[發(fā)明專利]一種煤塵對礦井VLC信號衰減影響的分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410371156.0
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104135321A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設計）人: 張申;翟彥蓉;黃凱;張然;韓麗娜;朱夢影
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: H04B10/075
• 分類號: H04B10/075;H04B10/116
• 代理公司: 徐州市三聯(lián)專利事務所 32220
• 代理人: 劉囝

1.一種煤塵對礦井VLC信號衰減影響的分析方法，其特征在于，該方法是在煤礦工作面可見光通信系統(tǒng)中，先將通信光源軸對稱均勻布局在液壓支架頂板上，采用對可見光信號高度靈敏的光電倍增管作為接收端接收并放大信號；然后利用米氏散射原理得到單個煤塵粒子散射和吸收光強度程度；再根據(jù)羅森-拉姆勒方程建立煤塵分散度函數(shù)逼近工作面煤塵粒徑的分布情況，結合米氏散射原理，得到工作面不同粒徑多粒子消光因子，結合通信光源光照模型求得整個工作面不同粒徑煤塵對光電倍增管接收到的光信號功率衰減大小；根據(jù)信號衰減后功率值，分析工作面可見光通信系統(tǒng)的信噪比和誤碼率的變化，光通信鏈路中噪聲考慮散粒噪聲和熱噪聲。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種煤塵對礦井VLC信號衰減影響的分析方法，其特征在于，所述利用米氏散射原理得到單個煤塵粒子散射和吸收光強度程度的具體方法是：

步驟1、獲得單個煤塵粒子角系數(shù)π_n、τ_n

其中，為散射角，為一階n次第一類締合勒讓德函數(shù)，為第一類勒讓德函數(shù)；

步驟2、獲得米氏散射系數(shù)a_n、b_n：

an=Ψn(α)Ψn′(mα)-mΨn(α)Ψn(mα)ξn(a)Ψn′(mα)-mξn′(a)Ψn(mα),bn=mΨn(α)Ψn′(mα)-Ψn′(α)Ψn(mα)mξn(a)Ψn′(mα)-ξn′(a)Ψn(mα)]]>

其中，Ψn(z)=(zπ2)1/2J(1)n+12(z),ξn(z)=(zπ2)1/2H(2)n+12(z),]]>α為尺寸粒子參數(shù)(α＝2πr/λ)，m＝m₁-im₂為粒子復折射率，和分別為半奇階的第一類貝塞爾和第二類漢克爾函數(shù)，Ψ′_n、ξ′_n為對各自變量的微商；

步驟3、根據(jù)米氏散射原理獲得消光過程中粒子散射系數(shù)Q_s、吸收系數(shù)Q_a、消光系數(shù)Q_e，

Q_e＝Q_s+Q_a，

Qs=2α2Σn=1∞(2n+1)(|an2|+|bn2|),Qe=2α2Σn=1∞(2n+1)Re(an+bn);]]>

步驟4、光束通過粒子散射吸收作用，光信號的衰減后平均接收功率P_r為：P_r＝P_tH(0)，Pt為發(fā)射功率，I＝I₀e^(-γl)，

其中，A為光電探測器的光接收面積，R為探測器光電轉換效率，l為通信光源到光電倍增管垂直距離，γ為消光因子，I₀為初始光強，d為粒子直徑，m為粒子復折射率，θ為光入射角，為光發(fā)射角。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種煤塵對礦井VLC信號衰減影響的分析方法，其特征在于，所述根據(jù)羅森-拉姆勒方程建立煤塵分散度函數(shù)逼近工作面煤塵粒徑的分布情況，得到工作面不同粒徑多粒子消光因子，結合通信光源光照模型求得整個工作面不同粒徑煤塵對光電倍增管接收到的光信號功率衰減大小及信噪比情況，具體步驟是：

步驟1、首先，對礦井工作面煤塵進行采樣得到羅森-拉姆勒表達式及與粉塵粒度分布有關的羅森-拉姆勒系數(shù)β、n；R為篩上殘留率，即大于某粒徑粉塵累計質量占總量的百分比，x為粉塵粒徑；

步驟2、得到粒徑x和x+dx之間尺寸分布函數(shù)：

dYn(x)=Mtβnx(n-1)ρ(4/3)πx3Ntdx,]]>

式中：ρ為原煤密度，N_t為單位體積內煤塵粒子總個數(shù)，M_t為單位體積內煤塵總質量；

步驟3、得到粒徑x和x+dx之間煤塵個數(shù)為：

dN_a＝N_tdY_n(x)，即：dNa=Mtβnx(n-1)ρ(4/3)πx3dx;]]>

步驟4、煤礦工作面單位體積內含多粒子不同粒徑消光因子γ為：

γ=∫0∞QeN(r)πr2da,]]>

其中，N(r)為礦井工作面煤塵粒子粒度尺寸分布；

步驟5、光束通過粒子散射吸收作用，光信號的衰減后平均接收功率P_r為：P_r＝P_tH(0)，Pt為發(fā)射功率，I＝I₀e^(-γl)，

其中，A為光電探測器的光接收面積，R為探測器光電轉換效率，l為通信光源到光電倍增管垂直距離，γ為消光因子，I₀為初始光強，d為粒子直徑，m為粒子復折射率，θ為光入射角，為光發(fā)射角；

步驟6、光通信鏈路中散粒噪聲和熱噪聲為：

σshot2=2qRPrB+2qIbgI2B,σth2=8πkTkGηAI2B2+16π2kTkΓgmη2A2I3B3,]]>

式中：q為電子電量，R為探測器光電轉換效率，B為接收電路等效噪聲帶寬，I_bg為暗電流，I₂為噪聲帶寬因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T_k為絕對溫度，G為開環(huán)電壓增益，η為探測器單位面積的固定電容，A為光電探測器接收面積，Γ為場效應晶體管的噪聲因子，g_m為場效應晶體管跨導；

步驟7、由光信號的衰減后平均接收功率P_r及所述的光通信鏈路中散粒噪聲和熱噪聲得到系統(tǒng)的信噪比為：根據(jù)不同的調制方式則可分析系統(tǒng)誤碼率情況。