礦用本安型無線透地通信系統設計

田西方，李云波，肖勇，韓超超

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶　400037)

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礦用本安型無線透地通信系統設計

田西方，李云波，肖勇，韓超超

(中煤科工集團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的組成結構和關鍵技術，分析了系統的工作原理。該系統采用低頻電磁波輻射技術、數字通信技術和本安電源技術，具有體積較小、重量較輕、使用方便的特點。樣機實驗結果表明，該系統實現了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%，具有一定的實用價值。

無線透地通信；雙向通信；應急救援；電磁波輻射；數字通信；本安電源

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1010.012.html

0　引言

煤礦井下活動空間狹小、地質構造復雜、充滿爆炸性氣體混合物，當發生災害時，傳統通信系統通常會被破壞，造成被困人員和救護人員聯絡中斷，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，不受煤礦災害的影響，能夠實現雙向通信，是煤礦安全生產和災后應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的新興研究方向。本文設計了一種礦用本安型無線透地通信系統，該系統采用低頻電磁波輻射技術、數字通信技術和本安電源技術，具有體積較小、重量較輕、使用方便的特點[4]。樣機測試結果表明，該系統實現了50 m的雙向透地通信，為下一步開展文本通信和語音通信提供了研究平臺。

1　系統組成結構及關鍵技術

礦用本安型無線透地通信系統主要由鋰電池、本安電源板、通信主機、發射機、接收機、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提供安全穩定的電源供應。通信主機負責控制發射機和接收機的工作。發射機主要由正弦信號發生器、振幅鍵控電路、電壓放大電路、功率放大電路、發射調諧電容和發射電流調節電阻組成。接收機主要由選頻電感、接收調諧電容、I/V變換電路、信號調理電路[5]、有源全波整流電路、低通濾波電路和閾值判決電路組成。由于發射機和接收機分時利用同一框形天線，采用天線切換電路來實現發射機或接收機的接通邏輯。

圖1　礦用本安型透地通信系統組成結構

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

(1) 數字通信技術采用可編程數字調制器，以STC12C5A60S2單片機為核心，以DDS芯片AD9833為正弦載波發生器，以高速模擬開關CD4051為鍵控電路，采用C51語言對單片機進行編程，并將發送數據變換為已調信號。

(2) 由于接收點的通信信號十分微弱且存在環境噪聲干擾，研制高靈敏度微弱信號接收器有助于提高接收機性能。采用LC選頻電路抑制干擾并選擇有用信號，采用微弱電流放大器OPA129將接收

到的微安級電流信號轉換為毫伏級電壓信號，信號調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的輸出幅值穩定在一個區間，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，為系統提供安全、穩定、持久的供電保障。本安電源板采用兩級穩壓、兩級限流的雙重保護電路來限制電源電路的輸出功率。本安電源系統原理如圖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升高到通信系統的工作電壓DC9 V。兩級穩壓電路以LM317為核心元件搭建，兩級限流電路以MAX471和LM311為核心元件搭建。

圖2本安電源系統原理

2　系統工作原理

2.1透地信號衰減規律與載波選擇

透地通信以大地為通信信道，不同地區的地質構造存在差異，地層中各層的電導率σ和厚度h各不相同。透地通信的電磁波在均勻介質的地層中會發生損耗，在介質不同的2個相鄰的地層界面會發生反射和折射，這些現象導致透地通信信號發生衰減。

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

(1)

式中：f為電磁波的頻率；μs為地層的平均磁導率；σs為地層的平均電導率。

由式(1)可知，對于固定的地層，電磁波的頻率f越低，振幅衰減常數α越小，這意味著對于固定功率的發射機和固定靈敏度的接收機，通信距離可以更遠。特低頻ULF(300～3 000 Hz)和甚低頻VLF(3～30 kHz)這2個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調制與解調方式

礦用本安型無線透地通信系統是可移動式通信設備，采用電池供電，體積和重量不能過大，為此，需要采用相對簡單、功耗較低的調制與解調方式。采用二進制振幅鍵控實現信號調制，由通信主機將通信數據變換為基帶波形s(t)，采用鍵控法對載波c(t)進行數字調制，當s(t)為高電平時載波接通，當s(t)為低電平時載波關斷，這樣獲得已調信號u(t)。采用包絡檢波法進行非相干解調，依次對接收信號進行LC選頻、I/V變換、信號調理、全波整流、低通濾波和閾值判決以得到解調波形，然后由通信主機進行數字解碼。

2.3發射機原理

為了減輕系統體積和重量，采用一個框形天線來進行透地通信信號的發射和接收。框形天線由2個部分構成：礦用阻燃電纜和拆卸式碳纖維骨架。當需要進行通信時，將骨架組裝成十字形結構，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，天線和收發系統的匹配變得簡單。框形天線內部由N(N≥1)匝絕緣導線繞制而成，邊長為a，周長l?λc(λc為載波波長)。如圖3(b)所示，U(t)為發射機末級功率放大器的輸出電壓，C1為發射電路調諧電容，R2用來調節發射電流;虛線框內為發射天線等效電路，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代表發射電路輻射能力，一般有Rr?R1。

(a)框形天線結構(b)發射機原理

圖3框形天線結構和發射機原理

當通信載波頻率fc確定后，調節C1，使發射電路達到諧振狀態，此時發射回路電流i1(t)達到最大值，載波角頻率ωc滿足式(2)要求。

(2)

發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為發射電流有效值；P為發射機功率；Rs為發射回路所有歐姆損耗電阻之和，Rs=R1+R2。

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

2.4接收機原理

接收機原理如圖4所示。收發系統采用同一框形天線，虛線框內為接收天線等效電路，根據法拉第電磁感應定律，框形天線有感應電動勢e(t)產生，如式(4)所示。

(4)

式中：μ0為空氣磁導率；H為接收點的通信電磁波的磁場強度。

由式(4)可知，對于固定形狀的天線，提高通信頻率有助于提高接收信號強度，但通信頻率不能過高，要符合2.1節的要求。

圖4　接收機原理

接收點的信號一般比較微弱，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因數Q值，在接收回路中串聯一個高Q值的選頻電感L2，以提高接收電路選擇性。感應電動勢e(t)在接收回路中產生感應電流i2(t)，R3為一個阻值很小的采樣電阻，用來將感應電流i2(t)轉換為電壓u3(t)，便于后級電路進一步處理。

3　實驗分析

根據上述設計方案搭建實驗測試樣機，系統由2臺結構和性能完全相同的設備構成，工作方式為半雙工通信。

實驗場地示意如圖5所示，透地通信的電磁波穿透的地層以泥巖、砂巖和石灰巖為主。將一臺設備布置在距離平硐礦井洞口200 m的井巷中間位置A，另一臺設備在距離A點的垂直高度為50 m的地面山坡等高面上移動，B點位于A點的正上方，C點、D點和B點的距離均為3 m，E點、F點和B點的距離均為5 m，在B點、C點、D點、E點、F點分別進行5次實驗，每次實驗時間為10 min，對實驗結果求平均值，獲得的實驗數據見表1。表1中，通信速率1和誤碼率1表示井下發射、地面接收時的通信指標，通信速率2和誤碼率2表示地面發射、井下接收時的通信指標。

圖5　實驗場地示意

從表1可以看出，在以B點為中心、半徑為5 m的區域內，通信速率和通信誤碼率的差異不大；地面發射、井下接收時的通信指標優于井下發射、地面接收時的通信指標，這是由于地面的環境干擾比井下干擾要大。實驗結果表明，實驗樣機實現了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%，具有一定的實用價值。

表1　透地通信實驗數據

4　結語

介紹了礦用本安型無線透地通信系統的組成結構和工作原理，并對其關鍵技術進行了研究。樣機實驗結果表明，該系統實現了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行文本通信、語音通信和編解碼等研究提供良好的實驗平臺。

[1]孫紅雨,王娜,郭銀景,等.透地通信系統研究進展[J].山東科技大學學報(自然科學版),2011,30(3):79-85.

[2]霍振龍.透地通信系統的現狀和主流技術分析[J].工礦自動化,2013,39(9):40-42.

[3]郝建軍,孫曉晨.幾種透地通信技術的分析與對比[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2014,29(1):59-63.

[4]李彥博，向新,凌立偉.透地通信系統天線小型化設計與測試[J].工礦自動化,2013,39(7):18-22.

[5]易濱,劉勇,陳靜.礦井透地通信與接收電路運放設計[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設計方案探析[J].太原理工大學學報,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天線裝置的研究[J].太原理工大學學報,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設計[J].工礦自動化，2016,42(10)：44-47.

2016-04-11；

2016-06-22；責任編輯：張強。

“十三五”國家科技重大專項(民口)項目(2016ZX05045002-003)。

田西方(1988-)，男，河南濟源人，助理研究員，碩士，研究方向為低頻通信、礦井水文物探，E-mail：txf16888@126.com。

TD655

A網絡出版時間：2016-09-30 10:10