一种煤矿井下开采工作面受限空间紫外光信道预测方法

本发明涉及煤矿通信与无线光信道建模，具体涉及一种煤矿井下开采工作面受限空间紫外光信道预测方法。

背景技术：

1、在煤矿井下智能化开采过程中，紫外光通信具有抗电磁干扰能力较强、保密性较好等特点，在煤矿井下通信中具有潜在应用价值。现有相关研究大多面向地面室内、走廊或自由空间等较简单场景，通常基于路径损耗、时延扩展或信道冲激响应等参数建立信道模型。该类方法在一般场景下具有一定参考价值，但用于煤矿井下开采工作面受限空间时仍存在不足。

2、现有模型多针对单一传播机制或简化传播条件建立，难以同时表征视距传播、宏观物体反射、微观粒子散射以及空气湍流扰动对井下紫外光传播的综合影响，因此难以准确描述井下受限空间中的实际传播特性。现有技术通常缺少将实测信道冲激响应cir与场景几何结构、表面材质、粉尘浓度、瓦斯浓度、温湿度和风速等环境特征进行联合约束的建模方法，导致模型参数与实际传播环境之间对应关系不清，场景适配性不足。现有技术虽然可以得到测量结果或仿真结果，但普遍缺少将模型输出cir与实测cir进行比较并据此迭代校准模型参数的闭环机制，因而模型精度和工程适用性仍然有限。

3、煤矿井下开采工作面受限空间具有空间狭窄、设备密集、遮挡严重、粉尘与瓦斯并存以及空气扰动明显等特点，紫外光传播过程中往往同时存在视距传播、宏观物体反射传播、微观粒子散射传播以及湍流扰动等多种机制，且各机制之间相互耦合，传统面向地面简化场景或单一传播机制的建模方法难以准确表征井下实际传播特性，因此需要建立一种能够对视距、反射、散射及湍流影响进行统一描述的紫外光信道建模方法。

4、现有信道模型缺乏实测信道冲激响应与环境特征联合约束的问题。井下紫外光传播不仅与传播距离、收发朝向有关，还受到巷道三维结构、设备表面材质、瓦斯浓度、粉尘浓度、温湿度、风速以及空气湍流等环境因素的共同影响，现有技术通常难以将实测cir与上述环境信息建立明确对应关系，导致模型参数与实际传播环境脱节，难以形成适用于井下具体场景的参数化信道模型，因此需要建立一种基于实测cir与环境特征联合约束的建模方法，以提高模型的场景适配性和物理一致性。

5、现有技术还存在模型参数难以依据实测结果进行有效校准的问题。现有技术虽然能够得到理论模型输出或仿真结果，但通常缺少将模型输出cir与实测cir进行比较，并根据比较结果对反射参数、散射参数及湍流参数进行迭代更新的闭环机制，导致模型输出结果与井下真实传播特性之间存在偏差，模型精度和工程适用性不足。因此，需要构建一种基于模型输出cir与实测cir比较结果的参数校准方法，使建立的信道模型能够不断逼近井下真实传播过程。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，提供一种煤矿井下开采工作面受限空间紫外光信道预测方法，针对现有技术中模型与井下实际传播环境不匹配、传播机制刻画不完整以及模型参数缺乏实测约束与校准的问题，在获取真实信道响应及环境特征信息的基础上，对视距分量与非视距分量进行区分，分别建立视距信道模型、宏观物体反射信道模型、微观粒子散射信道模型和湍流衰落模型，并通过模型输出cir与实测cir的比较实现参数迭代校准，从而得到适用于煤矿井下开采工作面受限空间的紫外光信道模型参数集。

2、为实现上述技术目的，本发明公开一种煤矿井下开采工作面受限空间紫外光信道预测方法，具体步骤如下：

3、s1、在煤矿井下开采工作面获取紫外光传播信道测量数据，并同步采集巷道内信息；

4、s2、获取紫外光传播测量数据中真实的信道频域响应，对信道响应cir进行时域分离，获得视距los分量与非视距nlos分量；

5、s3、利用los分量和nlos分量构建煤矿井下受限空间的紫外光传播信道模型；

6、s4、将紫外光传播信道模型预测的cir与实测cir进行比较，并迭代直至符合预设要求，利用完成迭代的紫外光信道模型实现工作面中紫外光信道的预测。

7、进一步，巷道内信息包括巷道及设备三维结构信息、设备表面材质信息、瓦斯浓度、粉尘浓度、温湿度、风速及空气湍流信息；通过紫外光传播信道测量数据和巷道内信息构建一一对应的关联数据集，用于为信道响应cir的时域分离、紫外光传播信道模型参数的确定以及模型参数的迭代校准提供环境约束依据。

8、进一步，对紫外光传播测量数据进行系统响应去除处理，得到真实的信道频域响应，并利用关联数据集中的收发距离、收发朝向及环境参数对真实信道频域响应进行标注和约束，提取出信道冲激响应、路径损耗、时延扩展及光强起伏参数，对真实的信道频域响应进行时域分离，获得视距los分量与非视距nlos分量；

9、紫外光传播测量数据中包含的环境特征向量为：

10、，

11、其中，表示收发距离，表示发射端朝向参数，表示接收端朝向参数，表示瓦斯浓度参数，表示粉尘浓度参数，表示环境温度，表示环境湿度，表示风速，表示湍流强度参数，表示表面反射率参数，表示表面粗糙度参数；

12、设紫外光传播测量中第i个发射单元至第j个接收单元的真实信道频域响应表示为：

13、，

14、其中，表示接收信号频谱，表示发射参考信号频谱，表示对应收发链路的综合系统频率响应；

15、由真实信道频域响应经逆傅里叶变换得到真实的信道冲激响应，即：

16、，

17、其中，表示真实信道冲激响应，表示逆傅里叶变换；

18、利用下式，由真实信道冲激响应计算路径损耗：

19、，

20、利用下式计算真实信道冲激响应对应链路的平均时延和均方根时延扩展：

21、，

22、，

23、其中，表示第n个时延采样点，为对应时延采样点处的功率值。

24、进一步，根据los分量建立与传播距离、发射朝向、接收朝向相关联的视距信道模型；根据nlos分量并结合关联数据集中的巷道及设备三维结构信息，将宏观反射体簇与实际井下物体对应，将微观散射体簇与井下气体、粉尘及水雾对应，分别建立宏观物体反射信道模型和微观粒子散射信道模型，并进一步结合实测光强起伏、光束弥散和光束漂移信息建立湍流衰落模型，形成煤矿井下受限空间紫外光传播信道模型。

25、进一步，所述视距信道模型表示如下：

26、，

27、，

28、，

29、其中，表示视距路径信道冲激响应，表示视距路径幅度增益，表示狄拉克脉冲函数，表示视距路径传播时延；表示视距路径比例系数，表示第i个发射单元的朗伯阶数，表示第j个接收单元的有效接收面积，表示第i个发射单元到第j个接收单元的传播距离，表示发射辐照角，表示接收入射角，表示总消光系数，表示接收视场限制下的示性函数，表示第j个接收单元的接收视场角，c表示光速。

30、进一步，所述宏观物体反射路径信道冲激响应表示为：

31、，

32、，

33、，

34、其中，表示可分辨反射路径总数，表示反射路径编号，表示第条反射路径的幅度增益，表示第条反射路径的传播时延；表示反射路径比例系数，表示第条反射路径对应反射面的反射率，表示镜面反射分量占比，表示入射角，表示相对镜面方向的偏离角，表示镜面反射指数，表示发射单元到反射点的距离，表示反射点到接收单元的距离。

35、进一步，所述微观粒子散射路径信道冲激响应表示为：

36、，

37、，

38、其中，表示有效散射体积，表示散射路径比例系数，表示等效散射系数，表示散射相函数，表示散射角，表示发射单元到散射体微元的距离，表示散射体微元到接收单元的距离，表示体积微元；表示总消光系数，表示气体吸收系数，表示气体散射系数，表示粉尘吸收系数，表示粉尘散射系数；

39、工作步长时的粉尘散射系数与粉尘吸收系数分别满足:

40、，

41、，

42、其中，表示工作波长，r表示粉尘粒子半径，和分别表示粉尘粒子半径的最小值和最大值，表示散射效率因子，表示吸收效率因子，表示粉尘颗粒的复折射率，表示粉尘粒径分布函数。

43、进一步，将视距路径信道冲激响应、宏观物体反射路径信道冲激响应与微观粒子散射路径信道冲激响应进行叠加，得到无湍流条件下的总信道冲激响应：

44、，

45、为进一步表征井下空气湍流对紫外光传播过程的随机扰动作用，基于实测接收信号的光强起伏、光束弥散及光束漂移信息计算湍流衰落因子：

46、，，

47、其中，表示对数幅度起伏随机过程，表示均值为0、方差为的高斯分布；

48、将实测湍流统计特征引入湍流衰落因子，随机过程方差满足：

49、，

50、其中，表示闪烁指数，闪烁指数满足:

51、，

52、其中，表示第i个发射单元到第j个接收单元链路的接收光强随机变量；

53、结合湍流衰落因子，形成紫外光传播信道模型预测的cir，第i个发射单元至第j个接收单元的总信道冲激响应表示为：

54、。

55、进一步，将紫外光传播信道模型预测的cir与实测cir在总持续时间、分时延区间能量分布和时延扩展参数上进行比较，并根据比较结果迭代更新反射参数、散射参数及湍流参数，直至紫外光传播信道模型预测的cir与实测cir之间的误差小于预设阈值；

56、构建以实测cir与模型输出cir差异为目标的参数更新模型：

57、，

58、其中，表示待优化的紫外光传播信道模型参数向量，表示优化后的紫外光传播信道模型参数向量，表示使目标函数取得最小值的参数求解过程，表示实测信道冲激响应值，表示紫外光传播信道模型输出的信道冲激响应值，表示第n个时延采样点的权重系数；紫外光传播信道模型参数向量包括反射面反射率参数、表面粗糙度参数、反射阶数参数、散射阶数参数、散射体分布参数及湍流强度参数；

59、在参数更新过程中，将紫外光传播信道模型输出cir与实测cir在总持续时间、分时延区间能量分布和均方根时延扩展三个层面进行比较，并根据比较结果迭代更新反射阶数、散射阶数和散射体分布参数，直至模型输出与实测cir的差异小于预设阈值。

60、一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与存储器电性连接，存储器用于存储指令和数据，处理器用于执行煤矿井下开采工作面受限空间紫外光信道建模方法。

61、有益效果：本发明具有较强的场景针对性和环境适配性。通过将实测cir与巷道结构、表面材质、瓦斯浓度、粉尘浓度、温湿度、风速及空气扰动等环境特征进行联合约束，能够使建立的模型与煤矿井下开采工作面受限空间的实际传播环境相对应，较传统地面简化场景下建立的模型更适合用于井下紫外光传播特性的分析。其次，本发明能够对井下紫外光传播中的多种传播机制进行统一表征。通过分别建立视距、宏观反射、微观散射及湍流衰落模型，并在统一的总信道冲激响应框架下进行表达，有利于更清晰地反映各类传播机制对井下紫外光信道的影响，提高信道模型的物理意义和建模完整性。并且，本发明具有良好的模型校准能力和工程应用价值。通过构建模型输出cir与实测cir的比较与迭代更新机制，能够根据井下实际测量结果对模型参数进行修正，减少模型参数与实际场景之间的偏差，从而提高模型在不同井下场景中的适用性，为煤矿井下紫外光通信系统的信道分析、链路设计和性能评估提供依据。最后，本发明技术路线清晰，建模过程完整。本方法以实测数据为基础，以环境特征为约束，以分机制建模和参数校准为核心，形成了较为完整的井下紫外光信道建模流程，既有利于对煤矿井下复杂传播特性进行分析，也便于在后续井下紫外光通信系统研究与应用中推广使用。