[发明专利]一种融合波模和射线理论的弯曲巷道电波传播建模方法

摘要

一种融合波模和射线理论的弯曲巷道电波传播建模方法。适用于铁路和公路隧道、地铁、矿井等狭长的四面受限空间。其步骤为：将巷道内的各传输波模用射线近似，确定巷道中所有射线的数量和各射线的发射方向；根据射线在弯曲巷道中传播经历的三种情况，计算各传输波模对应射线在巷道弯曲壁的平均入射角和历经的反射次数；根据每条射线的平均入射角和反射次数，将巷道弯曲壁用倾斜巷道壁等效替代；用倾斜巷道电波传播模型等效弯曲巷道的电波传播模型，预测电波信号在弯曲巷道中的传输损耗。在保证模型预测准确性的同时，可大大降低建模的复杂性，减少计算量，提高运算速度。

主权项

1.一种融合波模和射线理论的弯曲巷道电波传播建模方法，其特征在于包括步骤如下：a.在巷道横截面尺寸宽为w和高为h的矩形巷道中，将巷道内的各传输波模用射线近似，利用波模理论确定巷道中所有射线的数量和各射线的发射方向，利用公式：得出巷道中所有射线的数量，式中λ代表电磁波的波长；利用公式计算(m，n)阶波模对应射线的掠射角初始值，式中m＝0，1，2，…，n＝0，1，2，…，和分别为射线在巷道垂直壁与水平壁上第一次反射的掠射角；b.巷道弯曲分为水平方向弯曲和垂直方向弯曲，利用几何光学基本定律针对巷道的两种弯曲情况，分别求解各传输波模对应射线在巷道弯曲壁的平均入射角和历经的反射次数：当巷道为水平方向弯曲时，各传输波模对应射线在巷道弯曲壁的平均入射角、历经的反射次数的求解步骤为：(1)由于射线在弯曲巷道的发射位置、发射方向及射线在弯曲巷道中传播会经历的三种情况，利用几何光学基本定律，分别计算各射线在巷道弯曲壁上的所有入射角；第一种情况：射线第一次反射发生在巷道内凹面垂直壁上，且此后的每次反射也都发生在巷道内的凹面垂直壁上：根据几何光学基本定律得到该情况下射线每次反射的入射角都相等，即第二种情况：射线第一次反射发生在巷道内凹面垂直壁上，而此后射线在巷道内两个垂直壁上来回反射，根据几何光学基本定律可得到该情况下射线第奇数次反射的入射角都相等；而偶数次反射的入射角都相等，即：第三种情况：射线第一次反射发生在巷道凸面垂直壁上，此后和第二种情况类似，射线在巷道内两个垂直壁上来回反射，利用几何光学基本定律可求得，该情况的入射角与第二种情况相似，电磁波第奇数次反射的入射角相等，而偶数次反射的入射角相等，上述式中，表示(m，n)阶波模对应射线在弯曲垂直壁发生第一次反射时的入射角，表示(m，n)阶波模对应射线在弯曲垂直壁发生第二次反射时的入射角，之后发生反射的入射角参数以此类推，分别用表示；(2)利用公式：计算三种情况下(m，n)阶波模对应射线在巷道垂直弯曲壁上的平均入射角(3)当(m，n)模式电磁波沿巷道中心轴向传播l_c1距离后，利用公式：计算得到(m，n)阶波模对应射线在巷道垂直弯曲壁上所经历的反射次数式中，α_c1单位为rad为电磁波沿巷道中心轴向传播l_c1距离对应的巷道圆心角R_c1表示弯曲巷道内凸面垂直壁的平均曲率半径；lc1表示电磁波沿巷道中心轴向的传播距离，即收发天线沿巷道中心轴向的间距；同理，对垂直方向弯曲的巷道情况重复上述步骤从而得到(m，n)阶波模对应射线在巷道水平壁面的平均入射角以及经历的反射次数c.根据每条射线的平均入射角和反射次数，将巷道弯曲壁用倾斜巷道壁等效替代：根据射线在弯曲巷道壁的平均入射角和对应的反射次数将弯曲巷道内的电磁波传播都近似归为步骤b中的第一种情况，即只在巷道内凹面垂直壁反射前进；在每个反射点做弯曲巷道壁的切线，则将电磁波每次在弯曲巷道壁的反射等效为在对应切线方向的倾斜巷道壁上的反射；当巷道在水平方向弯曲时，巷道中传输的(m，n)阶波模在其每次反射处作弯曲巷道的切线，即可将巷道弯曲壁面用段倾斜巷道壁等效，(m，n)阶波模第一次反射处对应的倾斜巷道壁相比平直巷道壁向内倾斜单位为rad，此后每段倾斜壁相对于前段倾斜壁都向内倾斜同样的角度单位为rad；同理，当对巷道垂直方向弯曲时，将巷道弯曲壁用段倾斜巷道壁等效，(m，n)阶波模在经历第一次反射的倾斜巷道壁相比平直巷道壁向内倾斜单位为rad，此后每段倾斜壁相对于前段倾斜壁都向内倾斜单位为rad；d.利用以波模理论为基础的倾斜巷道电波传播模型等效建立弯曲巷道的电波传播模型，预测巷道中电磁波信号的传播强度：利用公式：计算(m，n)阶波模在传播过程中因巷道垂直壁倾斜引起的功率损耗利用公式：计算(m，n)阶波模在传播过程中因巷道水平壁倾斜引起的功率损耗式中，kzmn为矩形巷道中(m，n)阶波模的传播常数，θt1为倾斜巷道垂直壁的倾斜角度，θt2为倾斜巷道水平壁的倾斜角度，单位为rad，w为巷道横截面尺寸宽；利用公式：计算巷道垂直壁弯曲引起的功率损耗利用公式：计算巷道水平壁弯曲引起的功率损耗最后利用公式：即可计算得到(m，n)阶波模在传播过程中因巷道垂直壁和水平壁弯曲引起的功率损耗；将用对数表示，单位为dB，则将水平方向弯曲壁面的倾斜壁数据和垂直弯曲壁面的倾斜壁数据结合从而构成(m，n)阶波模对应射线在三维状态下的巷道的倾斜巷道壁模型，结合巷道垂直壁和水平壁弯曲引起的功率损耗从而建立用于功率损耗预测的弯曲巷道电波传播模型。