透地通信技術難點分析范文

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1透地通信系統的研究歷史和現狀

PED系統曾在大同煤礦集團公司煤峪口礦、王村礦、燕子山礦等6個礦、鄭州煤炭工業集團有限責任公司告成煤礦、鶴壁礦務局和內蒙古大雁礦務局等處安裝使用，但應用效果不太理想，已停止運行。美國Transtek公司推出的TeleMag是一種低頻電磁波透地通信系統，具有雙向語音通信功能。它采用半雙工通信模式，工作頻率為3～8kHz，地面和井下設置直徑為18．3m的環形天線，采用DSP濾波技術消除噪聲，最大通信距離為305m。2006年進行了該系統的樣機測試，其雙向通信能穿透85m的地層。2009年Transtek公司又推出了第二代TeleMag系統，該系統經在美國一個煤礦測試，達到了防爆要求。該系統采用DSP數字壓縮技術，能夠實現雙向語音通信，通信距離超過183m。加拿大VitalAlert公司推出了CanaryMineMessenger透地通信系統，如圖1所示。它采用3～30kHz甚低頻電磁波，工作頻段為2～9kHz，音頻信號穿透巖石、土壤、混凝土等的深度為304．8m，數據信號可穿透巖石、土壤、混凝土等的深度為457．2m。美國LockheedMartin開發的MagneLinkTMMagneticCommunicationSystem（MCS）透地通信系統采用甚低頻電磁波，可穿透地層實現井上、井下雙向文本及語音的傳輸，地面與井下雙向透地距離可達457m。2010年6月，該系統實現了多單元組網，并實現了與地面通信系統的接通并網。我國在礦井透地通信系統的開發方面，有中煤科工集團西安研究院開發的巖體無纜應急救災通信系統。該系統將收發雙方通信機各自的收發電極分別打入地下，利用巖層傳播信號。該系統的通信頻段為500kHz或455kHz，信道帶寬為6kHz，在同一巖層中傳輸距離約為350m。

2透地通信系統的技術難點和主流技術分析

2．1主要技術難點

透地通信系統的超低頻或甚低頻電磁波是在煤層和巖層中傳輸，煤層和巖層的傳輸損耗較大，為半導電媒介，低頻電磁波在其中的傳輸特性、衰減特性及干擾特性目前沒有現成的模型。

透地通信系統需經地層進行信號傳輸，接收點接收到的有效信號非常弱，這給信號的有效接收和處理帶來一定的困難。低頻透地通信系統一般采用甚低頻頻段，該頻段電磁波波長長，傳輸所需的天線尺寸大、效率低；而礦用無線通信系統由于受到巷道條件的限制，天線的長度、安裝方式等受到一定的限制。礦用設備在設備功率、工作電流、射頻輸出功率等方面均有嚴格的安全規范要求，功率過大，就不適合在煤礦井下使用。

2．2主流技術分析

現有的透地通信系統都是以大地為超低頻或甚低頻電磁波的傳輸媒介，利用超低頻或甚低頻電磁波穿透大地的無線通信原理進行透地通信。系統主要包括地面天線、地面收發訊機、大地傳輸信道、井下天線及井下收發訊機等部分。當發生緊急情況，其他通信系統全部癱瘓時，超低頻信號穿透巖層，實現語音和數據的雙向通信功能。這是目前為止各種透地通信系統采用的技術方案。目前，各研究單位為了使透地通信達到更好的使用效果，紛紛把研究重點放在提高天線利用率、增強抗干擾能力、提高信道容量、選擇電磁波頻率、雙向通信等方面。其中，天線的設計對信道特性的影響尤為明顯。透地通信的天線主要有終端短路天線、環形天線和螺旋天線等。參考文獻為提高天線的利用率和增強抗干擾能力，把天線設計的重點放在天線的形式選擇、發送信號的調制方式和提高接收信噪比等方面，作者以100m長的終端短路單極天線作為發射接收天線設計了一種透地通信系統。中煤科工集團西安研究院的無纜通信裝置采用的也是終端短路單極天線。美國洛克希德•馬丁公司（LockheedMartin）的MagneLink甚低頻電磁波透地通信系統則采用環狀天線。2008年7月，美國錫拉丘茲大學的GhoshDebalma等在IEEE天線與傳播學會國際學術研討會上提出了使用螺旋天線的透地礦井通信系統設計方案，即井下的發射機采用螺旋天線發射電磁波，礦區地面設置合理的接收機，從而有效地維持地面與地下的通信。透地通信的工作頻段多是甚低頻或超低頻頻段。澳大利亞MineSiteTechnologies公司開發的井下無線通信與緊急救援指揮系統采用400～1000Hz的超低頻信號；2006年，美國勞工部礦山安全和衛生行政部門在研究了甚低頻無線電信號傳播特性的基礎上，提出無線透地語音通信系統的工作頻率為3～8kHz；美國Transtek公司生產的TeleMag工作頻率為3～8kHz。此外，彈性波（ElasticWave）透地通信正以其在地層中傳播時傳輸衰減相對較小的優勢嶄露頭角。國內外對彈性波傳播特性的研究重點主要放在地震波和其他低頻彈性波方面。有關資料顯示，10Hz的地震波在地殼中能夠傳輸數萬千米，100Hz的地震波在地殼中能夠傳輸數千米。彈性波透地通信的優點是彈性波在大地中具有較好的載波特性，與電磁波相比，它能更好地與大地介質耦合，使能量的利用效率大大提高。近期，彈性波透地通信的研究熱點集中在彈性波透地信號的接收方法、大地信道探測方法、大地介質的壓電效應和多徑效應以及各種損耗與地層相關的參數與信號衰落的關系等方面。

3透地通信系統在礦井的應用前景

透地通信系統雖然存在信道帶寬窄、通信距離相對短的缺點，但其固有的抗毀性是其他通信系統無法替代的，主要應用場合分述如下。

3．1用于避難硐室與地面的備份通信鏈路

當災難或事故發生時，避難硐室與地面的光纖

鏈路極易受到損壞，導致地面與井下無法建立通信連接，救助救援缺乏現場第一手的信息資料，將為應急救災帶來極大的難度。透地通信系統作為光纖鏈路的備份通信手段，可在光纖主鏈路受損情況下，為地面和井下提供雙向的語音和數據通信，而不受周邊環境變化的影響，是避難硐室首選的無線通信技術。

3．2用于應急救援通信系統的延伸

透地通信系統提供專用語音和數據接口，可與本質安全型應急救援通信系統配合，建立地面和井下的雙向通信鏈路，實現地面指揮中心和井下指揮中心與終端之間的通信聯絡功能。

3．3與礦井主干網互連，實現礦井主傳輸通道的可靠備份

透地通信系統支持多種數據接口，可與現有工業以太環網、WiFi無線通信系統或2G／3G無線通信系統（CDMA2000／WCDMA／TD－SCDMA等）互連，實現礦井主傳輸通道的可靠備份。

4結語

當前，對透地通信的研究主要集中于采用低頻電磁波實現透地通信，只是天線方式、工作頻率和調制方式有所不同，該類透地通信系統可適合不同的地質條件和應用場所。對采用低頻彈性波實現透地通信的研究不多，由于低頻彈性波在地層中傳播時傳輸衰減相對較小，未來該類透地通信系統有望成為透地通信的一種主要方式。隨著技術的不斷發展和器件工藝的不斷提高，透地通信的傳輸速率、通信距離將會不斷提高。鑒于透地通信不受礦井災害的影響，可以預見透地通信將是現在和未來一定時期內首選的、非常可靠的應急救援通信手段。

本文作者：霍振龍單位：中煤科工集團常州自動化研究院