天线磁感应透地应急通信技术*

2019-01-23王晓林王孟宇史清林

通信技术 2019年1期

王晓林，王孟宇，史清林

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081）

0 引言

近些年，地下工程建设日益增多，在矿井、隧道、地铁等地下空间，塌方、漏水等灾害时有发生。常规通信设施在灾害时容易受到毁损，无法保证救援现场地上到地下的应急通信。作为采矿、运输、公共安全等行业的一种重要应急通信手段，透地通信日益受到重视，透地通信技术也得到了新的发展。

1 透地通信简介

透地通信是以大地为传输媒介进行通信的一种无线通信方式。比较主流的技术有三种：天线磁感应电磁波透地通信、以机械振动波为信息载体的弹性波透地通信和以磁场为载体传输信号的磁导透地通信。

对于弹性波透地通信和磁导透地通信的技术研究，目前还是以理论研究为主。对于天线磁感应电磁波透地通信技术，美国、加拿大的几个研究机构进行了坚持不懈的努力，在近十年取得了一定的研究成果，开发了几个典型的试验系统在地铁、矿山进行了成功试用和试验测试。

天线磁感应电磁波透地通信利用甚低频电磁波通信。早期的系统只能实现单向语音通信，受环境噪音干扰严重，信道容量低，且需要配置很大的环形天线。随着通信技术和计算机技术的迅速发展，目前已经实现了双向通信功能，设备的尺寸也进一步缩小。近些年，增强抗干扰能力以增强通信可靠性，是研究机构的主要研究方向。

弹性波透地通信以机械振动波为信息传输媒介，利用机械振动波在大地介质中的传播作用实现透地通信。机械振动在大地中的传输距离较远，但在传输过程中，由大地信道的特性决定的多径效应对系统性能的影响较为严重。

磁导透地通信技术以磁场为信息载体进行传输，通过产生交变磁场的机理，利用铁芯等导磁介质的磁场增强效应将交变磁场传输至远端实现透地通信。它的主要问题是导磁介质在通信传输过程中引入的环境噪声和其他干扰较大，到目前还没有非常有效的方法消除其影响。

2 天线磁感应透地通信机理及特点

2.1 天线磁感应透地通信系统组成

天线磁感应透地通信利用甚低频电磁波穿透大地介质进行通信，系统组成如图1所示。

地上设备和地下设备均由1台透地通信设备、1副发射天线和1副接收天线组成，2套设备和天线构成一个完整的双向通信透地通信系统。如图2所示，透地通信设备主要由数字处理电路、调制器、解调器、发射机和接收机等电路组成。

图1 天线磁感应透地通信系统组成

在信息发送方向，来自外接耳麦的话音信号经话音编码电路编码，话音数据或短信数据信号再由数字处理电路进行纠错编码，然后在调制器完成信号调制后，调制信号由发射机进行放大输出，最后形成的电信号由发射天线以甚低频电磁波的形式通过空间、岩层等传输媒介发射到对端。

在信息接收方向，来自发端的甚低频电磁波，由接收天线转换为甚低频电信号，再由接收机进行低噪声放大和变频处理。输出信号由解调器解调恢复发送端的调制数据信息，数字处理电路则对解调器输出的数据信息进行纠错解码处理，输出短信数据或话音编码数据。话音编码数据经话音解码电路解码还原为发送端的话音信号。

2.2 天线磁感应透地通信机理

如图3所示，在发射端，环形发射天线相当于一个磁偶极，带有调制信号的甚低频信号以交变电流的形式通过发射天线线圈，同时在空间形成磁场。环形发射天线中的电流、环形发射天线的面积、环形发射天线的线圈匝数越大，形成的磁性号磁场强度越大。

图3 天线磁感应透地通信机理

在接收端，接收天线处的磁性号强度与其到发射天线的距离的立方成反比。

接收天线感应磁性号产生电压，电压与磁性号强度的负倒数成正比。

接收天线的磁场偶和强度计算公式为[1]：

式中，i为发射天线电流，α为发射天线环形线圈面积，s为透地深度，β为大地的衰减因子。

式中，δ为大地或岩层介电常数，μ为大地或岩层介质的磁导率，ω为电磁波的角频率，I0(x)为零阶贝塞尔函数，I1(x)为一阶贝塞尔函数。

当大地为近似完全绝缘介质时，β=1。此时，接收天线上的垂直磁场强度为最高值，大地或岩层的导电率越大，磁场偶和强度越小，电磁波的角频率值越大，磁场的偶和强度值越小。

大地的电导率是影响透地通信距离的关键因素。针对煤矿应用环境，进行了较多试验研究。一般来说，对于确定的设备配置，两端收发天线间地层的导电率与到达接收天线的信号强度成反比。也可以说，两端收发天线间地层的电导率越大，最远通信距离越小。例如，在某煤矿的透地通信试验中，所选位置两端收发天线间地层中有多个煤层。煤层的电导率较大，对透地通信信号的传输将造成较大衰减，严重时可能导致两端设备不能通信。图4为从地面开始电导率随深度变化曲线。因为煤层的电导率大约是周围岩石的1 000倍，所以每当遇到煤层时电导率就会急剧增加。井下设备距离地面设备300 m，井下设备处的电导率大约为0.035 s/m。

另外，大量研究结果表明：在同一环境条件下，同一套设备使用不同频率进行透地通信试验测试，设备工作于甚低频时的通信距离最远。也就是说，甚低频信号在同种传输媒介中的单位衰耗最小，所以目前的大部分试验系统研究都集中在甚低频频段。

图4 电导率随深度变化曲线

需要说明的是，收发天线的放置方式不同，信号耦合的效果也大不相同。如图5所示，图5（a）能取得最佳效果，图5（b）效果次之，图5（c）放置方式最差，这是实际应用中需要注意的问题。

图5 天线放置示意

2.3 天线磁感应透地通信的特点

天线磁感应透地通信具有以下特点：

（1）利用低频或甚低频信号的电磁感应实现透地通信、传输话音或数据信息；

（2）由于系统采用低频或甚低频实现透地通信，容易受到附近环境的低频电信号的干扰，尤其电网影响较大，可以通过选取50 Hz的非整数倍工作频率来减小电网谐波对透地通信系统的干扰；

（3）与短波、超短波、微波等无线传输手段相比，天线磁感应透地通信的辐射能量更低；

（4）结合铺设条件，适当增加发射天线电流、铺设面积、匝数，可明显增加通信距离；

（5）天线磁感应透地通信收、发天线放置方式与通信距离、接收效果相关，理论分析及大量试验测试证明，以环形面正对为最佳；

（6）与空间常规无线通信方式相比，天线磁感应透地通信的信号衰减大，某处信号的衰减量与其到发射天线距离的立方成正比；

（7）地层地质条件不同，电导率不同。电导率是决定透地通信最大距离和传输信息最大带宽的主要因素。相对来说，岩石的电导率最小，对信号的单位距离衰减也最小；煤层的电导率最大，对透地通信信号的单位距离衰减也最大。另外，选用不同频段信号的透地传输试验证明，与其他频段信号相比，甚低频电磁波在大地岩层中传输的传输损耗最低。

3 天线磁感应透地通信技术应用

在天线磁感应透地通信技术研究领域，对于提高系统的抗干扰能力、进一步实现天线和设备的小型化，从而提高系统的可靠性方面，近些年一些研究机构取得了较大进展，并开发出了较为实用和能够适应实际环境的产品。典型的透地通信系统有澳大利亚Mine Site Technologies公司的PED系统、美国Lockheed Marti公司的Magne link系统和加拿大Vital Alert公司的Canary系统等。

20世纪80年代末，澳大利亚Mine Site Technologies公司开发了PED系统，并在煤矿灾害突发事故应急通信中进行了应用，实现了井上地面救援人员与井下被困作业矿工的话音通信。该系统采用400～1 000 Hz的超低频信号作为透地通信工作频段，利用长度为2～10 km的环形天线进行透地信号的发射。井下矿工使用头盔上安装的小型环形天线，就可接收地面发送的话音信号。系统测试试验结果表明，该系统的平均透地通信深度达到了800～1 100 m，证明透地通信技术及其应用有了历史性的进步，首次真正实现了地面到地下的远距离透地通信。需要说明的是，该系统在实际使用时由于井下受到发射功率和天线布设空间的限制，无法敷设等效面积巨大的发射天线，只适合应用于地面到井下的单向传输[2]。

美国Lockheed Marti公司利用甚低频电磁波技术开发了Magne link透地通信系统。该系统的电磁波信号可以穿透中间岩层实现井上与井下的双向透地通信，双向文本数据及语音信号的传输距离最大可达457 m。2010年6月，该系统还实现了多个透地通信单元之间的组网通信，实现了本系统与地面其他通信系统的互联组网通信[3]。

2010年开始至今，加拿大Vital alert公司陆续开发出固定安装及便携的Canary系列透地通信产品，在美国的矿山、地铁以及中国的矿山进行了试验测试及试用。Canary系统工作在0.4～8 kHz频段，其中Canary Go可实现200 m通信距离的实时双向语音透地通信。

中国船舶重工集团公司第七二二研究所研制出低频应急通信系统，可实现900 m的双向透地通信，频率范围为0.4～1 kHz，采用最小频移键控调制方式，信息传输速率最高可达128 b/s[4]。

2015年，中国电子科技集团公司第五十四研究所与加拿大Vital alert公司于合作开发了WS-TDA便携式透地应急通信设备。该设备采用最新的信道预测技术、高性能语音编码技术，可双向传输话音、数据业务信息，还可接入对讲机进行扩展应用，以满足公共安全部门地上对地下设施、地下设施对地下设施的应急通信保障应用。