田西方，李云波，肖勇，韓超超

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶　400037)

?

礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田西方，李云波，肖勇，韓超超

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037)

介紹了礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，分析了系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)采用低頻電磁波輻射技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和本安電源技術(shù)，具有體積較小、重量較輕、使用方便的特點(diǎn)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50 m的雙向透地通信，通信速率約為150 bit/s，誤碼率不大于0.2%，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

無線透地通信；雙向通信；應(yīng)急救援；電磁波輻射；數(shù)字通信；本安電源

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1010.012.html

0　引言

煤礦井下活動(dòng)空間狹小、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、充滿爆炸性氣體混合物，當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通常會(huì)被破壞，造成被困人員和救護(hù)人員聯(lián)絡(luò)中斷，給救援工作造成極大困難[1]。透地通信是一種以地層為通信信道的無線通信技術(shù)，不受煤礦災(zāi)害的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信，是煤礦安全生產(chǎn)和災(zāi)后應(yīng)急救援的重要通信手段[2-3],是煤礦井下無線透地通信系統(tǒng)的新興研究方向。本文設(shè)計(jì)了一種礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用低頻電磁波輻射技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和本安電源技術(shù)，具有體積較小、重量較輕、使用方便的特點(diǎn)[4]。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50 m的雙向透地通信，為下一步開展文本通信和語(yǔ)音通信提供了研究平臺(tái)。

1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)主要由鋰電池、本安電源板、通信主機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、框形天線和天線切換電路組成，如圖1所示。鋰電池和本安電源板為系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的電源供應(yīng)。通信主機(jī)負(fù)責(zé)控制發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作。發(fā)射機(jī)主要由正弦信號(hào)發(fā)生器、振幅鍵控電路、電壓放大電路、功率放大電路、發(fā)射調(diào)諧電容和發(fā)射電流調(diào)節(jié)電阻組成。接收機(jī)主要由選頻電感、接收調(diào)諧電容、I/V變換電路、信號(hào)調(diào)理電路[5]、有源全波整流電路、低通濾波電路和閾值判決電路組成。由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分時(shí)利用同一框形天線，采用天線切換電路來實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的接通邏輯。

圖1　礦用本安型透地通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有數(shù)字通信技術(shù)、低頻電磁波輻射技術(shù)和本安電源技術(shù)(可編程數(shù)字調(diào)制器、高靈敏度微弱信號(hào)接收器和本安電源)。

(1) 數(shù)字通信技術(shù)采用可編程數(shù)字調(diào)制器，以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以DDS芯片AD9833為正弦載波發(fā)生器，以高速模擬開關(guān)CD4051為鍵控電路，采用C51語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，并將發(fā)送數(shù)據(jù)變換為已調(diào)信號(hào)。

(2) 由于接收點(diǎn)的通信信號(hào)十分微弱且存在環(huán)境噪聲干擾，研制高靈敏度微弱信號(hào)接收器有助于提高接收機(jī)性能。采用LC選頻電路抑制干擾并選擇有用信號(hào)，采用微弱電流放大器OPA129將接收

到的微安級(jí)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路主要包括程控放大電路和50 Hz陷波電路，程控放大電路使接收信號(hào)的輸出幅值穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間，50 Hz陷波電路用來抑制工頻干擾。

(3) 電源采用容量為6 A·h的鋰電池組，并配備本安電源板，為系統(tǒng)提供安全、穩(wěn)定、持久的供電保障。本安電源板采用兩級(jí)穩(wěn)壓、兩級(jí)限流的雙重保護(hù)電路來限制電源電路的輸出功率。本安電源系統(tǒng)原理如圖2所示。DC/DC升壓電路以LM2577為核心元件搭建，將鋰電池組輸出的DC3.8 V升高到通信系統(tǒng)的工作電壓DC9 V。兩級(jí)穩(wěn)壓電路以LM317為核心元件搭建，兩級(jí)限流電路以MAX471和LM311為核心元件搭建。

圖2本安電源系統(tǒng)原理

2　系統(tǒng)工作原理

2.1透地信號(hào)衰減規(guī)律與載波選擇

透地通信以大地為通信信道，不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造存在差異，地層中各層的電導(dǎo)率σ和厚度h各不相同。透地通信的電磁波在均勻介質(zhì)的地層中會(huì)發(fā)生損耗，在介質(zhì)不同的2個(gè)相鄰的地層界面會(huì)發(fā)生反射和折射，這些現(xiàn)象導(dǎo)致透地通信信號(hào)發(fā)生衰減。

透地通信系統(tǒng)工作在煤礦，電磁波要在煤層及巖層中傳播[6]，煤層及巖層屬半導(dǎo)電媒質(zhì)，其平均電導(dǎo)率為10-4～10-1S/m，電磁波將會(huì)發(fā)生較大衰減，振幅衰減常數(shù)α滿足式(1)要求。

(1)

式中：f為電磁波的頻率；μs為地層的平均磁導(dǎo)率；σs為地層的平均電導(dǎo)率。

由式(1)可知，對(duì)于固定的地層，電磁波的頻率f越低，振幅衰減常數(shù)α越小，這意味著對(duì)于固定功率的發(fā)射機(jī)和固定靈敏度的接收機(jī)，通信距離可以更遠(yuǎn)。特低頻ULF(300～3 000 Hz)和甚低頻VLF(3～30 kHz)這2個(gè)頻段的電磁波具有一定帶寬，又具有一定穿透性，適合用作透地通信載波[7]。

2.2調(diào)制與解調(diào)方式

礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)是可移動(dòng)式通信設(shè)備，采用電池供電，體積和重量不能過大，為此，需要采用相對(duì)簡(jiǎn)單、功耗較低的調(diào)制與解調(diào)方式。采用二進(jìn)制振幅鍵控實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，由通信主機(jī)將通信數(shù)據(jù)變換為基帶波形s(t)，采用鍵控法對(duì)載波c(t)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，當(dāng)s(t)為高電平時(shí)載波接通，當(dāng)s(t)為低電平時(shí)載波關(guān)斷，這樣獲得已調(diào)信號(hào)u(t)。采用包絡(luò)檢波法進(jìn)行非相干解調(diào)，依次對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行LC選頻、I/V變換、信號(hào)調(diào)理、全波整流、低通濾波和閾值判決以得到解調(diào)波形，然后由通信主機(jī)進(jìn)行數(shù)字解碼。

2.3發(fā)射機(jī)原理

為了減輕系統(tǒng)體積和重量，采用一個(gè)框形天線來進(jìn)行透地通信信號(hào)的發(fā)射和接收?？蛐翁炀€由2個(gè)部分構(gòu)成：礦用阻燃電纜和拆卸式碳纖維骨架。當(dāng)需要進(jìn)行通信時(shí)，將骨架組裝成十字形結(jié)構(gòu)，將阻燃電纜固定在骨架的頂端，如圖3(a)所示，天線形狀固定，電感基本不變，天線和收發(fā)系統(tǒng)的匹配變得簡(jiǎn)單?？蛐翁炀€內(nèi)部由N(N≥1)匝絕緣導(dǎo)線繞制而成，邊長(zhǎng)為a，周長(zhǎng)l?λc(λc為載波波長(zhǎng))。如圖3(b)所示，U(t)為發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器的輸出電壓，C1為發(fā)射電路調(diào)諧電容，R2用來調(diào)節(jié)發(fā)射電流;虛線框內(nèi)為發(fā)射天線等效電路，L1為天線電感，R1為天線歐姆損耗電阻，Rr為天線輻射電阻。其中Rr代表發(fā)射電路輻射能力，一般有Rr?R1。

(a)框形天線結(jié)構(gòu)(b)發(fā)射機(jī)原理

圖3框形天線結(jié)構(gòu)和發(fā)射機(jī)原理

當(dāng)通信載波頻率fc確定后，調(diào)節(jié)C1，使發(fā)射電路達(dá)到諧振狀態(tài)，此時(shí)發(fā)射回路電流i1(t)達(dá)到最大值，載波角頻率ωc滿足式(2)要求。

(2)

發(fā)射電路的輻射能力用電流矩D來衡量，如式(3)所示。

(3)

式中：I1為發(fā)射電流有效值；P為發(fā)射機(jī)功率；Rs為發(fā)射回路所有歐姆損耗電阻之和，Rs=R1+R2。

增加天線的邊長(zhǎng)a和匝數(shù)N，提高發(fā)射機(jī)功率P，或降低發(fā)射回路電阻Rs，均有助于提高輻射能力。

2.4接收機(jī)原理

接收機(jī)原理如圖4所示。收發(fā)系統(tǒng)采用同一框形天線，虛線框內(nèi)為接收天線等效電路，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，框形天線有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(t)產(chǎn)生，如式(4)所示。

(4)

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率；H為接收點(diǎn)的通信電磁波的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由式(4)可知，對(duì)于固定形狀的天線，提高通信頻率有助于提高接收信號(hào)強(qiáng)度，但通信頻率不能過高，要符合2.1節(jié)的要求。

圖4　接收機(jī)原理

接收點(diǎn)的信號(hào)一般比較微弱，接收電路需要具備良好的選頻特性，因此，要提高接收回路的品質(zhì)因數(shù)Q值，在接收回路中串聯(lián)一個(gè)高Q值的選頻電感L2，以提高接收電路選擇性。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e(t)在接收回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流i2(t)，R3為一個(gè)阻值很小的采樣電阻，用來將感應(yīng)電流i2(t)轉(zhuǎn)換為電壓u3(t)，便于后級(jí)電路進(jìn)一步處理。

3　實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)，系統(tǒng)由2臺(tái)結(jié)構(gòu)和性能完全相同的設(shè)備構(gòu)成，工作方式為半雙工通信。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意如圖5所示，透地通信的電磁波穿透的地層以泥巖、砂巖和石灰?guī)r為主。將一臺(tái)設(shè)備布置在距離平硐礦井洞口200 m的井巷中間位置A，另一臺(tái)設(shè)備在距離A點(diǎn)的垂直高度為50 m的地面山坡等高面上移動(dòng)，B點(diǎn)位于A點(diǎn)的正上方，C點(diǎn)、D點(diǎn)和B點(diǎn)的距離均為3 m，E點(diǎn)、F點(diǎn)和B點(diǎn)的距離均為5 m，在B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)分別進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 min，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求平均值，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表1中，通信速率1和誤碼率1表示井下發(fā)射、地面接收時(shí)的通信指標(biāo)，通信速率2和誤碼率2表示地面發(fā)射、井下接收時(shí)的通信指標(biāo)。

圖5　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意

從表1可以看出，在以B點(diǎn)為中心、半徑為5 m的區(qū)域內(nèi)，通信速率和通信誤碼率的差異不大；地面發(fā)射、井下接收時(shí)的通信指標(biāo)優(yōu)于井下發(fā)射、地面接收時(shí)的通信指標(biāo)，這是由于地面的環(huán)境干擾比井下干擾要大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了50 m的雙向透地通信，通信速率約為150 bit/s，誤碼率不大于0.2%，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

表1　透地通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4　結(jié)語(yǔ)

介紹了礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了50 m的雙向透地通信,通信速率約為150 bit/s，誤碼率不大于0.2%。上述研究成果將為今后進(jìn)行文本通信、語(yǔ)音通信和編解碼等研究提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

[1]孫紅雨,王娜,郭銀景,等.透地通信系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(3):79-85.

[2]霍振龍.透地通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀和主流技術(shù)分析[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(9):40-42.

[3]郝建軍,孫曉晨.幾種透地通信技術(shù)的分析與對(duì)比[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,29(1):59-63.

[4]李彥博，向新,凌立偉.透地通信系統(tǒng)天線小型化設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(7):18-22.

[5]易濱,劉勇,陳靜.礦井透地通信與接收電路運(yùn)放設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2014,34(3):72-75.

[6]陶晉宜.穿透地層的礦井地下無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,31(1):39-42.

[7]陶晉宜.甚低頻電磁波穿透地層無線通信系統(tǒng)天線裝置的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,30(2):139-143.

Design of mine-used intrinsically safe wireless through-the-earth communication system

TIAN Xifang,LI Yunbo,XIAO Yong,HAN Chaochao

(CCTEG Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)

The paper introduced structure and key technologies of mine-used intrinsically safe wireless through-the-earth communication system，and analyzed working principle of the system.The system uses low-frequency electromagnetic radiation technology,digital communication technology and intrinsically safe power supply technology,which has characteristics of smaller volume,lighter weight and easy operation.The test results of prototype show that the system has realized 50 m two-way through-the-earth communication with communication rate of about 150 bit/s and bit error rate of no larger than 0.2%,and has a certain practical value.

wireless through-the-earth communication; two-way communication; emergency rescue; electromagnetic radiation; digital communication; intrinsically safe power supply

1671-251X(2016)10-0044-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.010

田西方，李云波，肖勇，等.礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：44-47.

2016-04-11；

2016-06-22；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(民口)項(xiàng)目(2016ZX05045002-003)。

田西方(1988-)，男，河南濟(jì)源人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)榈皖l通信、礦井水文物探，E-mail：txf16888@126.com。

TD655

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 10:10