地表下无线传感网自适应中长波天线及磁通信技术研究

Wireless underground sensor network is one of the most important parts of internet of things, which can be used to monitor the formation parameters, equipments and pipe lines underground, and so on. However, with the rising of the frequency, the attenuation increases significantly. Current wireless sensor network working at high radio frequencies can not do well in underground environments. Channel characteristics of five typical underground districts will be researched, and an electrically small antenna will be developed for low-loss medium-long electromagneitc waves. An adaptive antenna adjusting strategy will be presented considering the time variation of formation parameters and the lateral parts of electro-magnetic waves. The parasitic large scale antenna will be developed for long distance communication based on underground pipe lines. In high-loss underground environments, the magnetic induction communication systems will be researched with coplanar relay coils, and a set of auto-switched half-duplex active relay coils will also be putforward to extend the distance of magnetic induction communications. The research achievements are very valuable to the inernet of things underground and can be applied in underwater internet of things as well.

无线地下传感器网络可对地层参数、地下设施及管线等实施监测，是物联网的重要组成。然而随着频率的升高，地层中电磁波的衰减将急剧增加。现有无线传感器网络多工作于高频波段，在地层中电波传播路径损耗大，通信距离短，实用性较低。本课题拟针对五种典型地表下区域展开无线信道特征研究，在此基础上研发无线传感器网络低损耗中长波电小天线，同时考虑地层参数的时变性及地表面横波成分，提出自适应天线调整策略。针对长距离地下管线，研究地下管线寄生大尺寸天线，用于地层中远距离通信。针对含水量较高的高损耗地层，研究无线地下传感器网络磁感应通信技术，提出中继线圈的共面摆放策略，设计并引入自动半双工有源磁感应中继线圈，以有效延长磁信号传播距离。本课题的成果将为地下物联网的发展奠定理论及技术基础，并推广到水下物联网的应用中，具有重大的理论及实用价值。

本项目将大地媒质中电磁波的传播作为研究对象，以甚低频电磁波为基本出发点，对其在地层中的传播情况和规律进行分析和探讨。基于耦合通信原理，针对透地通信、地下人员定位等实际应用研究甚低频超窄带通信技术，重点研究地下环境分布监测、智能管线通信等甚低频磁感应波传播理论和模型。项目主要研究内容和成果具体如下：. （1）大地媒质中电磁波传播规律研究. 基于透地通信系统的基本模型，对成层介质条件下垂直磁偶极子的辐射场进行理论分析和推导，并通过数值计算的方法对不同频率电磁波在地层中的传播情况进行仿真。通过对天线近场辐射规律的总结，可以有效指导无线透地通信系统的设计与参数选择。. （2）甚低频磁感应波的地下长距离管线通信研究. 针对分布式地下环境实时监测、石油开采过程中的电磁波随钻测量等长距离地下管线监测等应用需求，研究了方形栅格结构和正六边形蜂窝结构的磁感应网络的传播规律和性能，同时研究了基于电感耦合、电容耦合的磁感应波的地下管线通信方式。通过建立实验平台和时域传播仿真，验证了甚低频磁感应波传播方式的有效性和可行性，为建立地下无线传感器网络和地下长距离管线通信技术提供了理论基础。. （3）提出基于双环形天线接收系统的非高斯噪声提取与主动消除方法. 甚低频段的非高斯噪声比较突出，其时域表现为出现时刻随机、幅值非常大而持续时间极短的尖峰脉冲，传统的降噪方法受到挑战。本项目首先对甚低频通信系统在不同环境下的噪声进行了大量测量和特征统计，并基于非高斯噪声的特点分析讨论了接收系统及接收天线的设计方案，提出了基于宽带天线和窄带天线的双天线时域主动降噪方法，即在宽带天线接收的基础上通过使用时间窗函数实现非高斯噪声的提取，并通过建立接收系统的传递函数从而实现窄带接收系统有用信号中非高斯噪声的消除。该方法可以为有效指导透地通信系统中非线性接收机的设计，提高系统接收效率。. （4）透地通信系统方案及电路设计. 为实现无线透地通信系统的工程应用，本项目对甚低频超窄带无线透地通信系统的机理进行研究，并对整体设计原则和依据进行分析；对透地通信系统的各个功能模块进行设计和电路实现。提出“矿山应急救援无线双向透地通信系统”和“地下人员定位系统”应用模式，并进行现场测试，可以实现500米左右透地通信距离，达国际领先水平。