應用磁感應技術分析無線透地通信系統的方法探討

陳家璘 周正 馮偉東 賀易 李靜茹 趙世文

摘? ?要：透地通信是一種將分層大地作為傳輸媒質的通信手段，其利用無線電波技術原理直接穿透大地來實現地面與井下進行信息交流。為了提高復雜環境下的移動通信系統的可靠性、穩定性，基于磁感應技術對無線透地通信進行分析，對無線透地通訊系統的工作原理和依據的理論進行了探討和分析，并對關鍵技術進行了研究，對透地通信系統天線的選取方面進行了說明，并分析了透地信道的衰減計算，也對本系統的部分軟件進行了介紹。采用磁感應技術無線透地通信系統能夠有效地抑制雜波干擾，實現信號的可靠傳輸，為礦井以及復雜環境下的移動通信的應用和發展提供了必要的理論支撐。

關鍵詞：無線透地通信;無線電波;磁感應技術;移動通信;透地信道

中圖分類號：TD655? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Discussion on wireless Transmissive Communication System

Using Magnetic Induction Technology

CHEN Jia-lin1?，ZHOU Zheng1，FENG Wei-dong1，HE Yi1，LI Jing-ru1，ZHAO Shi-wen2

（1. State Grid Hubei Information & Telecommunication Co.，Ltd.，Wuhan，Hunan 430077，China;

2. Nanjing Nari Information & Telecommunication Technology Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210000，China）

Abstract：Transmitting communication is a communication means that uses layered earth as a transmission medium. It uses the principle of radio wave technology to directly penetrate the earth to realize information exchange between the ground and the underground. With the development of through-the-earth communication technology，in order to improve the reliability and stability of mobile communication systems in complex environments，the wireless terrestrial communication based on magnetic induction technology is analyzed，key technologies is researched，and the selection of antennas for through-the-earth communication systems is described，And the attenuation calculation of the through-ground channel is analyzed，and some software of this system is also introduced. Effectively suppress clutter interference can be effectively suppressed by using the magnetic induction technology wireless through-the-earth communication system，the transmission of signals can be reliable realized，which provides the necessary theoretical support for the application and development of mobile communications in mines and complex environments.

Key words：wireless through-the-earth communication;radio wave;magnetic induction technology;mobile communication;through-ground channel

據統計，透地通信技術已經有100多年的歷史，透地通信技術的發展速度不是很快。在20世紀60年代，全球各個國家諸如南非、美國、法國的科學家都有對礦井透地通信的主要性能進行調研、分析的先例，同時也將該技術應用到具體實例，為社會的發展做出貢獻[1-3]。隨著通訊技術的發展，透地通信的研究不僅僅主要集中于采用低頻電磁波實現透地通信，其工作時的天線通訊方式、工作頻率和調制方式均不相同[4-6]。該類透地通信系統能夠適應不同的地質條件及場所[7-8]。由于低頻彈性波在地層中傳播時的傳輸衰減相對較小，在未來的通信發展中，該類透地通信系統將作為主要的通信方式應用到各種場所[9-11]。

隨著通信技術、磁感應應用的不斷推進，透地通信的傳輸速率、通信距離將會不斷地提高。透地通信不容易受風暴、光線、礦井災害等影響，在應急救援通信方面，其將發揮著至關重要的作用[12-14]。透地通信系統在應用過程中能夠支持不同的數據通信接口，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（WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA等）的信息互連，從而實現礦井以及環境惡劣條件下的主傳輸通道的可靠備份[15]。

1? ?無線透地通訊系統模型

在進行無線透地通訊時，當設計透地通信信道時，首先要考慮大地等異物介質對傳播信號的衰減作用。在使用時，通過構建透地通信信道的模型，進而來分析信號的傳輸、衰減、及干擾特性。如圖1所示。其主要包括數字信息處理外圍電路、信息發送、接收部分、天線和傳輸信道，數字處理單元用于調制信號，實現對信號的擴頻、調制，模擬型信號通過模數轉換后，將數字信號輸出至功率放大單元進行放大，并將該信號發射出去，接收機通過接收電極接收發射端發送的信號，對其處理之后通過數字處理單元進行處理。

在磁感應透地通信中，其實質是借助于準靜態磁場的變化來傳遞發射信號。參考圖1，分別在地表和地下設置匝數不同的線圈天線，其中地表和地下的線圈均設置為多匝線圈，其能夠當做磁場發生裝置來使用。在該裝置中，根據物理學原理，通過改變發射閉合線圈回路的電流來產生時變磁場。接收線圈回路能夠包圍有效面積的磁通量變化，在該導體中，可以產生感應電動勢，該感應電動勢的大小與穿過導體的回路磁通量的變化率成正比。如果使發射線圈產生的磁性強度最大，則在發射回路和接收回路中，將電容、線圈電感以及工作頻率滿足共振條件。

在球坐標系中，上述的發射線圈產生的磁場強 度可以用以下公式來表示：

在公式（1）和（2）中，r 表示傳播距離，θ表示磁場強度方向與垂直方向之間的夾角。Hr 和Hθ 分別表示磁場強度在r方向和θ方向上的分量，M表示磁矩，ω表示為角頻率，μ表示為介質的磁導率，η表示為傳播介質的固有阻抗，k表示為波數。

在進行無線透地通信時，其使用的原理是借助于電流探頭進行傳導和探測，通過大地介質，在感應電流密度中建立通信連接，通信性能的好壞的影響因素有：諸如與大地介質的電導率、覆蓋層深度以及發射天線、接收天線的長度和方向相對性。在利用磁感應透地通信時，發射天線和接收天線的設計都比較簡單，通信構造系統容易搭建，在通信過程中的干擾因素相對較少。磁感應透地通信時間，其傳輸時延比彈性波透地通信要小的多。因此，在使用時，磁感應透地通信系統在選擇環形線圈天線時間，采用尺寸較大的環形線圈天線。當發射線圈正對接收線圈時，這時，θ的值可以為0，θ = 0時的Z軸上的磁場強度計算公式如下：

其中，B表示為磁感應強度，U表示為電壓，N′表示為接收線圈的匝數，S表示為接收線圈的面積，t表示磁感應的時間。通過上述分析，磁感應透地通信的性質與地質結構沒有關系，卻僅受土壤介質的電磁參數的影響，因此，在應用磁感應技術時，可參考土壤介質而選擇相應的電磁匝數。

2? ?關鍵技術分析

2.1? ?透地通信系統天線

在透地通信系統中，天線能夠穿透地層，可靠、穩定地實現無線電信號的傳輸，在設計天線時，由天線中流過的電流根據有耗長線的規律進行分布，因此，天線要選擇合適的長度。如果選擇的天線尺寸比較小，比如采用終端開路的形式，那么天線的可用長度只有實際長度的一半，這樣輻射能力減弱，為了克服這一問題，在使用時，有必要在天線回路中串入較大的電感才能調諧。此時，可串入大電感克服這一問題。但是如果電感的值過大，也會出現問題。如果功率過大，則會引起較大的功率消耗，從而造成電能的浪費。因此一般選擇的長度在80 m -90 m之間。

通常使用環形天線時，環形天線的幾何尺寸很小，天線的環直徑與工作波長比較接近，單匝環形天線的輻射電阻比較小，因此，使用時間，多采用多匝環形天線，假設導線半徑為a，圓環半徑為b，相鄰兩匝間距的為2d，則小環天線輻射的電阻可記做為：

Rr = 20 N 2 S 2（2π/λ）4? ? ? ? ?（6）

在公式（6）中，N表示為環的匝數，S表示為環的面積，λ表示為天線的工作波長，而對于單個導線，則每單位長度的電阻為：

R0 = （1/2πa）**Rs? ? ? ? （7）

在公式（7）中，Rs表示為表面電阻，Rs = 1/δ，δ為集膚深度，σ為導線的電導率，ω為天線的工作角頻率，μ0為真空導磁率。環形天線的效率計算公式可以為：

ηA =≈ （8）

在應用時，天線通過數字調制解調模塊、信號接收單元、信號發射單元構成閉環工作，天線將信號發射單元產生的調制功率電信號輻射到大地土層中，并將感應接收到的大地土層中微弱的電信號傳送給信號接收單元。

信號發射單元用于將調制信號轉換為電功率信號，然后進一步將電磁功率信號耦合到天線單元，信號接收單元再通過天線感應的電信號來實現信息的接收。接收到信號后，進一步放大解調，數字調制解調單元將數字語音信息或者文本信息等數字信息轉換為調制信號波形，并將接收到的信號解調輸出音頻或者輸出到顯示設備。通過這種方式進一步提高電磁無線透地通信距離和效果。

2.2? ?透地信道的衰減計算

在透地通信中，傳輸信號的傳輸媒質在理論研究中被看作是密度均勻、具有一定媒質系數的電導率，信號通過媒質通常會有信號損耗，電磁波在傳播過程中，通常是以一定的規律進行衰減。

在計算衰減時，應用衰減公式采用麥克斯韋（ Maxwell ）方程來計算，麥克斯韋（ Maxwell ）方程表達式為：

[Δ] × E = - jωμH? ? ? （9）

[Δ] × E = - jωεk E? ? ? （10）

εk = ε - j（ε/ω）? ? ? ? （11）

其中εk表示為復介電常數，假設不考慮電場傳播規律，則可將公式記做為：

E = E0 e? ? ? ? （12）

其中γ表示為傳播方向的矢徑，E0表示為常矢量，β表示幅值的衰減系數，α為相位衰減系數。則由：

α = ω? ? ?（13）

β = ω? ? ?（14）

其中，μ表示為媒質的磁導率，σ表示為媒質 的電導率，ε表示為媒質的介電常數，ω 表示為發送電磁波的角頻率。因此，從一定程度上講，電導率 σ不同，穿透的深度就不同，電磁波的頻率f越高，幅值衰減就越嚴重，穿透能力越弱，傳播距離就越短。在透地通信系統中必須保證電磁波工作在甚低頻段（ VLF3～30 kHz ）。

3? ?軟件系統設計

3.1? ?發射模塊設計

首先進行上電，系統上電后，執行復位操作，在本設計中，首先采用枕頭碼來區分語音信號或者數字信號。然后，FPGA串口模塊接收上位機發送來的數字信號，并進行串聯、并聯轉換，然后對每幀數據進行信道編碼處理，并進行加幀頭1。在進行擴頻時，本系統采用的是直接序列擴頻通信，將待發送的信息直接擴頻，然后進行BPSK調制，信號調制完畢后，便可送入轉換模塊進行信息轉換。發射機器的流程圖如圖4所示。

3.2? ?接收端系統軟件設計

在接收時，同樣，首先對接收端的系統進行初始化設計，其加載為語音信號或者數字信號。以語音信號作為示例說明，首先要加載數字解調參數，然后對該信息進行解擴，擴頻只指本地產生偽隨機碼序列，然后與信號進行相關運算。在具體應用中，擴頻是 根據信息論和抗干擾理論的信息傳輸而進行的，其依據的計算公式為：

C = B log2 （1 + S/N）? ? ? （15）

其中，C 表示為信息傳輸速率，B表示為信號頻帶寬度，S 表示為信號功率，N表示為白噪聲功率。在上述公式中，當信道容量C 為常數時，帶寬 B 與信噪比 S/N之間可以互換，通過增加或者降低一方的值來調整另一方的值的大小。

然后再進行載波調制，載波調制結束后，執行相干解調，對每個幀頭進行檢測，如果檢測到幀頭，則返回上一步驟，如果檢測不到幀頭，則進行信道驛碼，驛碼完畢后，可以再上位機或者顯示器上進行信息顯示。語音信息的操作為類似方式，再此不做詳細描述。

4? ?結? ?論

基于磁感應通信的主要方式有中頻感應通信、動力線載波通信、礦用小靈通無線通信、VHF漏泄通信、小區蜂窩移動通信以及低頻透地通信等，傳統通信系統借助于專有的通信線路或已有的動力線以及使用無線信道等線路作為通信鏈路。介紹了基于磁感應技術無線透地通信系統的歷史背景、應用原理、關鍵技術以及相關軟件設計與應用。采用基于電流場發生磁感應的低頻電磁波透地通信系統，能夠利用電偶極子天線產生低頻電磁波信號，可以穿透大型障礙物，在惡劣的環境中能夠實現較好的通信效果。

參 考 文 獻

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