礦井透地無線通信系統(tǒng)研究綜述

鮑祖尚，潘 萍

（長沙師范學院 電子信息工程系，湖南 長沙 410100）

礦井透地無線通信系統(tǒng)研究綜述

鮑祖尚，潘 萍

（長沙師范學院 電子信息工程系，湖南 長沙 410100）

無線通信系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)、高效搶救的重要保證，而透地通信系統(tǒng)又是最可靠地通信方式，近年來一直是國內(nèi)外研究的熱點。對礦井透地無線通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了分析，并指出了今后的研究方向。

礦井；無線通信系統(tǒng)；透地

1 礦井無線通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

國外早在上個世紀三十年代就已經(jīng)開展對地下無線通信的研究，但發(fā)展相當緩慢，直到二戰(zhàn)之后，美、蘇等國為適應地球物理勘測和核戰(zhàn)爭的需要投入巨大的人力物力來進行地下無線通信的研究，地下通信取得了很大的發(fā)展。上世紀50年代末，國內(nèi)外才出現(xiàn)了一些有關(guān)地下通信的論文及研究報告。IEEE.A.P 1963年5月發(fā)表了地下通信專刊；前蘇聯(lián)也發(fā)表了大量有關(guān)地下通信的論文及研究報告，并召開過全蘇聯(lián)地下通信會議；1983年英國采礦開發(fā)研究院推出了MRD83400型礦井無線電泄漏通信系統(tǒng)。加拿大的愛儀公司和澳大利亞的礦通公司先后推出具有高速信息公路功能的井下漏泄通信系統(tǒng)。

以上提到的這些系統(tǒng)都是利用漏泄電纜的漏泄原理實現(xiàn)礦井無線電通信。不同于一般無線通信，它們用漏泄同軸電纜替代基地站的普通天線，漏泄同軸電纜附近的移動臺通過與泄電纜的漏泄耦合實現(xiàn)與基地站的移動通信。但是漏泄電纜成本高，當系統(tǒng)過分龐大時，過多的雙向增音器級連，噪音易累加，信道不穩(wěn)定。而且這些系統(tǒng)需要輻射發(fā)射線鋪設在礦內(nèi)或地下區(qū)域，要求在爆炸或塌方時也不致被破壞，這在許多地下險情發(fā)生時幾乎難以做到。因此，漏泄系統(tǒng)在地下險情發(fā)生時并不可靠。

法國研制的依靠地下巷道中原有的動力電纜、軌道等導體感應的中頻(MF)通信設備[1]，該種技術(shù)需要有導體(或電纜)的存在，當導體收到破壞時，通信將中斷。

日本、德國研制的需要預鋪設導線的低頻(LF)感應通信利用電磁感應原理實現(xiàn)通信[2]，頻率往往選擇在中低頻，發(fā)話時移動通信機的磁性天線十分接近感應線且發(fā)射天線尺寸較大，容易受到井內(nèi)其他電磁噪聲的干擾，稍遠離感應體信道不穩(wěn)定，使得感應通信的語音通話質(zhì)量不理想。

透地通信系統(tǒng)是一種以分層大地作為傳播媒質(zhì)，無線電波穿透大地的無線電通信方式。由于大地信道的穩(wěn)定特性，且不受自然災害、礦井事故等影響，被認為是最可靠的應急通信方式。但是大地不同介質(zhì)層的吸收、反射、透射、折射情況復雜，限制了大地信道在通信系統(tǒng)中的應用，進展十分緩慢。

2 透地無線通信系統(tǒng)工作原理

目前，透地信息獲取或傳輸主要有電場、磁場、電磁波和彈性波等多種方式，但真正能夠滿足通信帶寬實際需要的只有電磁波和彈性波信道[3]。利用電磁波進行透地通信系統(tǒng)包括五個主要部分：發(fā)射設備、發(fā)射天線、大地無線信道、接收天線、接收設備。其原理框圖如圖1所示。

圖1 透地無線通信系統(tǒng)工作原理框圖

3 透地無線通信系統(tǒng)的研究

礦井透地通信由于其地理環(huán)境的復雜性，理論研究較為困難，主要以實驗為基礎(chǔ)緩慢發(fā)展起來，幾十年來發(fā)展緩慢，其趨勢遠遠落后于蓬勃發(fā)展的地面無線通信。

直至1961年南非研制了工作頻率在350 KHz的透地通信系統(tǒng)后，全球相繼出現(xiàn)了關(guān)于透地通信的研究專利和文獻。1988年美國專利Larry G.Stolarczyk[4]提出了一種在中頻范圍(300kHz--3MHz)中可操作以用于地下礦井通信的無線電通信系統(tǒng)，該無線電通信系統(tǒng)將MF載波信號耦合到向礦井和礦井內(nèi)的設備內(nèi)延伸的現(xiàn)有傳導通道中，并且耦合到傳導通道。但是這種系統(tǒng)需要用于傳達信號的傳導通道。2006年ZviH.Meiksin[5]等人提出了一種用于在能量傳輸有限的范圍內(nèi)通信的方法和系統(tǒng)。遍布場所的多個RF收發(fā)器位于場所范圍內(nèi)，在每個位置，RF收發(fā)器連接到控制單元。

美國錫拉丘茲大學的Ghosh-Debalina等人于2008年7月在IEEE天線與傳播學會國際學術(shù)研討會上首次提出使用螺旋天線的透地礦井通信系統(tǒng)設計方案，通過在礦區(qū)地面上設計合理的接收機可以有效地維持與地下發(fā)射機的通信。

我國在透地通信系統(tǒng)方面的研究比較少，在引進國外應急救災系統(tǒng)的同時，開展了一些試驗應用系統(tǒng)和理論研究工作。劉曉佩[1]提出了一種采用擴頻技術(shù)、可數(shù)字化實現(xiàn)的礦井透地通信系統(tǒng)方案。陳二虎[7]通過分析了大地媒質(zhì)的特性，建立了礦井透地無線通信系統(tǒng)在均勻介質(zhì)或近似于均勻的介質(zhì)巖層中的傳播理論模型。李攀登[7]分析了彈性波在大地信道中的衰減特性，根據(jù)彈性波的衰減特性設計了透地OFDM調(diào)制系統(tǒng)框架。鄧敏[8]研究了聲波透地通信系統(tǒng)中的OFDM編碼方案及子載波間交織算法，探討了聲波透地通信系統(tǒng)中信道探測方案和最佳接收方案的設計。李彥博等人[9]針對現(xiàn)有透地通信系統(tǒng)天線尺寸較大、可移動性差、無法實現(xiàn)雙向通信的問題，設計了中心頻率為500 kHz的中波小型方環(huán)天線，并對天線的阻抗特性、匹配性能及通信距離進行了理論分析及側(cè)試研究。郭銀景[10]等人提出了一種低速率礦山透地通信擴頻信號的快速捕獲方法研究。

但目前實用的透地通信系統(tǒng)有澳大利亞開發(fā)的PED井下無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了超低頻信號穿透巖層進行傳輸[11]，主要應用在緊急情況發(fā)生時，其它通信方式完全中斷，通過PED發(fā)射系統(tǒng)，使其超低頻信號穿透巖層到達井下任何位置，迅速有效地與井下人員通信，在目前全世界透地通信系統(tǒng)中仍屬于應用性較強的系統(tǒng)，但是該系屬于單向通信，系統(tǒng)在地面所需的發(fā)射天線長達數(shù)千米，且其價格還比較昂貴，只適合在大型煤礦中采用。

美國的VIYALALERT透地通信2007年成為世界上第一個能發(fā)送一個超低頻，雙向聲音信號并且穿透90多米的系統(tǒng)。這個地下無線電裝置有超低頻電磁傳播，頻率在3 000～30 000赫茲，用音頻壓縮器來傳送無線信號和數(shù)據(jù)信號。但是該系統(tǒng)沒有信號定位能力，所以在建立該系統(tǒng)時應該預先知道地面和地下的位置，并且穿透能力比較弱。

美國Lockheed Marti采用甚低頻電磁波開發(fā)了MagneLinkTM透地通信系統(tǒng)，可穿透地層實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)了多單元組網(wǎng)，并實現(xiàn)了與地面通信系統(tǒng)的接通并網(wǎng)。

2013年，由我國北京云都科技有限公司與Vital Alert通信公司研制生產(chǎn)的Canary Link-IS透地通信系統(tǒng)成功完成了國內(nèi)RS-485測試[12]。該系統(tǒng)利用磁導、數(shù)字和甚低頻無線通信等領(lǐng)先技術(shù)手段，實現(xiàn)穿透巖層以及其他介質(zhì)并進行雙向語音通信和文本數(shù)據(jù)通信的功能。本次測試使得Link-IS成為礦井傳感器探測數(shù)據(jù)或更多RS-485終端回傳數(shù)據(jù)的穩(wěn)定載體。

但是現(xiàn)有技術(shù)還沒有達到為任何可能深度的礦井或坑道提供透地雙向通信的地步。

4 結(jié)束語

透地通信研究主要集中在低頻或甚低頻電磁波和低頻彈性波方面。電磁波研究主要集中在對天線的研究，彈性波相比于高頻電磁波，在大地信道中衰減要小些，比電磁波更容易與大地介質(zhì)禍合，能量利用率將大大提高。雙向通信在礦山安全生產(chǎn)、緊急搶救中都具有很重要的作用，所以開發(fā)國內(nèi)的具有較高性價比的雙向礦井透地無線通信系統(tǒng)勢在必行。隨著通信技術(shù)發(fā)展，透地通信應該有新的突破。

[1]劉曉佩.礦井透地擴頻通信系統(tǒng)的應用研究[D].西安:西安科技大學，2004.

[2]Kohler,Jeffery.Monitoring,Control,and Communications[M].Society forMining,Metallurgy and Exploration，1992.

[3]肖忠祥，馮艷平，楊慶珍，等.微弱彈性波信息傳輸方法研究[J].石油儀器，2006，20(6):57-58.

[4]LarryG.Stolarczyk，radio communication systems for undergroundmines，USA，4，777，652[P].1988-10-11.

[5]Zvi H.Meiksin et al,through-the-earth communication system,USA，7，050，831[P].2006-05-23.

[6]陳二虎.礦井透地無線通信系統(tǒng)的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[7]李攀登.基于OFDM的彈性波透地通信中調(diào)制技術(shù)的研究[D].濟南：山東科技大學，2010.

[8]鄧 敏.基于OFDM的聲波透地通信相關(guān)技術(shù)的研究[D].濟南：山東科技大學，2009.

[9]李彥博，等.透地通信系統(tǒng)天線小型化設計與測試[J].工礦自動化，2013（7）:18-22.

[10]郭銀景，等.低速率礦山透地通信擴頻信號的快速捕獲方法研究[J].工礦自動化，2013（6）:32-35.

[11]凌立偉，等.PED透地通信天線的設計與測量分析[J].煤田地質(zhì)與勘探，2013（10）：84-87.

[13]于家樂.Canary無線透地通信系統(tǒng)完成國內(nèi)RS-485測試[OB/OL]，http://it.zbinfo.net/tech/479581/726175894803b.shtml，2013-12-09.

Review ofMine Wireless Communication System w ith Through-The-Earth

BAO Zu-shang，PAN Ping
(Departmentofelectronic information engineering，Changsha NormalUniversity，Changsha 41010，China)

Wireless communication system is the important guarantee of coal mine safety production and efficient rescue.While through-the-earth communication system is themost reliable communication mode,In recent years，it hasbeen a hot research in domestic and Abroad.Article analysis the statusof research forminewireless communication system with through-the-earth,also points out tthe future research direction.

mine；wireless communication system；through-the-earth

TD655

B

1672-545X（2014）04-0022-03

2014-01-03

鮑祖尚(1963—)，男，湖南長沙人，副教授，主要從事單片機與嵌入式系統(tǒng)等方面的科研和教學工作。

礦井通信擔負著礦山生產(chǎn)、安全、調(diào)度的重要任務，在礦井安全生產(chǎn)、高效搶救中發(fā)揮著非常重要的作用。由于煤礦井下特殊的工作環(huán)境，在礦山災害一旦發(fā)生時，通常的有線通信信道極有可能被破壞，這就為救援工作帶來極大的難題，導致被困人員死亡和財產(chǎn)的重大損失。所以無線通信是礦井通信的最可靠的通信方式。文章對礦井透地無線通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了分析，對今后的研究方向具有指導意義。