透地通信技術領域研究現狀及專利分析

高勝凱 黃玲

【摘要】 本文介紹了透地通信技術的研究現狀，并從多個角度對該領域的專利申請狀況進行了分析，以統計數據為基礎，探討各國尤其是我國在該領域的發展狀況。

【關鍵詞】 透地通信 甚低頻 彈性波 磁通信 礦井 地下

一、透地通信技術概述

地下環境中，電磁干擾大，信道容量小，安裝作業難度大。因此提供一種透地深度大、抗干擾能力強、信道容量大、安裝較容易的透地通信技術極具實用價值。

早期用于礦井環境的通信技術為有線電話，另一種技術名為“漏泄饋源”（leaky feeder），都需要通過貫穿礦井的有線電纜實現通信。但有線方式存在電源和傳輸電纜極易被切斷的危險，同時電纜必須經常隨井下開采面的推進而移動或延伸，隨著電纜長度的增加，每隔一段距離需要對信號進行中繼放大，成本很高。

到二十世紀初，開始研究采用甚低頻電磁波的無線電透地傳輸機制。早期的無線電透地通信系統僅能實現單向語音通信，干擾噪聲大，信道容量低，并且需要配置非常大的環形天線。隨著通信技術的迅速發展，透地通信技術在提高通信可靠性方面取得進步，實現了雙向通信功能，裝置的尺寸也進一步縮小，逐漸開發出成熟的產品。其中以澳大利亞Mine Site Technologies公司的PED系統、美國Transtek公司的TeleMag系統、加拿大Vital Alert公司的Canary系統為代表。

基于彈性波和磁導的透地通信技術是近年來興起的新技術。

基于彈性波的透地通信技術是新的透地通信技術。相對于甚低頻電磁波，彈性波在大地中的傳輸距離較遠，不需要大尺寸天線。彈性波在傳輸過程中由大地信道的特性決定的多徑效應是影響透地通信系統性能的主要因素。通信技術中的CDMA、OFDM、RAKE接收等技術可以很好地解決多徑傳輸帶來的問題，因此根據彈性波的特性選取適合甚低頻彈性波調制的參數或信道編碼方式，是這類透地通信技術的研究重點。

磁導透地通信技術以磁場為載體傳輸信號，通過產生交變磁場，經由鐵芯之類的導磁介質將交變磁場傳輸至遠端，實現信息的傳遞。在挖掘隧道、井下作業等場景下，原本就建設有一些由導磁材料構成的構件，例如鐵軌，深井鉆探頭等，利用這些構件，可以在不額外增加成本的條件下，增加通信鏈路。這些構件的安裝位置、人員接觸條件等因素使得不適于利用這些構件來進行導電通信，而磁導通信卻不受限于這些條件。基于磁導的透地通信的主要問題在于導磁介質在通信傳輸過程中引入的噪聲和干擾較大，因此去噪和抑制干擾是這項技術的主要研究方向。（圖1）

從技術細節來看，各個方向各有特點。增加穿透距離的研究起步相對較早，近年來呈逐漸下降態勢，這是因為基于目前的傳輸介質和傳輸方式，穿透距離已達極限。而另一較早開展研究的方向，即天線形狀及小型化方面，一直保持著不低的申請量，這是因為大規模集成電路的集成化程度在不斷提高，而且材料工藝也在不斷改進，因此天線參數以及芯片尺寸仍有進一步改進的余地。隨著我國工業化水平的提高及對礦產資源需求的不斷增大，近年來透地通信技術的工業應用呈熱點態勢，中國企業和研究院校對透地通信技術在相關行業的應用方面的研究加大了投入。此外，在降噪、降低干擾、增加信道容量方面，申請量保持平穩，可以預見的是，伴隨著通信技術的快速發展，這些方面仍有進一步改進的空間。

二、透地通信技術領域的專利申請分析

2.1透地通信技術領域專利申請量趨勢分析

透地通信技術領域的專利申請量在1980年以前很少，此后持續增長，自2005年后，專利申請量快速增長，并維持在一個較高水平。

專利產出數量反映了一個國家擁有的原創專利數量，原創專利越多，說明該國在該技術領域的研發能力越強，技術越先進。

圖2的統計分析結果顯示，美國的申請量最大。美國很早就開始透地通信技術領域的研究，技術實力強大，早期由軍方部門推動研究，近年來美國的多家公司已研發出多型民用產品，我國也有引進。冷戰期間，俄羅斯（前蘇聯）為與美國對抗，在透地通信技術方面也開展了一些研究，但近期缺乏進展。歐洲與日本的申請量比較平穩。

2.2 透地通信技術領域中國專利申請分析

中國自2006年后在該領域的專利申請量增長迅速，這與我國近年來對礦產資源的需求大幅度增加以及礦井事故多發有緊密聯系。

對在華申請人進行統計分析，約47%的申請來自企業，約42%的申請來自科研院校，來自個人的申請占11%。在華申請人沒有代表性的申請人，僅山東科技大學、哈爾濱工程大學和普拉德研究及發展公司相對較多。

以上情況均可以印證，我國在透地通信技術領域的起步較晚，相關專利技術還處于科研階段，但企業的研發熱情很高，且隨著我國的經濟發展，今后對于礦產資源的需求會進一步增大，因此透地通信技術在我國有很大的市場應用前景，專利申請量必將持續快速增加。

參 考 文 獻

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