王曉林，王孟宇，史清林

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

近些年，地下工程建設日益增多，在礦井、隧道、地鐵等地下空間，塌方、漏水等災害時有發(fā)生。常規(guī)通信設施在災害時容易受到毀損，無法保證救援現(xiàn)場地上到地下的應急通信。作為采礦、運輸、公共安全等行業(yè)的一種重要應急通信手段，透地通信日益受到重視，透地通信技術(shù)也得到了新的發(fā)展。

1 透地通信簡介

透地通信是以大地為傳輸媒介進行通信的一種無線通信方式。比較主流的技術(shù)有三種：天線磁感應電磁波透地通信、以機械振動波為信息載體的彈性波透地通信和以磁場為載體傳輸信號的磁導透地通信。

對于彈性波透地通信和磁導透地通信的技術(shù)研究，目前還是以理論研究為主。對于天線磁感應電磁波透地通信技術(shù)，美國、加拿大的幾個研究機構(gòu)進行了堅持不懈的努力，在近十年取得了一定的研究成果，開發(fā)了幾個典型的試驗系統(tǒng)在地鐵、礦山進行了成功試用和試驗測試。

天線磁感應電磁波透地通信利用甚低頻電磁波通信。早期的系統(tǒng)只能實現(xiàn)單向語音通信，受環(huán)境噪音干擾嚴重，信道容量低，且需要配置很大的環(huán)形天線。隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)實現(xiàn)了雙向通信功能，設備的尺寸也進一步縮小。近些年，增強抗干擾能力以增強通信可靠性，是研究機構(gòu)的主要研究方向。

彈性波透地通信以機械振動波為信息傳輸媒介，利用機械振動波在大地介質(zhì)中的傳播作用實現(xiàn)透地通信。機械振動在大地中的傳輸距離較遠，但在傳輸過程中，由大地信道的特性決定的多徑效應對系統(tǒng)性能的影響較為嚴重。

磁導透地通信技術(shù)以磁場為信息載體進行傳輸，通過產(chǎn)生交變磁場的機理，利用鐵芯等導磁介質(zhì)的磁場增強效應將交變磁場傳輸至遠端實現(xiàn)透地通信。它的主要問題是導磁介質(zhì)在通信傳輸過程中引入的環(huán)境噪聲和其他干擾較大，到目前還沒有非常有效的方法消除其影響。

2 天線磁感應透地通信機理及特點

2.1 天線磁感應透地通信系統(tǒng)組成

天線磁感應透地通信利用甚低頻電磁波穿透大地介質(zhì)進行通信，系統(tǒng)組成如圖1所示。

地上設備和地下設備均由1臺透地通信設備、1副發(fā)射天線和1副接收天線組成，2套設備和天線構(gòu)成一個完整的雙向通信透地通信系統(tǒng)。如圖2所示，透地通信設備主要由數(shù)字處理電路、調(diào)制器、解調(diào)器、發(fā)射機和接收機等電路組成。

圖1 天線磁感應透地通信系統(tǒng)組成

在信息發(fā)送方向，來自外接耳麥的話音信號經(jīng)話音編碼電路編碼，話音數(shù)據(jù)或短信數(shù)據(jù)信號再由數(shù)字處理電路進行糾錯編碼，然后在調(diào)制器完成信號調(diào)制后，調(diào)制信號由發(fā)射機進行放大輸出，最后形成的電信號由發(fā)射天線以甚低頻電磁波的形式通過空間、巖層等傳輸媒介發(fā)射到對端。

在信息接收方向，來自發(fā)端的甚低頻電磁波，由接收天線轉(zhuǎn)換為甚低頻電信號，再由接收機進行低噪聲放大和變頻處理。輸出信號由解調(diào)器解調(diào)恢復發(fā)送端的調(diào)制數(shù)據(jù)信息，數(shù)字處理電路則對解調(diào)器輸出的數(shù)據(jù)信息進行糾錯解碼處理，輸出短信數(shù)據(jù)或話音編碼數(shù)據(jù)。話音編碼數(shù)據(jù)經(jīng)話音解碼電路解碼還原為發(fā)送端的話音信號。

2.2 天線磁感應透地通信機理

如圖3所示，在發(fā)射端，環(huán)形發(fā)射天線相當于一個磁偶極，帶有調(diào)制信號的甚低頻信號以交變電流的形式通過發(fā)射天線線圈，同時在空間形成磁場。環(huán)形發(fā)射天線中的電流、環(huán)形發(fā)射天線的面積、環(huán)形發(fā)射天線的線圈匝數(shù)越大，形成的磁性號磁場強度越大。

圖3 天線磁感應透地通信機理

在接收端，接收天線處的磁性號強度與其到發(fā)射天線的距離的立方成反比。

接收天線感應磁性號產(chǎn)生電壓，電壓與磁性號強度的負倒數(shù)成正比。

接收天線的磁場偶和強度計算公式為[1]：

式中，i為發(fā)射天線電流，α為發(fā)射天線環(huán)形線圈面積，s為透地深度，β為大地的衰減因子。

式中，δ為大地或巖層介電常數(shù)，μ為大地或巖層介質(zhì)的磁導率，ω為電磁波的角頻率，I0(x)為零階貝塞爾函數(shù)，I1(x)為一階貝塞爾函數(shù)。

當大地為近似完全絕緣介質(zhì)時，β=1。此時，接收天線上的垂直磁場強度為最高值，大地或巖層的導電率越大，磁場偶和強度越小，電磁波的角頻率值越大，磁場的偶和強度值越小。

大地的電導率是影響透地通信距離的關(guān)鍵因素。針對煤礦應用環(huán)境，進行了較多試驗研究。一般來說，對于確定的設備配置，兩端收發(fā)天線間地層的導電率與到達接收天線的信號強度成反比。也可以說，兩端收發(fā)天線間地層的電導率越大，最遠通信距離越小。例如，在某煤礦的透地通信試驗中，所選位置兩端收發(fā)天線間地層中有多個煤層。煤層的電導率較大，對透地通信信號的傳輸將造成較大衰減，嚴重時可能導致兩端設備不能通信。圖4為從地面開始電導率隨深度變化曲線。因為煤層的電導率大約是周圍巖石的1 000倍，所以每當遇到煤層時電導率就會急劇增加。井下設備距離地面設備300 m，井下設備處的電導率大約為0.035 s/m。

另外，大量研究結(jié)果表明：在同一環(huán)境條件下，同一套設備使用不同頻率進行透地通信試驗測試，設備工作于甚低頻時的通信距離最遠。也就是說，甚低頻信號在同種傳輸媒介中的單位衰耗最小，所以目前的大部分試驗系統(tǒng)研究都集中在甚低頻頻段。

圖4 電導率隨深度變化曲線

需要說明的是，收發(fā)天線的放置方式不同，信號耦合的效果也大不相同。如圖5所示，圖5（a）能取得最佳效果，圖5（b）效果次之，圖5（c）放置方式最差，這是實際應用中需要注意的問題。

圖5 天線放置示意

2.3 天線磁感應透地通信的特點

天線磁感應透地通信具有以下特點：

（1）利用低頻或甚低頻信號的電磁感應實現(xiàn)透地通信、傳輸話音或數(shù)據(jù)信息；

（2）由于系統(tǒng)采用低頻或甚低頻實現(xiàn)透地通信，容易受到附近環(huán)境的低頻電信號的干擾，尤其電網(wǎng)影響較大，可以通過選取50 Hz的非整數(shù)倍工作頻率來減小電網(wǎng)諧波對透地通信系統(tǒng)的干擾；

（3）與短波、超短波、微波等無線傳輸手段相比，天線磁感應透地通信的輻射能量更低；

（4）結(jié)合鋪設條件，適當增加發(fā)射天線電流、鋪設面積、匝數(shù)，可明顯增加通信距離；

（5）天線磁感應透地通信收、發(fā)天線放置方式與通信距離、接收效果相關(guān)，理論分析及大量試驗測試證明，以環(huán)形面正對為最佳；

（6）與空間常規(guī)無線通信方式相比，天線磁感應透地通信的信號衰減大，某處信號的衰減量與其到發(fā)射天線距離的立方成正比；

（7）地層地質(zhì)條件不同，電導率不同。電導率是決定透地通信最大距離和傳輸信息最大帶寬的主要因素。相對來說，巖石的電導率最小，對信號的單位距離衰減也最??；煤層的電導率最大，對透地通信信號的單位距離衰減也最大。另外，選用不同頻段信號的透地傳輸試驗證明，與其他頻段信號相比，甚低頻電磁波在大地巖層中傳輸?shù)膫鬏敁p耗最低。

3 天線磁感應透地通信技術(shù)應用

在天線磁感應透地通信技術(shù)研究領域，對于提高系統(tǒng)的抗干擾能力、進一步實現(xiàn)天線和設備的小型化，從而提高系統(tǒng)的可靠性方面，近些年一些研究機構(gòu)取得了較大進展，并開發(fā)出了較為實用和能夠適應實際環(huán)境的產(chǎn)品。典型的透地通信系統(tǒng)有澳大利亞Mine Site Technologies公司的PED系統(tǒng)、美國Lockheed Marti公司的Magne link系統(tǒng)和加拿大Vital Alert公司的Canary系統(tǒng)等。

20世紀80年代末，澳大利亞Mine Site Technologies公司開發(fā)了PED系統(tǒng)，并在煤礦災害突發(fā)事故應急通信中進行了應用，實現(xiàn)了井上地面救援人員與井下被困作業(yè)礦工的話音通信。該系統(tǒng)采用400～1 000 Hz的超低頻信號作為透地通信工作頻段，利用長度為2～10 km的環(huán)形天線進行透地信號的發(fā)射。井下礦工使用頭盔上安裝的小型環(huán)形天線，就可接收地面發(fā)送的話音信號。系統(tǒng)測試試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的平均透地通信深度達到了800～1 100 m，證明透地通信技術(shù)及其應用有了歷史性的進步，首次真正實現(xiàn)了地面到地下的遠距離透地通信。需要說明的是，該系統(tǒng)在實際使用時由于井下受到發(fā)射功率和天線布設空間的限制，無法敷設等效面積巨大的發(fā)射天線，只適合應用于地面到井下的單向傳輸[2]。

美國Lockheed Marti公司利用甚低頻電磁波技術(shù)開發(fā)了Magne link透地通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電磁波信號可以穿透中間巖層實現(xiàn)井上與井下的雙向透地通信，雙向文本數(shù)據(jù)及語音信號的傳輸距離最大可達457 m。2010年6月，該系統(tǒng)還實現(xiàn)了多個透地通信單元之間的組網(wǎng)通信，實現(xiàn)了本系統(tǒng)與地面其他通信系統(tǒng)的互聯(lián)組網(wǎng)通信[3]。

2010年開始至今，加拿大Vital alert公司陸續(xù)開發(fā)出固定安裝及便攜的Canary系列透地通信產(chǎn)品，在美國的礦山、地鐵以及中國的礦山進行了試驗測試及試用。Canary系統(tǒng)工作在0.4～8 kHz頻段，其中Canary Go可實現(xiàn)200 m通信距離的實時雙向語音透地通信。

中國船舶重工集團公司第七二二研究所研制出低頻應急通信系統(tǒng)，可實現(xiàn)900 m的雙向透地通信，頻率范圍為0.4～1 kHz，采用最小頻移鍵控調(diào)制方式，信息傳輸速率最高可達128 b/s[4]。

2015年，中國電子科技集團公司第五十四研究所與加拿大Vital alert公司于合作開發(fā)了WS-TDA便攜式透地應急通信設備。該設備采用最新的信道預測技術(shù)、高性能語音編碼技術(shù)，可雙向傳輸話音、數(shù)據(jù)業(yè)務信息，還可接入對講機進行擴展應用，以滿足公共安全部門地上對地下設施、地下設施對地下設施的應急通信保障應用。

4 結(jié) 語

透地通信技術(shù)經(jīng)過艱難曲折的發(fā)展歷程，在交通、礦業(yè)高速度、高密度發(fā)展的今天，具有了前所未有的現(xiàn)實意義。目前，計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)正值飛速發(fā)展期，這些技術(shù)開始在透地通信技術(shù)研究中深度融合應用，相信不久的將來，透地通信技術(shù)研究將取得長足的進步和歷史性突破。