透地?zé)o線通信研究綜述

付天暉，劉寶衡，王永斌

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033)

在現(xiàn)代工業(yè)與城市建設(shè)快速發(fā)展的背景下，人們對(duì)地表以下空間的利用需求日益增大。地下無線通信有著十分巨大的社會(huì)價(jià)值和實(shí)用前景，在礦產(chǎn)資源開采、自然災(zāi)害和人為災(zāi)害后的人員搜救、城市建設(shè)、土壤監(jiān)測、地下環(huán)境與設(shè)施監(jiān)控、地下人員定位等方面都能發(fā)揮十分重要的作用[1-4]。尤其在自然災(zāi)害等緊急情況發(fā)生時(shí)，礦井隧道、地鐵和地下建筑物等場所的常規(guī)通信設(shè)施易于受到破壞，造成地下及周邊地區(qū)的通信癱瘓，有線網(wǎng)絡(luò)在地層的物理形變過程中容易受到損傷，且維修成本高、傳輸可靠性較差，給救援工作造成了極大困難，因此當(dāng)前對(duì)于能夠應(yīng)用于地下災(zāi)后救援和安全生產(chǎn)的可靠的無線通信系統(tǒng)需求非常迫切[5-7]。感應(yīng)通信、超低頻透地通信、動(dòng)力線載波通信與短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信等是當(dāng)今地下無線通信的主要方式[8-9]。透地通信以分層大地作為傳播媒質(zhì)，依靠無線電波對(duì)大地的穿透進(jìn)行信息傳播，由于大地信道的穩(wěn)定特性，受自然災(zāi)害、事故的影響較小[10]，其具有安全性能好、防護(hù)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛、最可靠的地下通信方式[9-11]。

1 透地通信的發(fā)展及現(xiàn)狀

國外最早的透地通信研究始于對(duì)無線電傳輸機(jī)制的探索。1899年Tesla[12]提出了通過穿透大地進(jìn)行極低頻電磁波通信的概念。第一次世界大戰(zhàn)期間，科學(xué)家設(shè)計(jì)的用于隧道探測的低頻通信系統(tǒng)，是低頻電磁波透地通信的最初嘗試[13]。20世紀(jì)20年代美國物理學(xué)家使用環(huán)形天線，以500～810 Hz的無線電波穿透了石灰?guī)r和砂巖，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無線電波的透地特性。1930年，美國礦務(wù)局在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，證明了無線電波具有穿透大地的特性[14]。1949年，首個(gè)真正意義上的低頻電磁波透地通信系統(tǒng)在南非面世[15]。Viggh通過解析法探究了電磁波在三層簡化模型下的傳播特性；1978 年美國礦務(wù)局基于其理論研究成果研制了一套地下電磁定位系統(tǒng)[16]。1973年Large等[17]研究了環(huán)狀天線在分層媒質(zhì)中不同參數(shù)下形成的磁場數(shù)值分析與透地通信的信道特性。1975年美國研究與開發(fā)協(xié)會(huì)指出利用透地傳輸?shù)碾姶判盘?hào)可實(shí)現(xiàn)地下有效的信息傳輸；1976年，Geyer等[18]研究了地層的電磁特性以及地下電磁信號(hào)傳輸時(shí)的噪聲消除問題，并對(duì)埋地天線采用線電流天線還是環(huán)天線的問題做了進(jìn)一步的分析。1988年，Ristenbatt等[19]提出了一種用于地下礦井通信中的中頻無線電通信系統(tǒng)。澳大利亞在20世紀(jì)90年代中期成功研制了一種井下無線通信與緊急救援指揮系統(tǒng)(PED)，它通過采用200～1 000 Hz的超低頻信號(hào)穿透巖層進(jìn)行單向信號(hào)傳輸，完成地下救援，平均透地深度達(dá)到了800～1 100 m，是世界上唯一投入實(shí)用的無線通信系統(tǒng)。2004年美國科學(xué)家利用低頻電磁波進(jìn)行輻射，并采用高溫超導(dǎo)量子干涉器件(HT SQUID)作為接收設(shè)備，利用語音信息壓縮技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)壓縮后加載在高頻載波上，穿透巖層傳輸，實(shí)現(xiàn)了地上與地下之間的語音通信[20]。2009年，Vital Alert公司的Canary最新系列取得了實(shí)時(shí)語音雙向傳輸超過100 m、文字傳輸數(shù)百米的顯著成果[21]。同年，Sun等[22]研究了電磁波地下傳播的通信信道特性，提出了利用磁感應(yīng)技術(shù)來減小電磁波在大地媒質(zhì)中衰減問題的方案。2010年美國Lockheed Marti公司開發(fā)的Magne Link透地通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與地面通信單元的組網(wǎng)通信，雙向語音信號(hào)與文字的傳輸距離最多可達(dá)457 m。2012年Yan等[23]提出了透地通信電磁傳播的預(yù)測模型，將模型應(yīng)用到美國礦業(yè)局，得到了較好的近似結(jié)果。2015年，Yan等[24]以電極透地信道模型模擬了通信信道的衰落，得到了如何有效減小衰落的方法。

中國在透地通信領(lǐng)域起步較晚，與國外的研究水平和進(jìn)度相比還有一定的差距。但近年來，隨著科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的日益發(fā)展，中國加大了在透地通信方面的研究投入，并且在理論研究和實(shí)用領(lǐng)域都取得了一些成果。饒克謹(jǐn)?shù)萚25]提出了一種能有效計(jì)算電磁波反射系數(shù)和傳輸系數(shù)問題的計(jì)算方法，并計(jì)算得出了電磁波斜入射到分層有耗媒質(zhì)上的反射和傳輸系數(shù)。張清毅等[26]對(duì)透地通信的信道進(jìn)行了研究，并對(duì)分層媒質(zhì)中的環(huán)形天線通信信道進(jìn)行了探討；鄭紅黨等[27]研究了信道中電磁波傳輸?shù)拇蟪叨群托〕叨人p問題；陶晉宜[28]研究了無線透地通信的頻段以及電磁波的傳輸衰減特性，談?wù)摿苏{(diào)制方式與弱信號(hào)接收技術(shù)，并基于穿透地層的無線通信特征，提出了合理可行的透地通信系統(tǒng)方案；向新等[29]采用電流場實(shí)現(xiàn)了穿透地層的透地通信；郭銀景等[30]依據(jù)彈性波在大地信道中的傳播特點(diǎn)，提出了一種可行的彈性波透地通信系統(tǒng)方案；陳鵬等[31]采用時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)模擬了電磁波透地傳輸。在實(shí)用領(lǐng)域，1978年以來，中國軍事通信科學(xué)家司徒夢天[32]帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的地下通信系統(tǒng)，在導(dǎo)彈發(fā)射控制、指揮控制系統(tǒng)、潛艇通信等方面都有重要的實(shí)用價(jià)值，填補(bǔ)了中國在該領(lǐng)域的空白。煤炭科學(xué)研究院研制了“礦井多功能移動(dòng)與救災(zāi)通信系統(tǒng)”[33]。中煤科工集團(tuán)西安研究院在多次的理論分析和實(shí)驗(yàn)測量基礎(chǔ)上，以電流場通信的方式，開發(fā)出一套礦用本安型無線巖體通信設(shè)備系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于外場測試[34-35]。中船重工第722研究所研制的透地通信系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測試中成功實(shí)現(xiàn)了雙向通信，并將透地深度達(dá)到了469 m[36]。

2 透地通信方式的研究與對(duì)比

電磁波透地通信、地電極電場透地通信和彈性波透地通信是當(dāng)今三種主要的透地?zé)o線通信方式[37]。近年來還有不少研究者開始關(guān)注和探究磁感應(yīng)通信方式。

1899年，NicolaTesla提出以大地為傳播媒質(zhì)，利用極低頻電磁波實(shí)現(xiàn)通信的假設(shè)，電磁波透地通信的研究由此開始。1930年，Wallace Joyce通過多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一設(shè)想。自此，電磁波傳播特性的研究成為熱潮。電磁波方式是當(dāng)今最為成熟的透地通信技術(shù)，目前中外大多數(shù)研究都集中于這一技術(shù)，而且也已經(jīng)有了穩(wěn)定的產(chǎn)品，如澳大利亞的PED(personal emergence device)系統(tǒng)、加拿大的Canary系統(tǒng)等。電磁波透地通信的優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)能夠最大面積的覆蓋，電磁衰減相對(duì)較小，且受疏松地質(zhì)的影響也較小。但存在以下幾個(gè)問題：由于所使用的信號(hào)頻率較低，天線尺寸相對(duì)較大，在地下不容易布設(shè)，無法實(shí)現(xiàn)雙向通信；輻射效率較低，所需發(fā)射功率較大；地層半導(dǎo)電媒質(zhì)的吸收作用導(dǎo)致透地通信距離較短[37-39]。

20世紀(jì)60—70年代，為探索天線在地下的傳播性能，人們將天線埋入地下，地電極透地通信研究由此開始。Hurni等創(chuàng)造了一套無線穿巖通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電極作為天線，以中繼的方式成功地穿透了900 m巖層[40]。2003年，Gibson提出與天線磁感應(yīng)方式相比，地電極透地在甚低頻波段能量利用效率更高[41]。2010年，Bataller等在詳細(xì)分析了信道噪聲特性的基礎(chǔ)上提出電極透地通信[42]。地電極透地通信利用電流承載信息，本質(zhì)上也是近電場電磁波通信，其傳輸衰減更小，能量利用效率更高，天線尺寸較小。但由于收發(fā)兩端通過打入地下的電極進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送，地層介質(zhì)對(duì)信號(hào)的傳輸影響很大，且電極需打入巖石層數(shù)米，施工較為復(fù)雜。

當(dāng)前中外彈性波透地通信的研究主要是在地震波和其他低頻彈性波[13]。通過彈性波實(shí)現(xiàn)透地通信的研究最早出現(xiàn)在美國內(nèi)政部地礦局的資料報(bào)告中[40]。Ge通過機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的彈性波傳遞信息實(shí)現(xiàn)了通信，之后Unal等探討了彈性波的傳播特性以及彈性波在地層中的吸收衰減、散射衰減、波前擴(kuò)散衰減等[43]。郭銀景等[30]提出了一種新型透地通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)以 正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)為原理，利用彈性波傳輸信號(hào)，提高了接收靈敏度，可實(shí)現(xiàn)大透距傳播。相對(duì)于低頻電磁波來說，彈性波傳播不需要大尺寸的環(huán)形天線，發(fā)送設(shè)備體積較小，且彈性波與地層介質(zhì)高效耦合，減少了界面的反射能量損失，能夠提高能量的利用率，大大提高聲音的保真度，但其衰減程度更大，更容易受地層環(huán)境的影響，且彈性波傳播過程中會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，加大信號(hào)的衰減。

3 常用透地通信系統(tǒng)介紹與優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

PED系統(tǒng)由澳大利亞礦山技術(shù)公司(MST)開發(fā)，主要由地面上的信號(hào)輸入設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器、超低頻發(fā)射機(jī)、收發(fā)天線和地下接收設(shè)備組成。通過長度2～10 km的環(huán)天線發(fā)射200～1 000 Hz的超低頻電磁波，信號(hào)穿透巖層到達(dá)井下，井下人員利用安裝在頭盔上的小型環(huán)天線接收到信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)井下事故的急救以及地面與地下的及時(shí)通信，其平均透地深度可達(dá)800～1 000 m。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，它也存在缺點(diǎn)：一是由于透地通信采用超低頻及甚低頻，該系統(tǒng)的天線設(shè)置長度達(dá)數(shù)十千米，災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)容易損壞；二是環(huán)形天線的輻射效率低，信號(hào)傳輸衰減較大，其需要的發(fā)射信號(hào)功率較大；三是此外對(duì)于地下環(huán)境，由于天線尺寸和發(fā)射功率的限制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離雙向通信，只能實(shí)現(xiàn)地面到地下的單向傳輸。

加拿大的Canary系統(tǒng)是業(yè)界首個(gè)實(shí)現(xiàn)雙向語音通信和文本數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。Canary 2代系統(tǒng)采用3～30 kHz的甚低頻電磁波，利用帶放大器的鐵棒天線代替環(huán)形天線，2007年該系統(tǒng)在測試試驗(yàn)中通信距離達(dá)到113 m且實(shí)現(xiàn)雙向語音通信。現(xiàn)今Canary系列的最新產(chǎn)品Canary Link，尺寸、重量較小，便于安裝與部署，其非視距無線通信能力進(jìn)一步提高，通過2～8 kHz甚低頻電磁波，雙向語音可達(dá)300 m，雙向數(shù)據(jù)可達(dá)450 m，且有多種可選數(shù)據(jù)接口，能與WiFi、光纖網(wǎng)絡(luò)等多種通信線路進(jìn)行互聯(lián)。

中國中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的礦用本安型無線巖體通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[34]。該系統(tǒng)釆用模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的方式，通過電流場實(shí)現(xiàn)穿透地層的地下無線通信，可傳輸語音與數(shù)據(jù)文字，能在地下及時(shí)建立起指揮通信系統(tǒng)；該方式不必架設(shè)龐大的天線，靈活性好，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在煤礦巷道測試中，其實(shí)現(xiàn)了兩巷道間大于1 000 m的可靠通信，同巷道內(nèi)大于1 300 m的可靠通信，且透地深度達(dá)到300 m。

圖1 礦用本安型無線通信系統(tǒng)原理圖

基于彈射波透地原理，郭銀景等[30]提出了一套聲波透地通信系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖2所示。該系統(tǒng)由功率放大器、地耦合揚(yáng)聲器、地耦合拾音器、低噪聲放大器與選頻濾波器以及數(shù)字信號(hào)處理器等組成。該系統(tǒng)利用嵌入地層中的地耦合揚(yáng)聲器和地耦合拾音器完成彈性波與地層介質(zhì)的高效耦合，避免了地層與空氣界面的反射能量損失，能夠提高能量的利用率，減小因耦合引起的聲波功率譜的非線性改變和附加噪聲，大大提高聲音的保真度，并且該系統(tǒng)將傳輸信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制，不僅增加了信號(hào)的抗干擾能力，還可以使信號(hào)得到額外的擴(kuò)頻增益，抵消傳播中的衰減，延長了彈性波信號(hào)在地層中的傳輸距離。

圖2 彈性波透地模型圖[30]

4 透地?zé)o線信道傳播模型

地層由各種不同參數(shù)特性的巖層構(gòu)成，這些參數(shù)特性都會(huì)影響電磁波在地層媒質(zhì)中的傳播。電磁波在傳播過程中，受地層半導(dǎo)電媒質(zhì)吸收作用影響并且在穿透的各巖層交界面處會(huì)發(fā)生反射、折射，這些都使信道特性變得極其復(fù)雜[44]，因此建立合適的透地通信信道模型，是分析信號(hào)傳輸特性的前提，也是透地通信研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。首先要分析地層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與媒質(zhì)參數(shù)，然后根據(jù)不同的地層結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的信道分層模型，并準(zhǔn)確地模擬電磁波在地層中的傳播情況以及分析地層媒質(zhì)參數(shù)對(duì)電磁波傳播的影響[52]。

磁感應(yīng)透地模型如圖3所示。在地下和地表分別架設(shè)多匝線圈天線，當(dāng)改變發(fā)射線圈回路的電流時(shí)，時(shí)變電場產(chǎn)生時(shí)變磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，穿過接收線圈的磁通量發(fā)生改變，產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，在時(shí)變磁場作用下傳遞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信息的傳輸。

圖3 磁感應(yīng)透地模型圖

地電極透地模型如圖4所示。此方式利用低頻電流承載信號(hào)來實(shí)現(xiàn)透地通信。收發(fā)電極插入地下，將交變電壓加在發(fā)射機(jī)兩個(gè)電極之間，兩電極間產(chǎn)生傳導(dǎo)電流場，傳導(dǎo)電流場的變化使接收端感應(yīng)出交變電壓，從而實(shí)現(xiàn)透地信號(hào)的接收[53-54]。

其實(shí)不然，野村谷另辟蹊徑。訪客沿小徑走進(jìn)田園可以反客為主，款待親友，“開軒面場圃，把酒話桑麻。”此乃孟浩然詩作《過故人莊》中句子，不妨照錄一遍對(duì)比：“故人具雞黍，邀我至田家。綠樹村邊合，青山郭外斜。開軒面場圃，把酒話桑麻。待到重陽日，還來就菊花。”詩外的野村谷，有一處田園頗有幾分故人莊景象：

圖4 地電極透地模型圖

在信道傳播模型建立方面，三維地質(zhì)建模技術(shù)迅速發(fā)展并成為研究的熱點(diǎn)。其以科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)為理論基礎(chǔ)，能夠?qū)⒌刭|(zhì)資料和地表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為簡潔明了的可視化圖形，展現(xiàn)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和特征。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中外在三維地質(zhì)建模的理論和方法研究方面都取得了較多成果，也開發(fā)了不少較為成熟的可視化系統(tǒng)與軟件。但在分界面重構(gòu)方式、剖切算法、剖切面顯示方式、數(shù)據(jù)處理和顯示速度、復(fù)雜邊界的建模等方面仍需深入研究。為了解決建立地層分層模型時(shí)采樣數(shù)據(jù)相對(duì)有限這一難題，通常采用插值技術(shù)來擬合采樣數(shù)據(jù)。應(yīng)用于地層分層模型建立的插值技術(shù)主要有趨勢面法、最近鄰點(diǎn)插值法、Shepard法和Kriging法等[55]。

在建立的信道分層模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)地層媒質(zhì)的高精度建模，掌握地層媒質(zhì)的電磁參數(shù)分布狀況，從而研究分析地層中電磁波的傳播情況[56]。研究電磁場的基本方法有試驗(yàn)研究、解析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算。解析方法能計(jì)算簡化媒質(zhì)模型的電磁場傳播特性，但在復(fù)雜地層中并不適用；試驗(yàn)研究方法獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)，雖然真實(shí)度高，但只代表某個(gè)特定區(qū)域的電磁場傳播特性，隨機(jī)性、偶然性過大，因而不具有普遍性；而數(shù)值計(jì)算法在復(fù)雜地層的電磁場傳播特性研究中能發(fā)揮很大的作用[57]。邊界元法、有限元法、積分方程法、TLM 法等是解決地層介質(zhì)中電磁場問題的常用數(shù)值計(jì)算方法，而地下目標(biāo)數(shù)值散射場的求解方法主要有頻域解析法、積分方程法和時(shí)域有限差分法等。

5 透地通信主要問題與關(guān)鍵技術(shù)研究

電磁波透地通信發(fā)展面臨的主要問題包括[40]：信道復(fù)雜導(dǎo)致傳輸衰減大、天線尺寸大效率低、噪聲干擾嚴(yán)重與弱信號(hào)的接收。

地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且由各種不同參數(shù)特性的巖層構(gòu)成，不同地區(qū)巖層分布又各不相同，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等參數(shù)特性差異很大且這些參數(shù)都會(huì)影響電磁波在地層媒質(zhì)中的傳播，其中電導(dǎo)率的影響最大[58]。另外，電磁波在傳播過程中，受地層半導(dǎo)電媒質(zhì)吸收作用影響并且在穿透的各巖層交界面處會(huì)發(fā)生反射、折射、衰減等[59]。因此，透地信道是極其復(fù)雜多樣的，建立準(zhǔn)確且簡練的透地信道模型是一個(gè)關(guān)鍵前提。基于插值技術(shù)獲得的地層分層模型的采樣數(shù)據(jù)，通過三維地質(zhì)建模技術(shù)將地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖形，可建立透地信道模型，之后用數(shù)值法分析電磁波在地層中的傳播情況。

透地通信工作頻率在兆赫茲級(jí)或更低的范圍，為了有效地收發(fā)信號(hào)，必須使用較大的天線，現(xiàn)今采取的主要措施是增大天線的尺寸[60]，但地下空間十分有限，放置尺寸較大的天線比較困難。因此，在保證不增大發(fā)射功率和天線體積的前提下，如何增大透地通信距離是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[40]。現(xiàn)有的天線改進(jìn)方法主要有：采用多線圈協(xié)同方式發(fā)射信號(hào)[61-63]、采用磁中繼波導(dǎo)的形式增加中繼線圈[64-65]、發(fā)射線圈中加入超磁材料以及使用靈敏度更高的磁傳感器作為信號(hào)接收端[66-67]。

透地通信往往會(huì)受到自然干擾、工業(yè)干擾等影響，這些干擾都會(huì)通過不同的方式傳播到信號(hào)接收端來影響通信質(zhì)量，抑制干擾以提高通信系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要[58]。常用的抑制噪聲干擾方法主要有：增大發(fā)射信號(hào)功率，改善調(diào)制解調(diào)、編碼解碼的方法，采用有效的弱信號(hào)檢測方法，選擇合適的工作頻率，使用相關(guān)器進(jìn)行波形選擇，使用窄帶濾波器進(jìn)行頻率選擇，利用定向天線進(jìn)行空間選擇等。除了要解決系統(tǒng)以外干擾源帶來的干擾，信號(hào)在多層地層中傳輸時(shí)，由于折射和反射，還會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，克服多徑效應(yīng)的技術(shù)主要有：信道均衡技術(shù)、分集接收技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)與多輸入多輸出技術(shù)等[68]。

透地通信以大地地層作為傳輸媒介，由于地層吸收與散射、反射與折射、多徑效應(yīng)和壓電效應(yīng)，傳輸信號(hào)時(shí)衰減嚴(yán)重，到達(dá)接收端時(shí)是十分微弱的。為了解決常見的弱信號(hào)接收難題，確保通信系統(tǒng)的高信噪比、低誤碼率與可靠性，要?jiǎng)?chuàng)新優(yōu)化弱信號(hào)檢測方法[69]。解決弱信號(hào)接收的主要方法有:增大發(fā)射信號(hào)功率，用功率換取可靠性；采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，增大發(fā)射信號(hào)的頻帶寬度，用頻帶換取可靠性；延長發(fā)送信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，用時(shí)間換取可靠性。

磁感應(yīng)透地通信發(fā)展面臨的主要問題包括：信道問題、能量問題與定位問題。

雖然磁感應(yīng)通信傳播特性僅與磁導(dǎo)率有關(guān)，具有相對(duì)穩(wěn)定的信道特性，但地下無線信道是一個(gè)十分復(fù)雜的環(huán)境，損耗隨土層含水量、溫度和土質(zhì)成分等的不同而有較大差異，并且在磁耦合過程中由于渦流效應(yīng)引發(fā)電導(dǎo)率的變化，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減。可通過磁感應(yīng)波導(dǎo)技術(shù)或者優(yōu)化磁感應(yīng)地下通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來減小磁感應(yīng)的強(qiáng)度的衰減[70-71]。

磁感應(yīng)通信的路徑衰減與距離的3次方成反比，衰減階數(shù)大于電磁波，因此其傳輸損耗較高，能量損失大，通信距離受限。根據(jù)磁耦合中繼技術(shù)，采用直線型天線陣列波導(dǎo)模型或多維天線陣列降低系統(tǒng)的能耗，增大通信距離。

在不受波的折射、反射和多徑效應(yīng)等情況下，近場低頻磁感應(yīng)的透地通信距離可達(dá)幾百米，因此能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的透地定位。但由于地下環(huán)境存在信道環(huán)境噪聲干擾、設(shè)備熱噪聲干擾、天線擺放角度和距離的波動(dòng)等因素，基于公式推導(dǎo)的原始定位技術(shù)將不再適用，可通過時(shí)變因素概率統(tǒng)計(jì)模型，重新定義地面以下磁場強(qiáng)度公式，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的磁耦合高精度透地定位方法。

6 結(jié)論與展望

中外在透地通信理論研究和實(shí)用領(lǐng)域都取得了許多成果，但現(xiàn)今透地通信技術(shù)發(fā)展仍然緩慢，仍處于探索階段，還有很大的發(fā)展空間。隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展，透地通信的社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用前景會(huì)日益顯著，透地通信技術(shù)也將迎來更大力度的創(chuàng)新與改進(jìn)，其未來研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢主要有下幾點(diǎn)：

(1)采用全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過地下各個(gè)傳感器將信號(hào)傳到地上，實(shí)現(xiàn)覆蓋地上地下作業(yè)空間的通信，建立起地下無線傳感網(wǎng)和透地通信網(wǎng)，構(gòu)建透地多媒體寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透地通信的網(wǎng)絡(luò)化。

(2)構(gòu)建透地通信綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。改變常用無線通信系統(tǒng)封閉不開放的局面，使系統(tǒng)中的通信協(xié)議與信息交換標(biāo)準(zhǔn)兼容，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測、控制等系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享，提高系統(tǒng)的延展性，更大程度上提高地下作業(yè)的安全性和可靠性。

(3)構(gòu)建新一代無線信息系統(tǒng)。將先進(jìn)的無線通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光纖通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地下各種有線和無線監(jiān)視、監(jiān)測、監(jiān)控信息基于光纖的一體化傳輸，完成調(diào)度移動(dòng)通信、人員定位、無線可視多媒體監(jiān)視、地下環(huán)境的無線安全監(jiān)測等功能。

(4)研究使用新型先進(jìn)的通信技術(shù)。超寬帶(ultra wideband，UWB)技術(shù)采用寬的頻帶實(shí)現(xiàn)高速傳送，且可以增加信號(hào)傳輸距離，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下的實(shí)時(shí)監(jiān)測；zigBee技術(shù)組網(wǎng)靈活，能構(gòu)造星型網(wǎng)絡(luò)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，可增大通信距離；認(rèn)知無線電技術(shù)能與周圍環(huán)境交互信息，對(duì)環(huán)境變化做出及時(shí)反應(yīng)，可與現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)建高可靠性的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；紅外數(shù)據(jù)組織(infrared data association，IrDA)技術(shù)可應(yīng)用于各種檢測儀表的無線調(diào)校裝置。

(5)采用更高效的調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼、擴(kuò)頻等信號(hào)處理技術(shù)，完善極低信噪比條件下的弱信號(hào)檢測技術(shù)，增大信號(hào)的傳輸距離，提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提升系統(tǒng)抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠接收。

(6)完善透地通信的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及傳輸機(jī)制，減小發(fā)射機(jī)體積，解決透地通信系統(tǒng)中存在的天線太大不宜安裝的困難，使整個(gè)系統(tǒng)更加靈活實(shí)用。

(7)加強(qiáng)無線通信傳輸理論與電磁學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，加強(qiáng)電磁波在有耗媒質(zhì)中傳播以及電小天線近場理論的研究，使用更先進(jìn)成熟的計(jì)算機(jī)數(shù)值方法解決解析法難以解決的問題。