velocity of gas explosion was experimentally studied, and the effect of electric field on gas explosion and its propagation was theoretically analyzed from heat transportation, mass transportation, and reaction process of gas explosion. The results show that the electric field can affect gas explosion by enhancing explosion intensity and explosion pressure, thus increasing flame velocity. The electric field can offer energy to the gas explosion reaction; the effect of the electric field on gas explosion increases with the increase of electric field intensity. The electric field can increase mass transfer action, heat transfer action, convection effects, diffusion coefficient, and the reaction system entropy, which make the turbulence of gas explosion in electric field increase; therefore, the electric field can improve flame combustion velocity and flame propagation velocity, release more energy, increase shock wave energy, and then promote the gas explosion and its propagation.