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無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)可對地層參數(shù)、地下設(shè)施及管線等實施監(jiān)測，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成。然而隨著頻率的升高，地層中電磁波的衰減將急劇增加。現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多工作于高頻波段，在地層中電波傳播路徑損耗大，通信距離短，實用性較低。本課題擬針對五種典型地表下區(qū)域展開無線信道特征研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低損耗中長波電小天線，同時考慮地層參數(shù)的時變性及地表面橫波成分，提出自適應(yīng)天線調(diào)整策略。針對長距離地下管線，研究地下管線寄生大尺寸天線，用于地層中遠距離通信。針對含水量較高的高損耗地層，研究無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)磁感應(yīng)通信技術(shù)，提出中繼線圈的共面擺放策略，設(shè)計并引入自動半雙工有源磁感應(yīng)中繼線圈，以有效延長磁信號傳播距離。本課題的成果將為地下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定理論及技術(shù)基礎(chǔ)，并推廣到水下物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，具有重大的理論及實用價值。

本項目將大地媒質(zhì)中電磁波的傳播作為研究對象，以甚低頻電磁波為基本出發(fā)點，對其在地層中的傳播情況和規(guī)律進行分析和探討。基于耦合通信原理，針對透地通信、地下人員定位等實際應(yīng)用研究甚低頻超窄帶通信技術(shù)，重點研究地下環(huán)境分布監(jiān)測、智能管線通信等甚低頻磁感應(yīng)波傳播理論和模型。項目主要研究內(nèi)容和成果具體如下： （1）大地媒質(zhì)中電磁波傳播規(guī)律研究 基于透地通信系統(tǒng)的基本模型，對成層介質(zhì)條件下垂直磁偶極子的輻射場進行理論分析和推導(dǎo)，并通過數(shù)值計算的方法對不同頻率電磁波在地層中的傳播情況進行仿真。通過對天線近場輻射規(guī)律的總結(jié)，可以有效指導(dǎo)無線透地通信系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)選擇。 （2）甚低頻磁感應(yīng)波的地下長距離管線通信研究 針對分布式地下環(huán)境實時監(jiān)測、石油開采過程中的電磁波隨鉆測量等長距離地下管線監(jiān)測等應(yīng)用需求，研究了方形柵格結(jié)構(gòu)和正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳播規(guī)律和性能，同時研究了基于電感耦合、電容耦合的磁感應(yīng)波的地下管線通信方式。通過建立實驗平臺和時域傳播仿真，驗證了甚低頻磁感應(yīng)波傳播方式的有效性和可行性，為建立地下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和地下長距離管線通信技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。 （3）提出基于雙環(huán)形天線接收系統(tǒng)的非高斯噪聲提取與主動消除方法 甚低頻段的非高斯噪聲比較突出，其時域表現(xiàn)為出現(xiàn)時刻隨機、幅值非常大而持續(xù)時間極短的尖峰脈沖，傳統(tǒng)的降噪方法受到挑戰(zhàn)。本項目首先對甚低頻通信系統(tǒng)在不同環(huán)境下的噪聲進行了大量測量和特征統(tǒng)計，并基于非高斯噪聲的特點分析討論了接收系統(tǒng)及接收天線的設(shè)計方案，提出了基于寬帶天線和窄帶天線的雙天線時域主動降噪方法，即在寬帶天線接收的基礎(chǔ)上通過使用時間窗函數(shù)實現(xiàn)非高斯噪聲的提取，并通過建立接收系統(tǒng)的傳遞函數(shù)從而實現(xiàn)窄帶接收系統(tǒng)有用信號中非高斯噪聲的消除。該方法可以為有效指導(dǎo)透地通信系統(tǒng)中非線性接收機的設(shè)計，提高系統(tǒng)接收效率。 （4）透地通信系統(tǒng)方案及電路設(shè)計 為實現(xiàn)無線透地通信系統(tǒng)的工程應(yīng)用，本項目對甚低頻超窄帶無線透地通信系統(tǒng)的機理進行研究，并對整體設(shè)計原則和依據(jù)進行分析；對透地通信系統(tǒng)的各個功能模塊進行設(shè)計和電路實現(xiàn)。提出“礦山應(yīng)急救援無線雙向透地通信系統(tǒng)”和“地下人員定位系統(tǒng)”應(yīng)用模式，并進行現(xiàn)場測試，可以實現(xiàn)500米左右透地通信距離，達水平。^[1]