矿井透地无线通信系统研究综述

鲍祖尚，潘 萍

（长沙师范学院 电子信息工程系，湖南 长沙 410100）

矿井透地无线通信系统研究综述

鲍祖尚，潘 萍

（长沙师范学院 电子信息工程系，湖南 长沙 410100）

无线通信系统是煤矿安全生产、高效抢救的重要保证，而透地通信系统又是最可靠地通信方式，近年来一直是国内外研究的热点。对矿井透地无线通信系统研究现状进行了分析，并指出了今后的研究方向。

矿井；无线通信系统；透地

1 矿井无线通信系统的研究现状

国外早在上个世纪三十年代就已经开展对地下无线通信的研究，但发展相当缓慢，直到二战之后，美、苏等国为适应地球物理勘测和核战争的需要投入巨大的人力物力来进行地下无线通信的研究，地下通信取得了很大的发展。上世纪50年代末，国内外才出现了一些有关地下通信的论文及研究报告。IEEE.A.P 1963年5月发表了地下通信专刊；前苏联也发表了大量有关地下通信的论文及研究报告，并召开过全苏联地下通信会议；1983年英国采矿开发研究院推出了MRD83400型矿井无线电泄漏通信系统。加拿大的爱仪公司和澳大利亚的矿通公司先后推出具有高速信息公路功能的井下漏泄通信系统。

以上提到的这些系统都是利用漏泄电缆的漏泄原理实现矿井无线电通信。不同于一般无线通信，它们用漏泄同轴电缆替代基地站的普通天线，漏泄同轴电缆附近的移动台通过与泄电缆的漏泄耦合实现与基地站的移动通信。但是漏泄电缆成本高，当系统过分庞大时，过多的双向增音器级连，噪音易累加，信道不稳定。而且这些系统需要辐射发射线铺设在矿内或地下区域，要求在爆炸或塌方时也不致被破坏，这在许多地下险情发生时几乎难以做到。因此，漏泄系统在地下险情发生时并不可靠。

法国研制的依靠地下巷道中原有的动力电缆、轨道等导体感应的中频(MF)通信设备[1]，该种技术需要有导体(或电缆)的存在，当导体收到破坏时，通信将中断。

日本、德国研制的需要预铺设导线的低频(LF)感应通信利用电磁感应原理实现通信[2]，频率往往选择在中低频，发话时移动通信机的磁性天线十分接近感应线且发射天线尺寸较大，容易受到井内其他电磁噪声的干扰，稍远离感应体信道不稳定，使得感应通信的语音通话质量不理想。

透地通信系统是一种以分层大地作为传播媒质，无线电波穿透大地的无线电通信方式。由于大地信道的稳定特性，且不受自然灾害、矿井事故等影响，被认为是最可靠的应急通信方式。但是大地不同介质层的吸收、反射、透射、折射情况复杂，限制了大地信道在通信系统中的应用，进展十分缓慢。

2 透地无线通信系统工作原理

目前，透地信息获取或传输主要有电场、磁场、电磁波和弹性波等多种方式，但真正能够满足通信带宽实际需要的只有电磁波和弹性波信道[3]。利用电磁波进行透地通信系统包括五个主要部分：发射设备、发射天线、大地无线信道、接收天线、接收设备。其原理框图如图1所示。

图1 透地无线通信系统工作原理框图

3 透地无线通信系统的研究

矿井透地通信由于其地理环境的复杂性，理论研究较为困难，主要以实验为基础缓慢发展起来，几十年来发展缓慢，其趋势远远落后于蓬勃发展的地面无线通信。

直至1961年南非研制了工作频率在350 KHz的透地通信系统后，全球相继出现了关于透地通信的研究专利和文献。1988年美国专利Larry G.Stolarczyk[4]提出了一种在中频范围(300kHz--3MHz)中可操作以用于地下矿井通信的无线电通信系统，该无线电通信系统将MF载波信号耦合到向矿井和矿井内的设备内延伸的现有传导通道中，并且耦合到传导通道。但是这种系统需要用于传达信号的传导通道。2006年ZviH.Meiksin[5]等人提出了一种用于在能量传输有限的范围内通信的方法和系统。遍布场所的多个RF收发器位于场所范围内，在每个位置，RF收发器连接到控制单元。

美国锡拉丘兹大学的Ghosh-Debalina等人于2008年7月在IEEE天线与传播学会国际学术研讨会上首次提出使用螺旋天线的透地矿井通信系统设计方案，通过在矿区地面上设计合理的接收机可以有效地维持与地下发射机的通信。

我国在透地通信系统方面的研究比较少，在引进国外应急救灾系统的同时，开展了一些试验应用系统和理论研究工作。刘晓佩[1]提出了一种采用扩频技术、可数字化实现的矿井透地通信系统方案。陈二虎[7]通过分析了大地媒质的特性，建立了矿井透地无线通信系统在均匀介质或近似于均匀的介质岩层中的传播理论模型。李攀登[7]分析了弹性波在大地信道中的衰减特性，根据弹性波的衰减特性设计了透地OFDM调制系统框架。邓敏[8]研究了声波透地通信系统中的OFDM编码方案及子载波间交织算法，探讨了声波透地通信系统中信道探测方案和最佳接收方案的设计。李彦博等人[9]针对现有透地通信系统天线尺寸较大、可移动性差、无法实现双向通信的问题，设计了中心频率为500 kHz的中波小型方环天线，并对天线的阻抗特性、匹配性能及通信距离进行了理论分析及侧试研究。郭银景[10]等人提出了一种低速率矿山透地通信扩频信号的快速捕获方法研究。

但目前实用的透地通信系统有澳大利亚开发的PED井下无线通信系统，该系统实现了超低频信号穿透岩层进行传输[11]，主要应用在紧急情况发生时，其它通信方式完全中断，通过PED发射系统，使其超低频信号穿透岩层到达井下任何位置，迅速有效地与井下人员通信，在目前全世界透地通信系统中仍属于应用性较强的系统，但是该系属于单向通信，系统在地面所需的发射天线长达数千米，且其价格还比较昂贵，只适合在大型煤矿中采用。

美国的VIYALALERT透地通信2007年成为世界上第一个能发送一个超低频，双向声音信号并且穿透90多米的系统。这个地下无线电装置有超低频电磁传播，频率在3 000～30 000赫兹，用音频压缩器来传送无线信号和数据信号。但是该系统没有信号定位能力，所以在建立该系统时应该预先知道地面和地下的位置，并且穿透能力比较弱。

美国Lockheed Marti采用甚低频电磁波开发了MagneLinkTM透地通信系统，可穿透地层实现井上、井下双向文本及语音的传输，地面与井下双向透地距离可达457m，2010年6月，该系统实现了多单元组网，并实现了与地面通信系统的接通并网。

2013年，由我国北京云都科技有限公司与Vital Alert通信公司研制生产的Canary Link-IS透地通信系统成功完成了国内RS-485测试[12]。该系统利用磁导、数字和甚低频无线通信等领先技术手段，实现穿透岩层以及其他介质并进行双向语音通信和文本数据通信的功能。本次测试使得Link-IS成为矿井传感器探测数据或更多RS-485终端回传数据的稳定载体。

但是现有技术还没有达到为任何可能深度的矿井或坑道提供透地双向通信的地步。

4 结束语

透地通信研究主要集中在低频或甚低频电磁波和低频弹性波方面。电磁波研究主要集中在对天线的研究，弹性波相比于高频电磁波，在大地信道中衰减要小些，比电磁波更容易与大地介质祸合，能量利用率将大大提高。双向通信在矿山安全生产、紧急抢救中都具有很重要的作用，所以开发国内的具有较高性价比的双向矿井透地无线通信系统势在必行。随着通信技术发展，透地通信应该有新的突破。

[1]刘晓佩.矿井透地扩频通信系统的应用研究[D].西安:西安科技大学，2004.

[2]Kohler,Jeffery.Monitoring,Control,and Communications[M].Society forMining,Metallurgy and Exploration，1992.

[3]肖忠祥，冯艳平，杨庆珍，等.微弱弹性波信息传输方法研究[J].石油仪器，2006，20(6):57-58.

[4]LarryG.Stolarczyk，radio communication systems for undergroundmines，USA，4，777，652[P].1988-10-11.

[5]Zvi H.Meiksin et al,through-the-earth communication system,USA，7，050，831[P].2006-05-23.

[6]陈二虎.矿井透地无线通信系统的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[7]李攀登.基于OFDM的弹性波透地通信中调制技术的研究[D].济南：山东科技大学，2010.

[8]邓 敏.基于OFDM的声波透地通信相关技术的研究[D].济南：山东科技大学，2009.

[9]李彦博，等.透地通信系统天线小型化设计与测试[J].工矿自动化，2013（7）:18-22.

[10]郭银景，等.低速率矿山透地通信扩频信号的快速捕获方法研究[J].工矿自动化，2013（6）:32-35.

[11]凌立伟，等.PED透地通信天线的设计与测量分析[J].煤田地质与勘探，2013（10）：84-87.

[13]于家乐.Canary无线透地通信系统完成国内RS-485测试[OB/OL]，http://it.zbinfo.net/tech/479581/726175894803b.shtml，2013-12-09.

Review ofMine Wireless Communication System w ith Through-The-Earth

BAO Zu-shang，PAN Ping
(Departmentofelectronic information engineering，Changsha NormalUniversity，Changsha 41010，China)

Wireless communication system is the important guarantee of coal mine safety production and efficient rescue.While through-the-earth communication system is themost reliable communication mode,In recent years，it hasbeen a hot research in domestic and Abroad.Article analysis the statusof research forminewireless communication system with through-the-earth,also points out tthe future research direction.

mine；wireless communication system；through-the-earth

TD655

B

1672-545X（2014）04-0022-03

2014-01-03

鲍祖尚(1963—)，男，湖南长沙人，副教授，主要从事单片机与嵌入式系统等方面的科研和教学工作。

矿井通信担负着矿山生产、安全、调度的重要任务，在矿井安全生产、高效抢救中发挥着非常重要的作用。由于煤矿井下特殊的工作环境，在矿山灾害一旦发生时，通常的有线通信信道极有可能被破坏，这就为救援工作带来极大的难题，导致被困人员死亡和财产的重大损失。所以无线通信是矿井通信的最可靠的通信方式。文章对矿井透地无线通信系统研究现状进行了分析，对今后的研究方向具有指导意义。