一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法技术

一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法，涉及地下管道机器人非声探测与示踪定位技术领域，该方法基于目标电磁场的极化特性，使用电磁传感器探测的矢量电磁信号识别估计目标的方位；并对地下管道环境模型进行了优化，得到了电磁信号的规律，通过检测到的信号特征实现对目标的追踪。的信号特征实现对目标的追踪。的信号特征实现对目标的追踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法


[0001]本专利技术涉及地下管道机器人示踪定位领域，更具体的说是一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法。

技术介绍

[0002]公共基础设建设衡量城市现代化水平的重要标志，其中，城市地下管廊(含下水道)是保证城市生活正常运转最重要的基础设施,被称为“城市生命线”之一。因此，地下管廊运营检测，是中国乃至世界关于城市地下空间开发、防汛指挥、公共安全的重大变革，将在城市备战作战发挥重要的保障作用。
[0003]目前国内城市地下管廊系统运行管理、等仍停留在人工阶段、系统的自动化程度低、应变能力差。因此，地下管廊巡检机器人方式，将被动监测转化为主动检测，可以有效避免人工巡检、开凿工程带来的缺陷。然而，受地下环境、地理空间、传感信号弱等因素限制，常规导航方式并不适用，因此，提出一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法，分析不同位置情况下极低频信号的特征，通过分析接收端的磁感应强度及其变化规律来确定地下机器人的距离，增加地下环境中机器人的自主定位的可行性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的即在于，在COMSOL中建立了地下极低频信号穿透传播模型，详细地介绍了建立仿真模型的步骤，获得了频域静态条件下接收端的信号特征，探讨了信号穿透过程中磁场强度的大小与变化规律，分析了在管道下信号的强弱，对接收端的运行状态进行了仿真计算，获得了磁感应强度、感应电流等模拟数据，为实现地下环境信号的检测与机器人的定位提供了方向。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法，包括以下步骤：
[0007](1)确定极低频信号发射端与接收端的线圈模型求解域；
[0008]简化极低频信号发射端与接收端的线圈结构；
[0009]除线圈材料的相对磁导率和相对介电常数、管壁材料的电导率、相对磁导率和相对介电常数外，其余材料均视为组成为各项同性且材质均匀的模型；其中各材料物性参数均为常数；将均匀绕制的线圈与磁芯组合成一个元件，并将其电阻视作均匀电阻，选取接收端的各点作求解域；控制求解模型的面积；
[0010](2)建立极低频信号发射端与接收端物理场分析的数学模型；
[0011]构建二维的物理场模型；构建两线圈之间的电磁场控制方程，构建磁感应强度与磁场强度、电流密度与电场强度之间、电位移矢量与电场强度之间的本构关系表示为：
[0012]B＝μ0μ
r
H；
[0013]式中，μ0为真空磁导率，μ
r
为材料磁导率，H为磁场强度，B为磁感应强度；
[0014]J
c
＝σE；
[0015]式中，σ为材料电导率，J
c
为电流密度，E为电场强度；
[0016]D＝ε0ε
r
E；
[0017]式中，ε0为真空中相对介电常数，ε
r
为材料相对介电常数，D为电位移矢量；
[0018]显示研究频域的假设数学方程，将求解场的分量设置为面外矢势，离散化磁矢势为二次，因变量设置为磁矢势和磁矢势分量；
[0019](3)确定发射端与接收端物理场分析的边界模型：
[0020]在电磁场计算的过程中，磁矢位在线圈处幅值最高，然后在外部空间衰减迅速并趋于0，同时，求解域内部磁矢势与导体电流方向垂直；边界1是输入边界，边界2、3、4为输出边界，设置为磁绝缘边界，在此以静态磁场有限元对所求对象进行相关分析，在静磁场中令：
[0021][0022]式中，A为矢量磁位；
[0023]将上式带入麦克斯韦微分形式中：
[0024][0025]对于时谐电磁场，由矢量恒等式，并考虑到电磁衰减简化为：
[0026][0027]根据上式，利用泛函数的方法推导出电磁场的变分方程，然后通过有限元分解方法，对电磁场进行近似模拟；
[0028](4)使用COMSOL物理场仿真中的频域与时域分析，对网格进行划分，赋予特性；模拟极低频条件下的电磁环境，并对电磁信号进行数值仿真计算；
[0029](5)在研究中创建参数化扫描，对接收端在23.5Hz下进行多个不同位置的研究，对仿真数据进行多项式拟合，得到极低频信号穿透传播的规律。
[0030]作为本专利技术进一步改进，步骤(4)还包括：发射端采用9.8V电压激励；发射端线圈电流密度为：
[0031][0032]式中，N为均匀多匝线圈匝数，V
ind
为输入电压，e
coil
为线圈元电荷。
[0033]作为本专利技术进一步改进，步骤(4)还包括：磁矢势在r、phi、z方向的初始值均为0；其控制方程为：
[0034][0035]式中，μ为环境磁导率，n为单位长度内的线圈匝数，I
m
为通电线圈电流值，p为线圈长度，a为发射线圈半径，r为坐标原点至接收端的距离。
[0036]作为本专利技术进一步改进，所述极低频信号发射端的极低频发射系统包括：
[0037]电池组；
[0038]用于提供仿真信号的信号发生器和功率放大器；
[0039]用于发射空间磁场信号的发射线圈。
[0040]作为本专利技术进一步改进，所述极低频信号接收端极低频接收系统包括：
[0041]一组电源转换器；
[0042]用于接收空间磁场信号的接收线圈；
[0043]用于接收端的信号放大器；
[0044]用于滤波的带通滤波器与50Hz工频滤波器。
[0045]作为本专利技术进一步改进，所述发射线圈采用两段线圈并联缠绕方式，选取线圈匝数5600匝，每段长100mm，内径20mm，线径0.5mm。
[0046]作为本专利技术进一步改进，所述带通滤波器的放大滤波电路对中心频率23.5Hz的信号进行选频放大。
[0047]作为本专利技术进一步改进，所所述极低频信号接收端的接收天线，在螺线管传感器内部放置磁芯降低螺线管接收天线的磁阻，磁阻选用条状铁磁芯。
[0048]作为本专利技术进一步改进，所所述条状铁磁芯的有效磁导率计算表达式为：
[0049][0050]式中，m为铁磁芯的长径比，μ为铁磁芯材料的固有磁导率。
[0051]作为本专利技术进一步改进，所所述接收端的接收天线，包括有线圈骨架、磁铁芯、螺线管线圈和保护外壳等；螺线管采用0.15mm的漆包线缠绕10000圈形成，磁芯选用硅钢棒材料。
[0052]本专利技术使用COMSOL对地下极低频信号穿透传播模型进行了仿真，对地下管道机器人的精准定位具有重要意义，其具体的有益效果包括：
[0053]本专利技术开展一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方。综合考虑运行电压、环境磁强等多个要素，求解接收端线圈求解域内的感应电流、磁感应强度与能量分布，符合实际运行情况，更满足实际工程中的复杂物理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定极低频信号发射端与接收端的线圈模型求解域；简化极低频信号发射端与接收端的线圈结构；除线圈材料的相对磁导率和相对介电常数、管壁材料的电导率、相对磁导率和相对介电常数外，其余材料均视为组成为各项同性且材质均匀的模型；其中各材料物性参数均为常数；将均匀绕制的线圈与磁芯组合成一个元件，并将其电阻视作均匀电阻，选取接收端的各点作求解域；控制求解模型的面积；(2)建立极低频信号发射端与接收端物理场分析的数学模型；构建二维的物理场模型；构建两线圈之间的电磁场控制方程，构建磁感应强度与磁场强度、电流密度与电场强度之间、电位移矢量与电场强度之间的本构关系表示为：B＝μ0μ
r
H；式中，μ0为真空磁导率，μ
r
为材料磁导率，H为磁场强度，B为磁感应强度；J
c
＝σE；式中，σ为材料电导率，J
c
为电流密度，E为电场强度；D＝ε0ε
r
E；式中，ε0为真空中相对介电常数，ε
r
为材料相对介电常数，D为电位移矢量；显示研究频域的假设数学方程，将求解场的分量设置为面外矢势，离散化磁矢势为二次，因变量设置为磁矢势和磁矢势分量；(3)确定发射端与接收端物理场分析的边界模型：在电磁场计算的过程中，磁矢位在线圈处幅值最高，然后在外部空间衰减迅速并趋于0，同时，求解域内部磁矢势与导体电流方向垂直；边界1是输入边界，边界2、3、4为输出边界，设置为磁绝缘边界，在此以静态磁场有限元对所求对象进行相关分析，在静磁场中令：式中，A为矢量磁位；将上式带入麦克斯韦微分形式中：对于时谐电磁场，由矢量恒等式，并考虑到电磁衰减简化为：根据上式，利用泛函数的方法推导出电磁场的变分方程，然后通过有限元分解方法，对电磁场进行近似模拟；(4)使用COMSOL物理场仿真中的频域与时域分析，对网格进行划分，赋予特性；模拟极低频条件下的电磁环境，并对电磁信号进行数值仿真计算；(5)在研究中创建参数化扫描，对接收端在23.5Hz下进行多个不同位置的研究，对仿真数据进行多项式拟合，得到极低频信号穿透传播的规律。2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的地下极低频信号穿透传播模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳媛，何昊霖，任近静，王庆，李响，蔡杰，杨浩然，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：