透地通信技术领域研究现状及专利分析

高胜凯 黄玲

【摘要】 本文介绍了透地通信技术的研究现状，并从多个角度对该领域的专利申请状况进行了分析，以统计数据为基础，探讨各国尤其是我国在该领域的发展状况。

【关键词】 透地通信 甚低频 弹性波 磁通信 矿井 地下

一、透地通信技术概述

地下环境中，电磁干扰大，信道容量小，安装作业难度大。因此提供一种透地深度大、抗干扰能力强、信道容量大、安装较容易的透地通信技术极具实用价值。

早期用于矿井环境的通信技术为有线电话，另一种技术名为“漏泄馈源”（leaky feeder），都需要通过贯穿矿井的有线电缆实现通信。但有线方式存在电源和传输电缆极易被切断的危险，同时电缆必须经常随井下开采面的推进而移动或延伸，随着电缆长度的增加，每隔一段距离需要对信号进行中继放大，成本很高。

到二十世纪初，开始研究采用甚低频电磁波的无线电透地传输机制。早期的无线电透地通信系统仅能实现单向语音通信，干扰噪声大，信道容量低，并且需要配置非常大的环形天线。随着通信技术的迅速发展，透地通信技术在提高通信可靠性方面取得进步，实现了双向通信功能，装置的尺寸也进一步缩小，逐渐开发出成熟的产品。其中以澳大利亚Mine Site Technologies公司的PED系统、美国Transtek公司的TeleMag系统、加拿大Vital Alert公司的Canary系统为代表。

基于弹性波和磁导的透地通信技术是近年来兴起的新技术。

基于弹性波的透地通信技术是新的透地通信技术。相对于甚低频电磁波，弹性波在大地中的传输距离较远，不需要大尺寸天线。弹性波在传输过程中由大地信道的特性决定的多径效应是影响透地通信系统性能的主要因素。通信技术中的CDMA、OFDM、RAKE接收等技术可以很好地解决多径传输带来的问题，因此根据弹性波的特性选取适合甚低频弹性波调制的参数或信道编码方式，是这类透地通信技术的研究重点。

磁导透地通信技术以磁场为载体传输信号，通过产生交变磁场，经由铁芯之类的导磁介质将交变磁场传输至远端，实现信息的传递。在挖掘隧道、井下作业等场景下，原本就建设有一些由导磁材料构成的构件，例如铁轨，深井钻探头等，利用这些构件，可以在不额外增加成本的条件下，增加通信链路。这些构件的安装位置、人员接触条件等因素使得不适于利用这些构件来进行导电通信，而磁导通信却不受限于这些条件。基于磁导的透地通信的主要问题在于导磁介质在通信传输过程中引入的噪声和干扰较大，因此去噪和抑制干扰是这项技术的主要研究方向。（图1）

从技术细节来看，各个方向各有特点。增加穿透距离的研究起步相对较早，近年来呈逐渐下降态势，这是因为基于目前的传输介质和传输方式，穿透距离已达极限。而另一较早开展研究的方向，即天线形状及小型化方面，一直保持着不低的申请量，这是因为大规模集成电路的集成化程度在不断提高，而且材料工艺也在不断改进，因此天线参数以及芯片尺寸仍有进一步改进的余地。随着我国工业化水平的提高及对矿产资源需求的不断增大，近年来透地通信技术的工业应用呈热点态势，中国企业和研究院校对透地通信技术在相关行业的应用方面的研究加大了投入。此外，在降噪、降低干扰、增加信道容量方面，申请量保持平稳，可以预见的是，伴随着通信技术的快速发展，这些方面仍有进一步改进的空间。

二、透地通信技术领域的专利申请分析

2.1透地通信技术领域专利申请量趋势分析

透地通信技术领域的专利申请量在1980年以前很少，此后持续增长，自2005年后，专利申请量快速增长，并维持在一个较高水平。

专利产出数量反映了一个国家拥有的原创专利数量，原创专利越多，说明该国在该技术领域的研发能力越强，技术越先进。

图2的统计分析结果显示，美国的申请量最大。美国很早就开始透地通信技术领域的研究，技术实力强大，早期由军方部门推动研究，近年来美国的多家公司已研发出多型民用产品，我国也有引进。冷战期间，俄罗斯（前苏联）为与美国对抗，在透地通信技术方面也开展了一些研究，但近期缺乏进展。欧洲与日本的申请量比较平稳。

2.2 透地通信技术领域中国专利申请分析

中国自2006年后在该领域的专利申请量增长迅速，这与我国近年来对矿产资源的需求大幅度增加以及矿井事故多发有紧密联系。

对在华申请人进行统计分析，约47%的申请来自企业，约42%的申请来自科研院校，来自个人的申请占11%。在华申请人没有代表性的申请人，仅山东科技大学、哈尔滨工程大学和普拉德研究及发展公司相对较多。

以上情况均可以印证，我国在透地通信技术领域的起步较晚，相关专利技术还处于科研阶段，但企业的研发热情很高，且随着我国的经济发展，今后对于矿产资源的需求会进一步增大，因此透地通信技术在我国有很大的市场应用前景，专利申请量必将持续快速增加。

参 考 文 献

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