透地通信的電磁場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)計和開發(fā)過程中，復(fù)雜地層中的電磁場傳播特性研究是一項重要的基礎(chǔ)工作。 采用解析方法研究無線電波在大地媒質(zhì)中傳播問題時，只能計算簡化模型中的反射和透射系數(shù)；而采用試驗研究方法也只能獲取某個特定區(qū)域的電磁場傳播特性參數(shù)值。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計算來研究電磁場問題成為一個熱點；盡管電磁場數(shù)值計算在很多領(lǐng)域有成功應(yīng)用，但在研究透地通信復(fù)雜地層中的電磁場傳

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

3、FDTD）實現(xiàn)了透地通信的電磁場仿真；進一步，為了解決透地通信電磁場仿真在計算大型地層區(qū)域和網(wǎng)格數(shù)量大時存在計算速度慢的問題，本文對三維地層媒質(zhì)建模和FDTD 進行了系列的并行化研究；最后，在系統(tǒng)分析電磁場仿真過程的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了透地通信電磁場仿真的系統(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)的特性和無線電波傳播一般理論，研究了媒質(zhì)中的電磁參數(shù)對無線電波傳

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)分布估計方法。采用Kriging 作為地層建模的空間插值技術(shù)，并針對Kriging的相關(guān)模型參數(shù)的多變量尋優(yōu)選取問題，利用遺傳微粒群算法的全局優(yōu)化能力克服了對參數(shù)優(yōu)化中對初始點設(shè)置的依賴，

5、快速穩(wěn)定的實現(xiàn)參數(shù)求解；建立了地層媒質(zhì)的Kriging模型，并通過kriging 插值計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)雜地層中電磁場傳播的電磁場仿真方法。采用Kriging 插值對地層媒質(zhì)建模的方法克服了簡化模型條件下忽略地層差異性的問題，通過對Yee 網(wǎng)格中屬于不同層系的格點賦予對應(yīng)的電磁參數(shù)值來反映復(fù)雜地層的媒質(zhì)特點，詳細描述了復(fù)雜地層中

6、的電磁場傳播過程。 （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)多時計算量大和計算時間長的問題，提出了一種具有動態(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)系動態(tài)調(diào)整并行計算的粒度，優(yōu)先使用粗粒度的并行計算策略，同時利用中粒度并行算法平衡負載。 （5）為了提高并行FDTD的計算效率，研究了仿真過程中的區(qū)域分割及電磁場值通信方式、負載平衡、進程拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳