透地通信的電磁場(chǎng)仿真及其并行算法研究.pdf

1、透地通信系統(tǒng)是應(yīng)用于煤炭安全生產(chǎn)和災(zāi)后救援的一種安全可靠的通信系統(tǒng),在其設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，復(fù)雜地層中的電磁場(chǎng)傳播特性研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。 采用解析方法研究無(wú)線電波在大地媒質(zhì)中傳播問(wèn)題時(shí)，只能計(jì)算簡(jiǎn)化模型中的反射和透射系數(shù)；而采用試驗(yàn)研究方法也只能獲取某個(gè)特定區(qū)域的電磁場(chǎng)傳播特性參數(shù)值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計(jì)算來(lái)研究電磁場(chǎng)問(wèn)題成為一個(gè)熱點(diǎn)；盡管電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算在很多領(lǐng)域有成功應(yīng)用，但在研究透地通信復(fù)雜地層中的電磁場(chǎng)傳

2、播特性時(shí)，也是在簡(jiǎn)化模型條件下開(kāi)展仿真研究的；由于簡(jiǎn)化模型把整個(gè)地層媒質(zhì)近似地等效為均勻媒質(zhì)，對(duì)研究區(qū)域的地層的電磁參數(shù)取平均值來(lái)獲取參數(shù)值，因此忽略了不同層系地層的差異性，與實(shí)際的地層電磁參數(shù)分布有較大出入，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際地層中的電磁場(chǎng)傳播存在偏差。本文通過(guò)對(duì)地層三維建模、空間插值和電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的吸收和分析，利用改進(jìn)的Kriging空間插值技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于鉆孔數(shù)據(jù)的突變型地層媒質(zhì)電磁參數(shù)分布估計(jì)和媒質(zhì)建模，并采用時(shí)域有限差分（

3、FDTD）實(shí)現(xiàn)了透地通信的電磁場(chǎng)仿真；進(jìn)一步，為了解決透地通信電磁場(chǎng)仿真在計(jì)算大型地層區(qū)域和網(wǎng)格數(shù)量大時(shí)存在計(jì)算速度慢的問(wèn)題，本文對(duì)三維地層媒質(zhì)建模和FDTD 進(jìn)行了系列的并行化研究；最后，在系統(tǒng)分析電磁場(chǎng)仿真過(guò)程的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了透地通信電磁場(chǎng)仿真的系統(tǒng)集成。本文的研究成果為復(fù)雜地層中的電磁場(chǎng)傳播特性分析提供了一條新的有效途徑，主要研究工作如下： （1）闡述了大地媒質(zhì)的特性和無(wú)線電波傳播一般理論，研究了媒質(zhì)中的電磁參數(shù)對(duì)無(wú)線電波傳

4、播的影響；依據(jù)大地媒質(zhì)不同的平行分層結(jié)構(gòu)，采用解析方法推導(dǎo)出了無(wú)線電波在大地多層突變型媒質(zhì)中的反射和透射系數(shù)。在建立大地媒質(zhì)簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，分析了均勻平面波在自由空間和理想大地分界面上的反射和透射現(xiàn)象。 （2）提出了基于鉆孔數(shù)據(jù)的地層媒質(zhì)參數(shù)分布估計(jì)方法。采用Kriging 作為地層建模的空間插值技術(shù)，并針對(duì)Kriging的相關(guān)模型參數(shù)的多變量尋優(yōu)選取問(wèn)題，利用遺傳微粒群算法的全局優(yōu)化能力克服了對(duì)參數(shù)優(yōu)化中對(duì)初始點(diǎn)設(shè)置的依賴(lài)，

5、快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)參數(shù)求解；建立了地層媒質(zhì)的Kriging模型，并通過(guò)kriging 插值計(jì)算獲取突變型地層媒質(zhì)中的電磁參數(shù)分布狀況。 （3）將Kriging 媒質(zhì)建模技術(shù)與FDTD 相結(jié)合，提出了適用于研究復(fù)雜地層中電磁場(chǎng)傳播的電磁場(chǎng)仿真方法。采用Kriging 插值對(duì)地層媒質(zhì)建模的方法克服了簡(jiǎn)化模型條件下忽略地層差異性的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)Yee 網(wǎng)格中屬于不同層系的格點(diǎn)賦予對(duì)應(yīng)的電磁參數(shù)值來(lái)反映復(fù)雜地層的媒質(zhì)特點(diǎn)，詳細(xì)描述了復(fù)雜地層中

6、的電磁場(chǎng)傳播過(guò)程。 （4）為解決Kriging 插值算法在建立網(wǎng)格數(shù)量大和地層層數(shù)多時(shí)計(jì)算量大和計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種具有動(dòng)態(tài)調(diào)整并行粒度策略的并行Kriging 插值算法，該算法根據(jù)CPU 與地層層數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系動(dòng)態(tài)調(diào)整并行計(jì)算的粒度，優(yōu)先使用粗粒度的并行計(jì)算策略，同時(shí)利用中粒度并行算法平衡負(fù)載。 （5）為了提高并行FDTD的計(jì)算效率，研究了仿真過(guò)程中的區(qū)域分割及電磁場(chǎng)值通信方式、負(fù)載平衡、進(jìn)程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳