钢轨是坑道中比较常见的设施,当发生矿难时,坍塌的泥土、岩石等有可能会造成常规有线、无线通信信道中断,钢轨由于其物理特性,通常不会发生断裂,仍能够穿过坍塌物体。弹性波信号可以通过钢轨直接连通被困人员与救援人员,因此可以通过钢轨信道传输弹性波信号,弹性波信号上承载低码率数字信号,传递关键救援信息。基于钢轨的应急通信系统可以作为一种非常规情况下的补充应急通信手段。针对钢轨中振动信号传播特性,论文首先介绍了弹性波振动基本理论及相关概念;然后研究了有限元数值分析方法在弹性导波中的应用;继而在ANSYS中建立了钢轨的有限元分析模型,采用有限元特征频率法研究了常规波导结构、任意形状横截面钢轨结构中弹性导波的传播特性。针对影响钢轨波导中振动信号传播的关键要素,论文首先根据周期性轨道结构的弹性波带隙特性,明确了钢轨通信系统中载波频率的选择理论依据;然后根据灾害发生后,钢轨信道所处的不同环境条件,进一步研究了钢轨长度,约束方式对钢轨特征频率的影响;继而基于弹性波边界理论研究了弹性波信号在不同钢轨边界条件时的反射和透射特性。针对在低带宽复杂环境下信息加载及信号检测,论文首先研究了系统中激振源和接收换能器的工作原理;然后针对振动信号传播时噪声,信道特点,研究了振动信号检测降噪算法;继而针对钢轨信道传输带宽小,研究了适合钢轨传输的语音编码方式,实现对语音信息的压缩,减小信道中数据传输量。针对通信系统的振源定位,论文研究了多加权复合振源定位方法。首先研究了根据信号衰减确定振源位置,并对灾害导致轨道被掩埋、损坏、岔道对振动源距离测量精度影响进行了分类研究;然后基于不同位置激振源的频谱特性差异,采用频谱特征标签作为激振源的定位凭据;继而借鉴了以太网基于RFC2544协议测试时延的方法,研究以时间测量法定位激振源位置。针对钢轨通信系统的原理及具体实现,论文首先基于软件无线电原理及思想,提出了以钢轨为传输信道的通信系统软硬件实现方案;然后针对钢轨通信系统信源、信道、信宿的特点,研究了钢轨通信系统的通信原理,设计了整机实现方案,系统通信协议,系统通信处理机制;继而研究分析了振动通信系统中干扰噪声的源头,噪声对信号的影响,并提出了对应的抗干扰技术,实现对关键语音信息,关键文本的正常低误码传输。在论文最后对项目创新点和研究工作进行了总结,讨论了未来的研究方向。