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透地通信技术难点分析

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1透地通信系统的研究历史和现状

PED系统曾在大同煤矿集团公司煤峪口矿、王村矿、燕子山矿等6个矿、郑州煤炭工业集团有限责任公司告成煤矿、鹤壁矿务局和内蒙古大雁矿务局等处安装使用,但应用效果不太理想,已停止运行。美国Transtek公司推出的TeleMag是一种低频电磁波透地通信系统,具有双向语音通信功能。它采用半双工通信模式,工作频率为3~8kHz,地面和井下设置直径为18.3m的环形天线,采用DSP滤波技术消除噪声,最大通信距离为305m。2006年进行了该系统的样机测试,其双向通信能穿透85m的地层。2009年Transtek公司又推出了第二代TeleMag系统,该系统经在美国一个煤矿测试,达到了防爆要求。该系统采用DSP数字压缩技术,能够实现双向语音通信,通信距离超过183m。加拿大VitalAlert公司推出了CanaryMineMessenger透地通信系统,如图1所示。它采用3~30kHz甚低频电磁波,工作频段为2~9kHz,音频信号穿透岩石、土壤、混凝土等的深度为304.8m,数据信号可穿透岩石、土壤、混凝土等的深度为457.2m。美国LockheedMartin开发的MagneLinkTMMagneticCommunicationSystem(MCS)透地通信系统采用甚低频电磁波,可穿透地层实现井上、井下双向文本及语音的传输,地面与井下双向透地距离可达457m。2010年6月,该系统实现了多单元组网,并实现了与地面通信系统的接通并网。我国在矿井透地通信系统的开发方面,有中煤科工集团西安研究院开发的岩体无缆应急救灾通信系统。该系统将收发双方通信机各自的收发电极分别打入地下,利用岩层传播信号。该系统的通信频段为500kHz或455kHz,信道带宽为6kHz,在同一岩层中传输距离约为350m。

2透地通信系统的技术难点和主流技术分析

2.1主要技术难点

透地通信系统的超低频或甚低频电磁波是在煤层和岩层中传输,煤层和岩层的传输损耗较大,为半导电媒介,低频电磁波在其中的传输特性、衰减特性及干扰特性目前没有现成的模型。

透地通信系统需经地层进行信号传输,接收点接收到的有效信号非常弱,这给信号的有效接收和处理带来一定的困难。低频透地通信系统一般采用甚低频频段,该频段电磁波波长长,传输所需的天线尺寸大、效率低;而矿用无线通信系统由于受到巷道条件的限制,天线的长度、安装方式等受到一定的限制。矿用设备在设备功率、工作电流、射频输出功率等方面均有严格的安全规范要求,功率过大,就不适合在煤矿井下使用。

2.2主流技术分析

现有的透地通信系统都是以大地为超低频或甚低频电磁波的传输媒介,利用超低频或甚低频电磁波穿透大地的无线通信原理进行透地通信。系统主要包括地面天线、地面收发讯机、大地传输信道、井下天线及井下收发讯机等部分。当发生紧急情况,其他通信系统全部瘫痪时,超低频信号穿透岩层,实现语音和数据的双向通信功能。这是目前为止各种透地通信系统采用的技术方案。目前,各研究单位为了使透地通信达到更好的使用效果,纷纷把研究重点放在提高天线利用率、增强抗干扰能力、提高信道容量、选择电磁波频率、双向通信等方面。其中,天线的设计对信道特性的影响尤为明显。透地通信的天线主要有终端短路天线、环形天线和螺旋天线等。参考文献为提高天线的利用率和增强抗干扰能力,把天线设计的重点放在天线的形式选择、发送信号的调制方式和提高接收信噪比等方面,作者以100m长的终端短路单极天线作为发射接收天线设计了一种透地通信系统。中煤科工集团西安研究院的无缆通信装置采用的也是终端短路单极天线。美国洛克希德•马丁公司(LockheedMartin)的MagneLink甚低频电磁波透地通信系统则采用环状天线。2008年7月,美国锡拉丘兹大学的GhoshDebalma等在IEEE天线与传播学会国际学术研讨会上提出了使用螺旋天线的透地矿井通信系统设计方案,即井下的发射机采用螺旋天线发射电磁波,矿区地面设置合理的接收机,从而有效地维持地面与地下的通信。透地通信的工作频段多是甚低频或超低频频段。澳大利亚MineSiteTechnologies公司开发的井下无线通信与紧急救援指挥系统采用400~1000Hz的超低频信号;2006年,美国劳工部矿山安全和卫生行政部门在研究了甚低频无线电信号传播特性的基础上,提出无线透地语音通信系统的工作频率为3~8kHz;美国Transtek公司生产的TeleMag工作频率为3~8kHz。此外,弹性波(ElasticWave)透地通信正以其在地层中传播时传输衰减相对较小的优势崭露头角。国内外对弹性波传播特性的研究重点主要放在地震波和其他低频弹性波方面。有关资料显示,10Hz的地震波在地壳中能够传输数万千米,100Hz的地震波在地壳中能够传输数千米。弹性波透地通信的优点是弹性波在大地中具有较好的载波特性,与电磁波相比,它能更好地与大地介质耦合,使能量的利用效率大大提高。近期,弹性波透地通信的研究热点集中在弹性波透地信号的接收方法、大地信道探测方法、大地介质的压电效应和多径效应以及各种损耗与地层相关的参数与信号衰落的关系等方面。

3透地通信系统在矿井的应用前景

透地通信系统虽然存在信道带宽窄、通信距离相对短的缺点,但其固有的抗毁性是其他通信系统无法替代的,主要应用场合分述如下。

3.1用于避难硐室与地面的备份通信链路

当灾难或事故发生时,避难硐室与地面的光纤

链路极易受到损坏,导致地面与井下无法建立通信连接,救助救援缺乏现场第一手的信息资料,将为应急救灾带来极大的难度。透地通信系统作为光纤链路的备份通信手段,可在光纤主链路受损情况下,为地面和井下提供双向的语音和数据通信,而不受周边环境变化的影响,是避难硐室首选的无线通信技术。

3.2用于应急救援通信系统的延伸

透地通信系统提供专用语音和数据接口,可与本质安全型应急救援通信系统配合,建立地面和井下的双向通信链路,实现地面指挥中心和井下指挥中心与终端之间的通信联络功能。

3.3与矿井主干网互连,实现矿井主传输通道的可靠备份

透地通信系统支持多种数据接口,可与现有工业以太环网、WiFi无线通信系统或2G/3G无线通信系统(CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等)互连,实现矿井主传输通道的可靠备份。

4结语

当前,对透地通信的研究主要集中于采用低频电磁波实现透地通信,只是天线方式、工作频率和调制方式有所不同,该类透地通信系统可适合不同的地质条件和应用场所。对采用低频弹性波实现透地通信的研究不多,由于低频弹性波在地层中传播时传输衰减相对较小,未来该类透地通信系统有望成为透地通信的一种主要方式。随着技术的不断发展和器件工艺的不断提高,透地通信的传输速率、通信距离将会不断提高。鉴于透地通信不受矿井灾害的影响,可以预见透地通信将是现在和未来一定时期内首选的、非常可靠的应急救援通信手段。

本文作者:霍振龙单位:中煤科工集团常州自动化研究院

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