基于弱磁傳感的透地通信技術

諶靜維

摘要 簡述透地通信技術的應用場合及現有天線磁感應電磁波透地通信技術的缺點，重點介紹了基于弱磁傳感的透地通信技術、相關參數分析計算、針對現有技術缺點的優勢說明，展望了弱磁傳感透地通信設備的應用前景。

【關鍵詞】透地通信 銫光泵 線圈 地磁場

隨著社會的快速發展，地下設施越來越多，例如：地鐵、地下商場、隧道等，一旦發生事故，通信設施在事故中遭到破壞，必然造成通信癱瘓，導致無法對被困人員的狀況、位置準確了解，給救援工作造成了極大的困難。因此，以大地為信道的透地通信系統是應用于此類事故救援的一種安全可靠的通信系統。

1 目前透地通信系統及其缺點

目前國內外研究的透地通信方式主要有3種：

（1）天線磁感應電磁波透地通信;

（2）地電極電流注入的地電場透地通信;

（3）以機械振動波為信息載體的彈性波透地通信。

3種方式都存在不同程度的傳輸衰耗、地層介質影響、功耗體積等問題，綜合考量，國內外大多數研究集中于第1種方式，技術也較為成熟。例如加拿大Vital Alert公司推出的Canary Talk系列產品，是目前業界最成熟和最先進的透地通訊設備，語音通信距離可到300米，數據通信可到450米，圖1所示，在地表和地下分別架設環形天線，Canary Talk作為發射接收裝置實現雙向通信，支持多個終端之間通信。

天線磁感應電磁波透地通信技術是采用電磁波經地層進行信號傳輸，電磁波經地層衰耗很大，有效信號非常弱，一般采用甚低頻頻段，該頻段電磁波波長較長，傳輸所需的天線尺寸大、效率低，受地下空間條件的影響，安裝方式必定受到限制，同時地下設備在功率、電流、射頻功率等方面均有嚴格的安全規范要求，功率過大就不適合在地下使用，通信距離也存在一定限制。

2 基于弱磁傳感的透地通信技術

地球是個強磁體，磁場基本均勻（ 50000nT左右）地分布在各處，某一位置的磁場變化會引起一定距離內其它位置的磁場的變化，這種變化具有相同的變化規律，例如大小、變化周期等，且不會受地層、水、空氣的影響，只要在需要通信的地方的一端設置可以引發特定規律磁場變化的發射裝置，另一端設置可以檢測這種特定規律磁場變化的接收裝置，就可以實現信息的傳輸。

基于弱磁傳感的透地通信技術就是利用上述原理以地磁場作為傳輸介質的通信方式，發射裝置使用通電線圈，線圈通過帶有調制信號信息的電流可以產生特定規律的地磁場變化，接受裝置使用銫光泵磁傳感器，這類傳感器可以檢測地磁場的強度，以正弦波的形式輸出，線圈引發的地磁場強度變化表現為銫光泵磁傳感器輸出正弦波的頻率變化，且二者具有線性相關性，類似FM調制，通過頻譜解調分析就可以獲得調制信號信息，這對于現代通信數字信號處理解調技術沒有任何技術難點。結合現有的通信裝置，即可以實現通信。圖2所示，在地表和地下分別架設一組線圈、銫光泵及發射接收裝置，即可實現多個終端之間的通信。

目前銫光泵磁傳感器精度可以達到0.002nT（0.01- 1Hz帶寬），響應速率達到50-400Hz，理論通信帶寬可以達到400bit，考慮到濾波器采樣噪聲的影響，銫光泵磁傳感器依據實驗室結果在帶寬使用300Hz時精度會降到0.02nT左右，基于這個數據，發射端通電線圈只要能在接收端銫光泵處產生幅度大于0.02nT、變化周期小于300 Hz的磁場變化即可實現信息傳輸，以現有的語音及數據壓縮技術，300 bit的速率足以實現語音及數據通信。

設通電線圈半徑為a，通電電流為I，總匝數為N，p為螺線管外一點，則通電線圈在p點產生的磁場只有在z軸即線圈軸線方向上有磁場。依據畢奧.薩伐爾定律，此時p點處的磁場強度為：

實際使用情況中，線圈與地磁場不會在同一軸線上，兩者會有一定的夾角θ。由于地磁場遠大于線圈p點處的磁場，則p點處對于地磁場的影響可以近似為線圈p點處的磁場在地磁場方向上的分量，則P點處的地磁場變化為：

△B=Bcose0

（3）

依據式（2）、（3），線圈半徑取1.5m、匝數取500、電流取5A、夾角θ取30 °，以450m距離計算，p點處地磁場變化強度AB為0.027nT，滿足銫光泵磁傳感器檢測及通信的要求。

對于地下設備，體積功耗都是重要的衡量指標。銫光泵傳感器功耗約為30w，體積較線圈可以忽略不計，所以于弱磁傳感的透地通信設備的體積功耗主要集中于線圈。以5mm直徑銅線（電阻0.0009Ω/m）作為材料，線圈半徑取1.5m、匝數取500、電流取5A計算，線圈長度為2.5m，高度為3m，線圈銅線總電阻為4.23Q，線圈峰值功率為152.3w，整個發射接收裝置的總功率在200w以內，體積為2.5x3x3m，放置于8-lOm2的設備間或地下避難所完全沒有問題。相對于其它透地通信設備幾百瓦功率或者幾十米天線的情況，基于弱磁傳感的透地通信設備在地下空間的使用具有一定的優勢，同時，根據式（2）、（3），在條件允許的情況下，增加線圈電流、匝數及半徑，或者優化線圈的位置以減小θ，則通信距離可以進一步增加，甚至可以達到lkm以上。為滿足便攜式的需要，將線圈設計成多段組合且可以快速收納或展開的形式，也是一種可采取的手段。

3 結束語

國內外對透地通信的研究多是集中在天線磁感應近場電磁波透地通信，利用地磁場弱磁傳感進行透地通信的研究極少。地磁場在地殼中傳輸衰減不受介質影響，說明地磁場在大地中具有較為優良的載波特性，也可用于水下，同時，地磁場的檢測裝置銫光泵磁傳感器技術較為成熟，技術指標完全達到透地通信的基本要求。因此基于弱磁傳感的透地通信技術將是這個領域新的突破點，應用前景良好。

參考文獻

[1]郝建軍，幾種透地通信技術的分析與對比[A].湖南科技大學學報（自然科學版），2014，29（01）：59-62.

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