近日，同济大学工程风险研究团队施静康博士、王飞副研究员、张东明教授、黄宏伟教授和悟莘科技的吴俨博士在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上发表了题为“Refined numerical simulation of signal propagation in soils for wireless underground sensor networks”的研究论文，报道了无线地下传感器网络中电磁波信号在土中传输规律的最新研究成果。

  无线地下传感器网络（WUSN）在地下结构健康监测领域具有广阔的应用前景。在WUSN的设计和现场安装中（见图1），由于土对电磁波的吸收，信号路径损耗预测是一个巨大的挑战。由于忽略了传感支点的细部构造，现有的无线信号传输模型无法准确预测总路径损耗。

  为了考虑埋入式传感器支点的细部构造（见图2），包括天线、同轴馈线、电池、PCB板和保护性PVC外壳，本文在FEKO中建立了精细化电磁数值模型来模拟信号在土壤中的传输（见图3）。利用自由空间中的Friis方程和室外信号传输实验对所建立的数值模型进行了验证。与解析传输模型相比，所建立的数值模型能够很好地考虑传感器支点本身引起的能量损耗，而且能够模拟信号在非均质土壤中的传播。由于直射波、反射波和折射波的耦合，信号路径损耗在非均质土壤中会发生波动。

图1 无线地下传感器网络的信号传输场景

图2 WUSN埋入式传感器支点的细部构造

图3 WUSN埋入式传感器支点的计算电磁学建模

图4 土壤物理特性、信号传输频率、支点相对安装角度、土壤非均匀性对土中信号路径损耗的影响

  研究表明：土壤颗粒组成和含水率、信号频率、支点相对安装角度和土壤非均匀性对总路径损耗均存在显著影响（见图4）。为了最大限度地减少信号路径损耗，最优传输频率在0.56–0.65 GHz范围。本文的研究为地下无线传感器网络的信号损耗预测提供了适用性强的数值方法，不仅可以指导支点的实际布设安装，还能优化传感支点的结构设计和传输频率，促进了WUSN在地下工程智能监测中的应用。

第一作者

施静康 博士

邮箱：1710704@tongji.edu.cn

第二作者和通讯作者

王飞 副研究员

邮箱：wangf@tongji.edu.cn

第三作者

张东明 教授

邮箱：09zhang@tongji.edu.cn

第四作者

黄宏伟 教授

邮箱：huanghw@tongji.edu.cn

第五作者

吴俨 博士

邮箱：wuyan@wisen.com

文献引用

Shi, J., Wang, F., Zhang, D., Huang, H., & Wu, Y. (2023). Refined numerical simulation of signal propagation in soils for wireless underground sensor networks. Tunnelling and Underground Space Technology, 140, 105312.

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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105312

撰稿：施静康、谢小创

编辑：陈辉浩

校对：吴双益

审核：黄忠凯