透地通信的电磁场仿真及其并行算法研究

论文摘要

透地通信系统是应用于煤炭安全生产和灾后救援的一种安全可靠的通信系统,在其设计和开发过程中,复杂地层中的电磁场传播特性研究是一项重要的基础工作。采用解析方法研究无线电波在大地媒质中传播问题时,只能计算简化模型中的反射和透射系数;而采用试验研究方法也只能获取某个特定区域的电磁场传播特性参数值。随着计算机技术的发展,采用数值计算来研究电磁场问题成为一个热点;尽管电磁场数值计算在很多领域有成功应用,但在研究透地通信复杂地层中的电磁场传播特性时,也是在简化模型条件下开展仿真研究的;由于简化模型把整个地层媒质近似地等效为均匀媒质,对研究区域的地层的电磁参数取平均值来获取参数值,因此忽略了不同层系地层的差异性,与实际的地层电磁参数分布有较大出入,从而导致计算结果与实际地层中的电磁场传播存在偏差。本文通过对地层三维建模、空间插值和电磁场数值计算的吸收和分析,利用改进的Kriging空间插值技术实现了基于钻孔数据的突变型地层媒质电磁参数分布估计和媒质建模,并采用时域有限差分(FDTD)实现了透地通信的电磁场仿真;进一步,为了解决透地通信电磁场仿真在计算大型地层区域和网格数量大时存在计算速度慢的问题,本文对三维地层媒质建模和FDTD进行了系列的并行化研究;最后,在系统分析电磁场仿真过程的基础上实现了透地通信电磁场仿真的系统集成。本文的研究成果为复杂地层中的电磁场传播特性分析提供了一条新的有效途径,主要研究工作如下:(1)阐述了大地媒质的特性和无线电波传播一般理论,研究了媒质中的电磁参数对无线电波传播的影响;依据大地媒质不同的平行分层结构,采用解析方法推导出了无线电波在大地多层突变型媒质中的反射和透射系数。在建立大地媒质简化模型的基础上,分析了均匀平面波在自由空间和理想大地分界面上的反射和透射现象。(2)提出了基于钻孔数据的地层媒质参数分布估计方法。采用Kriging作为地层建模的空间插值技术,并针对Kriging的相关模型参数的多变量寻优选取问题,利用遗传微粒群算法的全局优化能力克服了对参数优化中对初始点设置的依赖,快速稳定的实现参数求解;建立了地层媒质的Kriging模型,并通过kriging插值计算获取突变型地层媒质中的电磁参数分布状况。(3)将Kriging媒质建模技术与FDTD相结合,提出了适用于研究复杂地层中电磁场传播的电磁场仿真方法。采用Kriging插值对地层媒质建模的方法克服了简化模型条件下忽略地层差异性的问题,通过对Yee网格中属于不同层系的格点赋予对应的电磁参数值来反映复杂地层的媒质特点,详细描述了复杂地层中的电磁场传播过程。(4)为解决Kriging插值算法在建立网格数量大和地层层数多时计算量大和计算时间长的问题,提出了一种具有动态调整并行粒度策略的并行Kriging插值算法,该算法根据CPU与地层层数之间的数量关系动态调整并行计算的粒度,优先使用粗粒度的并行计算策略,同时利用中粒度并行算法平衡负载。(5)为了提高并行FDTD的计算效率,研究了仿真过程中的区域分割及电磁场值通信方式、负载平衡、进程拓扑结构、数据传送等技术,将媒质建模和FDTD两个并行计算模块有机结合形成了透地通信电磁场并行仿真系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文结构及主要工作
• 2 透地通信的媒质特征和电磁场传播分析
• 2.1 透地通信的地层媒质
• 2.2 电磁波在地层中的传播
• 2.3 突变型地层媒质中的电磁场解析计算
• 2.4 本章小结
• 3 分层地层媒质建模及电磁场参数分布预测
• 3.1 空间插值技术
• 3.2 KRIGING 插值算法基础
• 3.3 基于微粒群的KRIGING 相关模型参数优化
• 3.4 地层电磁参数估计的KRIGING 模型
• 3.5 本章小结
• 4 突变型分层地层媒质的电磁场FDTD 数值计算
• 4.1 FDTD 基础
• 4.2 突变型分层地层媒质的FDTD 计算模型
• 4.3 一维分层地层模型及FDTD 模拟
• 4.4 三维地层媒质建模及FDTD 模拟
• 4.5 本章小节
• 5 并行算法及计算平台设计
• 5.1 并行计算机的分类
• 5.2 并行计算的编程模型
• 5.3 消息传递接口（MPI）
• 5.4 并行计算的性能分析
• 5.5 电磁场仿真的并行计算平台
• 5.6 本章小结
• 6 基于MPI 的并行仿真技术研究
• 6.1 并行KRIGING 插值算法
• 6.2 并行FDTD 算法
• 6.3 并行仿真系统的集成及性能分析
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录