透地无线通信研究综述

付天晖，刘宝衡，王永斌

(海军工程大学电子工程学院，武汉 430033)

在现代工业与城市建设快速发展的背景下，人们对地表以下空间的利用需求日益增大。地下无线通信有着十分巨大的社会价值和实用前景，在矿产资源开采、自然灾害和人为灾害后的人员搜救、城市建设、土壤监测、地下环境与设施监控、地下人员定位等方面都能发挥十分重要的作用[1-4]。尤其在自然灾害等紧急情况发生时，矿井隧道、地铁和地下建筑物等场所的常规通信设施易于受到破坏，造成地下及周边地区的通信瘫痪，有线网络在地层的物理形变过程中容易受到损伤，且维修成本高、传输可靠性较差，给救援工作造成了极大困难，因此当前对于能够应用于地下灾后救援和安全生产的可靠的无线通信系统需求非常迫切[5-7]。感应通信、超低频透地通信、动力线载波通信与短距离无线网络通信等是当今地下无线通信的主要方式[8-9]。透地通信以分层大地作为传播媒质，依靠无线电波对大地的穿透进行信息传播，由于大地信道的稳定特性，受自然灾害、事故的影响较小[10]，其具有安全性能好、防护性能好、抗干扰能力强等优势，是现今应用最广泛、最可靠的地下通信方式[9-11]。

1 透地通信的发展及现状

国外最早的透地通信研究始于对无线电传输机制的探索。1899年Tesla[12]提出了通过穿透大地进行极低频电磁波通信的概念。第一次世界大战期间，科学家设计的用于隧道探测的低频通信系统，是低频电磁波透地通信的最初尝试[13]。20世纪20年代美国物理学家使用环形天线，以500～810 Hz的无线电波穿透了石灰岩和砂岩，通过实验证实了无线电波的透地特性。1930年，美国矿务局在多次实验的基础上，证明了无线电波具有穿透大地的特性[14]。1949年，首个真正意义上的低频电磁波透地通信系统在南非面世[15]。Viggh通过解析法探究了电磁波在三层简化模型下的传播特性；1978 年美国矿务局基于其理论研究成果研制了一套地下电磁定位系统[16]。1973年Large等[17]研究了环状天线在分层媒质中不同参数下形成的磁场数值分析与透地通信的信道特性。1975年美国研究与开发协会指出利用透地传输的电磁信号可实现地下有效的信息传输；1976年，Geyer等[18]研究了地层的电磁特性以及地下电磁信号传输时的噪声消除问题，并对埋地天线采用线电流天线还是环天线的问题做了进一步的分析。1988年，Ristenbatt等[19]提出了一种用于地下矿井通信中的中频无线电通信系统。澳大利亚在20世纪90年代中期成功研制了一种井下无线通信与紧急救援指挥系统(PED)，它通过采用200～1 000 Hz的超低频信号穿透岩层进行单向信号传输，完成地下救援，平均透地深度达到了800～1 100 m，是世界上唯一投入实用的无线通信系统。2004年美国科学家利用低频电磁波进行辐射，并采用高温超导量子干涉器件(HT SQUID)作为接收设备，利用语音信息压缩技术，将数字信号压缩后加载在高频载波上，穿透岩层传输，实现了地上与地下之间的语音通信[20]。2009年，Vital Alert公司的Canary最新系列取得了实时语音双向传输超过100 m、文字传输数百米的显著成果[21]。同年，Sun等[22]研究了电磁波地下传播的通信信道特性，提出了利用磁感应技术来减小电磁波在大地媒质中衰减问题的方案。2010年美国Lockheed Marti公司开发的Magne Link透地通信系统实现了与地面通信单元的组网通信，双向语音信号与文字的传输距离最多可达457 m。2012年Yan等[23]提出了透地通信电磁传播的预测模型，将模型应用到美国矿业局，得到了较好的近似结果。2015年，Yan等[24]以电极透地信道模型模拟了通信信道的衰落，得到了如何有效减小衰落的方法。

中国在透地通信领域起步较晚，与国外的研究水平和进度相比还有一定的差距。但近年来，随着科学技术与信息技术的日益发展，中国加大了在透地通信方面的研究投入，并且在理论研究和实用领域都取得了一些成果。饶克谨等[25]提出了一种能有效计算电磁波反射系数和传输系数问题的计算方法，并计算得出了电磁波斜入射到分层有耗媒质上的反射和传输系数。张清毅等[26]对透地通信的信道进行了研究，并对分层媒质中的环形天线通信信道进行了探讨；郑红党等[27]研究了信道中电磁波传输的大尺度和小尺度衰减问题；陶晋宜[28]研究了无线透地通信的频段以及电磁波的传输衰减特性，谈论了调制方式与弱信号接收技术，并基于穿透地层的无线通信特征，提出了合理可行的透地通信系统方案；向新等[29]采用电流场实现了穿透地层的透地通信；郭银景等[30]依据弹性波在大地信道中的传播特点，提出了一种可行的弹性波透地通信系统方案；陈鹏等[31]采用时域有限差分法(finite-difference time-domain，FDTD)模拟了电磁波透地传输。在实用领域，1978年以来，中国军事通信科学家司徒梦天[32]带领团队研制的地下通信系统，在导弹发射控制、指挥控制系统、潜艇通信等方面都有重要的实用价值，填补了中国在该领域的空白。煤炭科学研究院研制了“矿井多功能移动与救灾通信系统”[33]。中煤科工集团西安研究院在多次的理论分析和实验测量基础上，以电流场通信的方式，开发出一套矿用本安型无线岩体通信设备系统，并成功应用于外场测试[34-35]。中船重工第722研究所研制的透地通信系统在实验测试中成功实现了双向通信，并将透地深度达到了469 m[36]。

2 透地通信方式的研究与对比

电磁波透地通信、地电极电场透地通信和弹性波透地通信是当今三种主要的透地无线通信方式[37]。近年来还有不少研究者开始关注和探究磁感应通信方式。

1899年，NicolaTesla提出以大地为传播媒质，利用极低频电磁波实现通信的假设，电磁波透地通信的研究由此开始。1930年，Wallace Joyce通过多次实验证实了这一设想。自此，电磁波传播特性的研究成为热潮。电磁波方式是当今最为成熟的透地通信技术，目前中外大多数研究都集中于这一技术，而且也已经有了稳定的产品，如澳大利亚的PED(personal emergence device)系统、加拿大的Canary系统等。电磁波透地通信的优点在于信号能够最大面积的覆盖，电磁衰减相对较小，且受疏松地质的影响也较小。但存在以下几个问题：由于所使用的信号频率较低，天线尺寸相对较大，在地下不容易布设，无法实现双向通信；辐射效率较低，所需发射功率较大；地层半导电媒质的吸收作用导致透地通信距离较短[37-39]。

20世纪60—70年代，为探索天线在地下的传播性能，人们将天线埋入地下，地电极透地通信研究由此开始。Hurni等创造了一套无线穿岩通信系统，该系统以电极作为天线，以中继的方式成功地穿透了900 m岩层[40]。2003年，Gibson提出与天线磁感应方式相比，地电极透地在甚低频波段能量利用效率更高[41]。2010年，Bataller等在详细分析了信道噪声特性的基础上提出电极透地通信[42]。地电极透地通信利用电流承载信息，本质上也是近电场电磁波通信，其传输衰减更小，能量利用效率更高，天线尺寸较小。但由于收发两端通过打入地下的电极进行信号的接收和发送，地层介质对信号的传输影响很大，且电极需打入岩石层数米，施工较为复杂。

当前中外弹性波透地通信的研究主要是在地震波和其他低频弹性波[13]。通过弹性波实现透地通信的研究最早出现在美国内政部地矿局的资料报告中[40]。Ge通过机械振动产生的弹性波传递信息实现了通信，之后Unal等探讨了弹性波的传播特性以及弹性波在地层中的吸收衰减、散射衰减、波前扩散衰减等[43]。郭银景等[30]提出了一种新型透地通信系统，该系统以 正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术为原理，利用弹性波传输信号，提高了接收灵敏度，可实现大透距传播。相对于低频电磁波来说，弹性波传播不需要大尺寸的环形天线，发送设备体积较小，且弹性波与地层介质高效耦合，减少了界面的反射能量损失，能够提高能量的利用率，大大提高声音的保真度，但其衰减程度更大，更容易受地层环境的影响，且弹性波传播过程中会产生多径效应，加大信号的衰减。

3 常用透地通信系统介绍与优缺点对比

PED系统由澳大利亚矿山技术公司(MST)开发，主要由地面上的信号输入设备、调制解调器、超低频发射机、收发天线和地下接收设备组成。通过长度2～10 km的环天线发射200～1 000 Hz的超低频电磁波，信号穿透岩层到达井下，井下人员利用安装在头盔上的小型环天线接收到信号，从而实现井下事故的急救以及地面与地下的及时通信，其平均透地深度可达800～1 000 m。但在实际应用过程中，它也存在缺点：一是由于透地通信采用超低频及甚低频，该系统的天线设置长度达数十千米，灾害事故发生时容易损坏；二是环形天线的辐射效率低，信号传输衰减较大，其需要的发射信号功率较大；三是此外对于地下环境，由于天线尺寸和发射功率的限制，无法实现远距离双向通信，只能实现地面到地下的单向传输。

加拿大的Canary系统是业界首个实现双向语音通信和文本数据通信的系统。Canary 2代系统采用3～30 kHz的甚低频电磁波，利用带放大器的铁棒天线代替环形天线，2007年该系统在测试试验中通信距离达到113 m且实现双向语音通信。现今Canary系列的最新产品Canary Link，尺寸、重量较小，便于安装与部署，其非视距无线通信能力进一步提高，通过2～8 kHz甚低频电磁波，双向语音可达300 m，双向数据可达450 m，且有多种可选数据接口，能与WiFi、光纤网络等多种通信线路进行互联。

中国中煤科工集团西安研究院研制的矿用本安型无线岩体通信系统原理框图如图1所示[34]。该系统釆用模拟电路和数字电路相结合的方式，通过电流场实现穿透地层的地下无线通信，可传输语音与数据文字，能在地下及时建立起指挥通信系统；该方式不必架设庞大的天线，灵活性好，具有良好的社会效益和经济效益。在煤矿巷道测试中，其实现了两巷道间大于1 000 m的可靠通信，同巷道内大于1 300 m的可靠通信，且透地深度达到300 m。

图1 矿用本安型无线通信系统原理图

基于弹射波透地原理，郭银景等[30]提出了一套声波透地通信系统，系统模型如图2所示。该系统由功率放大器、地耦合扬声器、地耦合拾音器、低噪声放大器与选频滤波器以及数字信号处理器等组成。该系统利用嵌入地层中的地耦合扬声器和地耦合拾音器完成弹性波与地层介质的高效耦合，避免了地层与空气界面的反射能量损失，能够提高能量的利用率，减小因耦合引起的声波功率谱的非线性改变和附加噪声，大大提高声音的保真度，并且该系统将传输信号经过扩频调制，不仅增加了信号的抗干扰能力，还可以使信号得到额外的扩频增益，抵消传播中的衰减，延长了弹性波信号在地层中的传输距离。

图2 弹性波透地模型图[30]

4 透地无线信道传播模型

地层由各种不同参数特性的岩层构成，这些参数特性都会影响电磁波在地层媒质中的传播。电磁波在传播过程中，受地层半导电媒质吸收作用影响并且在穿透的各岩层交界面处会发生反射、折射，这些都使信道特性变得极其复杂[44]，因此建立合适的透地通信信道模型，是分析信号传输特性的前提，也是透地通信研究的重点与难点。首先要分析地层的结构特点与媒质参数，然后根据不同的地层结构建立相应的信道分层模型，并准确地模拟电磁波在地层中的传播情况以及分析地层媒质参数对电磁波传播的影响[52]。

磁感应透地模型如图3所示。在地下和地表分别架设多匝线圈天线，当改变发射线圈回路的电流时，时变电场产生时变磁场，根据电磁感应定律，穿过接收线圈的磁通量发生改变，产生了感应电动势，在时变磁场作用下传递信号，实现了信息的传输。

图3 磁感应透地模型图

地电极透地模型如图4所示。此方式利用低频电流承载信号来实现透地通信。收发电极插入地下，将交变电压加在发射机两个电极之间，两电极间产生传导电流场，传导电流场的变化使接收端感应出交变电压，从而实现透地信号的接收[53-54]。

其实不然，野村谷另辟蹊径。访客沿小径走进田园可以反客为主，款待亲友，“开轩面场圃，把酒话桑麻。”此乃孟浩然诗作《过故人庄》中句子，不妨照录一遍对比：“故人具鸡黍，邀我至田家。绿树村边合，青山郭外斜。开轩面场圃，把酒话桑麻。待到重阳日，还来就菊花。”诗外的野村谷，有一处田园颇有几分故人庄景象：

图4 地电极透地模型图

在信道传播模型建立方面，三维地质建模技术迅速发展并成为研究的热点。其以科学计算可视化技术为理论基础，能够将地质资料和地表数据转化为简洁明了的可视化图形，展现地质体的结构和特征。经过几十年的发展，中外在三维地质建模的理论和方法研究方面都取得了较多成果，也开发了不少较为成熟的可视化系统与软件。但在分界面重构方式、剖切算法、剖切面显示方式、数据处理和显示速度、复杂边界的建模等方面仍需深入研究。为了解决建立地层分层模型时采样数据相对有限这一难题，通常采用插值技术来拟合采样数据。应用于地层分层模型建立的插值技术主要有趋势面法、最近邻点插值法、Shepard法和Kriging法等[55]。

在建立的信道分层模型基础上，通过对地层媒质的高精度建模，掌握地层媒质的电磁参数分布状况，从而研究分析地层中电磁波的传播情况[56]。研究电磁场的基本方法有试验研究、解析计算和数值计算。解析方法能计算简化媒质模型的电磁场传播特性，但在复杂地层中并不适用；试验研究方法获取的数据参数，虽然真实度高，但只代表某个特定区域的电磁场传播特性，随机性、偶然性过大，因而不具有普遍性；而数值计算法在复杂地层的电磁场传播特性研究中能发挥很大的作用[57]。边界元法、有限元法、积分方程法、TLM 法等是解决地层介质中电磁场问题的常用数值计算方法，而地下目标数值散射场的求解方法主要有频域解析法、积分方程法和时域有限差分法等。

5 透地通信主要问题与关键技术研究

电磁波透地通信发展面临的主要问题包括[40]：信道复杂导致传输衰减大、天线尺寸大效率低、噪声干扰严重与弱信号的接收。

地层结构复杂多变，且由各种不同参数特性的岩层构成，不同地区岩层分布又各不相同，电导率、磁导率、介电常数等参数特性差异很大且这些参数都会影响电磁波在地层媒质中的传播，其中电导率的影响最大[58]。另外，电磁波在传播过程中，受地层半导电媒质吸收作用影响并且在穿透的各岩层交界面处会发生反射、折射、衰减等[59]。因此，透地信道是极其复杂多样的，建立准确且简练的透地信道模型是一个关键前提。基于插值技术获得的地层分层模型的采样数据，通过三维地质建模技术将地质资料和数据转化为可视化图形，可建立透地信道模型，之后用数值法分析电磁波在地层中的传播情况。

透地通信工作频率在兆赫兹级或更低的范围，为了有效地收发信号，必须使用较大的天线，现今采取的主要措施是增大天线的尺寸[60]，但地下空间十分有限，放置尺寸较大的天线比较困难。因此，在保证不增大发射功率和天线体积的前提下，如何增大透地通信距离是研究的难点和热点[40]。现有的天线改进方法主要有：采用多线圈协同方式发射信号[61-63]、采用磁中继波导的形式增加中继线圈[64-65]、发射线圈中加入超磁材料以及使用灵敏度更高的磁传感器作为信号接收端[66-67]。

透地通信往往会受到自然干扰、工业干扰等影响，这些干扰都会通过不同的方式传播到信号接收端来影响通信质量，抑制干扰以提高通信系统的可靠性显得尤为重要[58]。常用的抑制噪声干扰方法主要有：增大发射信号功率，改善调制解调、编码解码的方法，采用有效的弱信号检测方法，选择合适的工作频率，使用相关器进行波形选择，使用窄带滤波器进行频率选择，利用定向天线进行空间选择等。除了要解决系统以外干扰源带来的干扰，信号在多层地层中传输时，由于折射和反射，还会产生多径效应，克服多径效应的技术主要有：信道均衡技术、分集接收技术、正交频分复用技术与多输入多输出技术等[68]。

透地通信以大地地层作为传输媒介，由于地层吸收与散射、反射与折射、多径效应和压电效应，传输信号时衰减严重，到达接收端时是十分微弱的。为了解决常见的弱信号接收难题，确保通信系统的高信噪比、低误码率与可靠性，要创新优化弱信号检测方法[69]。解决弱信号接收的主要方法有:增大发射信号功率，用功率换取可靠性；采用扩频通信技术，增大发射信号的频带宽度，用频带换取可靠性；延长发送信号的持续时间，用时间换取可靠性。

磁感应透地通信发展面临的主要问题包括：信道问题、能量问题与定位问题。

虽然磁感应通信传播特性仅与磁导率有关，具有相对稳定的信道特性，但地下无线信道是一个十分复杂的环境，损耗随土层含水量、温度和土质成分等的不同而有较大差异，并且在磁耦合过程中由于涡流效应引发电导率的变化，导致磁感应强度的衰减。可通过磁感应波导技术或者优化磁感应地下通信网络系统来减小磁感应的强度的衰减[70-71]。

磁感应通信的路径衰减与距离的3次方成反比，衰减阶数大于电磁波，因此其传输损耗较高，能量损失大，通信距离受限。根据磁耦合中继技术，采用直线型天线阵列波导模型或多维天线阵列降低系统的能耗，增大通信距离。

在不受波的折射、反射和多径效应等情况下，近场低频磁感应的透地通信距离可达几百米，因此能够实现长距离的透地定位。但由于地下环境存在信道环境噪声干扰、设备热噪声干扰、天线摆放角度和距离的波动等因素，基于公式推导的原始定位技术将不再适用，可通过时变因素概率统计模型，重新定义地面以下磁场强度公式，采用基于机器学习的磁耦合高精度透地定位方法。

6 结论与展望

中外在透地通信理论研究和实用领域都取得了许多成果，但现今透地通信技术发展仍然缓慢，仍处于探索阶段，还有很大的发展空间。随着社会的进步与科学技术、信息技术的高速发展，透地通信的社会价值和应用前景会日益显著，透地通信技术也将迎来更大力度的创新与改进，其未来研究重点与发展趋势主要有下几点：

(1)采用全新的网络结构。通过地下各个传感器将信号传到地上，实现覆盖地上地下作业空间的通信，建立起地下无线传感网和透地通信网，构建透地多媒体宽带移动通信系统，实现透地通信的网络化。

(2)构建透地通信综合自动化系统。改变常用无线通信系统封闭不开放的局面，使系统中的通信协议与信息交换标准兼容，实现与监测、控制等系统的联网与数据共享，提高系统的延展性，更大程度上提高地下作业的安全性和可靠性。

(3)构建新一代无线信息系统。将先进的无线通信技术、无线网络技术和光纤通信技术相结合，实现地下各种有线和无线监视、监测、监控信息基于光纤的一体化传输，完成调度移动通信、人员定位、无线可视多媒体监视、地下环境的无线安全监测等功能。

(4)研究使用新型先进的通信技术。超宽带(ultra wideband，UWB)技术采用宽的频带实现高速传送，且可以增加信号传输距离，能够实现对地下的实时监测；zigBee技术组网灵活，能构造星型网络或点对点网络，具有较大的网络容量，可增大通信距离；认知无线电技术能与周围环境交互信息，对环境变化做出及时反应，可与现有通信系统结合构建高可靠性的监测网络系统；红外数据组织(infrared data association，IrDA)技术可应用于各种检测仪表的无线调校装置。

(5)采用更高效的调制解调、编码译码、扩频等信号处理技术，完善极低信噪比条件下的弱信号检测技术，增大信号的传输距离，提高信号传输的稳定性，提升系统抗干扰性能，实现信号的可靠接收。

(6)完善透地通信的发射机、接收机及传输机制，减小发射机体积，解决透地通信系统中存在的天线太大不宜安装的困难，使整个系统更加灵活实用。

(7)加强无线通信传输理论与电磁学基础理论的研究，加强电磁波在有耗媒质中传播以及电小天线近场理论的研究，使用更先进成熟的计算机数值方法解决解析法难以解决的问题。