淺談新技術在煤礦通信系統中的應用

韓維敏　馮向陽

摘 要：針對煤礦通信系統不完善，無法滿足礦井發展和安全生產需要的現狀，如何在運用新技術新設備上，實現礦井通信聯絡系統的安全、可靠運行，在滿足礦井正常生產和調度指揮的同時，增強煤礦應急救援的反應能力，并有效地降低了維護成本，減輕維護人員的工作強度，提高了工作效率。本文筆者結合工作實踐，主要探討新技術在煤礦通信系統中的應用。

關鍵詞：新技術；煤礦通信；應用

本文為2015年立項課題《基于軟擴頻技術的攜式透地通信系統的研究》階段性研究成果之一，課題批準號：15c0643

煤礦通信系統是煤礦安全生產、緊急避險、應急救援的重要工具。煤礦通信設備主要用于煤礦井上下生產調度指揮，煤礦通信技術及設備的選型、安裝、使用和維護正確與否將直接影響煤礦企業的安全生產。

1 煤礦通信系統現狀

煤礦通信系統在煤礦安全生產調度、安全避險和應急救援的工作中起著重要的作用。但是長期以來，煤礦由于受地質條件限制，井下巷道分布復雜，作業地點分散，使井下通信系統建設存在許多問題：特別是通信新技術新設備的匱乏，另外，管理制度、技術規范欠缺，井下通信系統圖更新不及時，設備說明書、圖紙資料、測試記錄不齊全，防爆電話數量和地點不能完全符合《煤礦安全規程》的有關要求。井下通信器材質量問題也較多，選型不規范等。都制約和影響著礦井通信的發展和安全生產的順利進行。

2 分數階變換技術在煤礦井下有線通信系統中的應用

有線通信是利用光纜作為通訊傳導的通信形式，然而，原有的有線通信信道中存在各種噪聲，如果不對其進行處理則會使誤碼率增加。因此，要消除不理想信道和噪聲對信號的影響，必須應用新技術。分數階變換的通信技術原理是以線性調頻信號作為調制信號，利用線性調頻信號在分數階里變換域的能量聚焦特性，通過接收機進行路徑分集接收抑制有線通信信道多途效應所產生的碼間干擾，從而提高系統的抗噪聲干擾和頻率選擇性衰減的能力。具體應用程序如下：

1.信號檢測與參數估計

分數階變換作為一種新型的線性時頻工具，其實質是信號在時間軸上逆時針旋轉任意角度到U軸上的表示，而該核是U域上的一組正交的基，這就是分數階變換的基分解特性。所以，在適當的分數階域中，一個chirp信號將表現一個沖擊函數，即分數階變換過程中，某個分數階域對應的chirp信號具有很好的能量聚焦性，而這種能量聚焦性對chirp信號的監測和估計具有很好的作用。因此，在信號檢測與參數估計中，我們的基本思路是以旋轉角口為變量進行掃描，求出觀測信號所有階次的分數階變換，于是形成信號能量在由分數階域U和分數階次P組成的二維參數平面上的分布。然后，我們按域值在在此平面上進行二維搜索，找出最大峰值位置。并根據最大峰值坐標可以檢測出chirp信號，并估計出峰值所對應的分數階次P和分數階域坐標，估計出信號的參數。

2.分集接收

分集接收是將接收到的多徑信號分離成互不相關的多路信號，然后將多徑衰落信道分散的能量更有效的接收起來，處理之后進行判決，從而達到抗衰落的目的。本文采用分集合并技術，即取出那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量，對它們進行延時相加，使之在某一時刻對齊并按一定的準則合并，提高多徑分集的效果。在通信系統中，RAKE接收機由N個并行相關器和個合并器組成，每個相關器與發射信號的一個多徑分量匹配。在N個相關器前增加時移單元，就可在時間上將所有分量對齊，從而采用相同的本地參考信號。然后，相關器組的輸出送給合并器，將合并器輸出的判決變量送到檢測器進行判決。最后，根據接收機使用的不同合并方法，在選擇性合并方式下，在多支路接收信號中，選取信噪比最高的的支路信號作為輸出信號。

3.峰值輸出

信噪比系數呈現出一個典型的振蕩特性，且振蕩頻率與振蕩幅度與時頻面的旋轉角度和輸入信號相關。因此在采用分數階變換技術的實際使用中，在進行近似計算處理時需要特別注意，必須對近似處理帶來的誤差進行評估。

3 ATP系統在煤礦地面光通信系統中的應用

ATP系統是由粗跟蹤和精跟蹤單元構成的復合跟蹤系統，其主要功能是在粗跟蹤單元實現初始的捕獲和跟蹤，并將信標光引入精跟蹤的視場范圍內，然后精跟蹤單元實現更高帶寬的跟瞄，再將信標光穩定在可通信的視場之內，為最終空間站光通信系統工程實現奠定了一定的技術基礎。

1.粗跟蹤單元

粗瞄準單元由一個安裝在精密光機組件上的收發天線，萬向支架驅動電機以及粗跟蹤探測器組成，主要作用是捕獲目標和完成對目標的粗跟蹤。在捕獲階段，粗瞄準機構接收由上位機根據已知的衛星運動軌跡或星歷表給出的命令信號，將望遠鏡定位到對方通信終端的方向上。為確保入射的信標光在精跟瞄控制系統的動態范圍內，必須根據粗跟蹤探測器給出的目標脫靶量來控制萬向支架上的望遠鏡，使它的跟蹤精度必須保證系統的光軸處于精跟蹤探測器視場內，從而把信標光引入精跟蹤探測器的視場內。

2.精跟蹤單元

精跟蹤單元的跟蹤精度將決定整個系統的跟蹤精度，它要求帶寬非常高，帶寬越高，對干擾的抑制能力就越強，從而可加快系統的反應速度，加強跟蹤精度。因此，設計一個高帶寬高精度的精跟蹤環是整個ATP系統的關鍵所在。在這一單元我們可采用高幀頻、高靈敏度、具有跳躍式讀出模式的面陣電荷耦合器件傳感器。它基于深埋溝道移位寄存器技術，可以獲得非常高的讀出速率、非常低的噪聲和非常高的動態范圍。通過由捕獲探測器和定位探測器組成探測接收單元轉換，CCD完成捕獲與粗跟蹤，并將接收光引導至OPI N上，在OPI N中進行誤差信號的檢測，從而提高信標光捕捉精度。

3.控制單元

將捕捉的信號經放大、整形和A/D變換處理后，在計算機中按一定的數據分配流程將信號輸入。然后通過計算機給出的速度控制信號和加速度控制信號，又經數據分配接口送入D/A轉換與處理網絡，使伺服電機按要求轉動并帶動天線轉動機構分別在水平和俯仰兩個方位轉動，以調整天線的位置，達到自動捕獲、跟蹤、瞄準的目的。

4 結語

通信技術的發展促進了社會生活的進步，在未來煤礦通信技術的研究上，應不斷探索、創新，追求新技術新設備在煤礦通信系統中的應用。

參考文獻

[1] 陳林偉 《通信技術》 郵電出版社

[2]《煤礦安全工程》2011年版