透地通信研究概况及其主流技术∗

邓羽捷 付天晖 王永斌 修梦雷

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

由于现场对电缆的破坏，有线通信在战时/矿井应急通信等场合不适用。无线透地通信方式中，传统电磁波的波长短，绕射能力差，在多层复杂地质结构中传输产生的反射、折射现象，损耗了一部分信号能量；且地层电磁参数的变化，尤其是地层的介电常数和电导率的变化与水分含量关系极大，会对电磁波的衰减造成显著影响［1-3］，因此不适用。有关学者提出了三种方案：基于天线近场感应的磁场透地通信、基于地电极电流注入的电场透地通信和基于机械振动波的弹性波透地通信［4］。磁感应透地通信受地质结构影响较小，天线设计较简单，相对成熟［5］。低频信号的穿透能力强、能量衰减较小，因此三种方式均选取低频频段。

由于发射天线周围介质的不同，上行链路模式电磁波的衰减约为下行链路的两倍［6］。为了增大信号传输距离，透地通信引入了三个主要研究方向：增大信号发射功率、提取接收方弱信号和降低噪声干扰；由香农定理可知，信道容量由信道的带宽和信噪比决定，在系统带宽一定的情况下，提高信噪比可以有效增大信道容量，由于发射端体积受限以及地下安全功率的要求，通过增大发射信号功率提高效率的空间较小，因此，提高天线利用率、降低噪声干扰、选择传播频率是透地通信系统的重点研究目标。

2 国内外研究概况

早在1899年，Nicola Tesla就提出了以大地为传输媒介，采用极低频电磁波进行通信的想法［2］。德国物理学家推导出了地下无线通信的理论基础，此后美国和法国等陆续设计透地通信系统，真正意义上实现了第一个地下通信系统的是南非工程师Wadley。20世纪初期，TPS系统问世，采用500Hz～1800Hz频段，最大通信距离为 1km［7］，此后无线透地通信不断发展。近年来，有关透地通信的各项研究取得了一些成果，各国产品相继上市，在适用场合广泛应用。表1为近30年来各国推出的磁感应透地通信产品的比较。

表1 近30年磁感应透地通信产品概览

Scholar Horizone公司和E-Spectrum公司也研发了透地通信系统，其中，E-Spectrum公司致力于研究地电极方式的透地通信［10］。2010～2013年，西班牙学者V.Bataller提出了基于地电极电流注入和检测接收端电极之间电位差的电场透地通信，提出了电极阻抗的电路等效模型［15］。2015年，L.Van和C.Sunderman综合考虑噪声水平和信号在土壤中的衰减特性，推导出了基于电极的TTE通信系统在均匀半空间中的场分布解析解［16］。

目前我国对于透地通信的研究大多停滞于理论阶段，实际应用较少。军事通信科学家司徒梦天在60年代末开展针对与地下指挥中心的无线通信技术的研究，利用择优判决、时间分集技术来削弱雷电脉冲干扰，主要研究弱信号的接收技术［17］。1999年，张清毅对大型环形发射天线下的透地信道特性进行了研究［1］，同时期，陶晋宜对适用于半导电媒质的天线装置进行了研究［18］。2008年至今，山东科技大学课题组研究基于弹性波的透地通信，理论与实验结合，得出弹性波以200Hz～300Hz的频率进行透地通信的信道衰落模型［19］。

3 透地通信系统及主流技术

3.1 透地信号传播模型

信号在大地信道中传播时，不同的地层介质对信号衰减效果不同。由于分层界面倾角、介质分布不均、不同区域的地层结构组成不同，且信道电磁环境往往包含大功率电器产生的尖峰脉冲噪声，构建信道模型和分析信号衰减通常是透地通信系统的难点。

信号在通过介质分层界面时，会出现反射、折射和透射三种情况，地层结构复杂，传播距离明显缩短，针对这些问题目前没有很好的解决办法，但可以通过实地考察地层参数，并选取合适的载波频率来构建拟合的信道模型。图1为信号在分层界面传输模型。其中，A为来波入射方向，B为反射方向，C为折射方向，α、β、γ分别为入射角、反射角和折射角。

图1 信号在分层界面传输模型

磁感应透地通信由于其不受地质结构变化影响，且天线设计简单，易于搭建，优于地电极方式，在传输距离、速率和时延上优于弹性波方式［14］。图2为磁感应方式下行链路模型。

图2 磁感应透地通信下行链路模型

分别在地面和矿井内架设两个天线，信号传播通过线圈之间的互感作用实现。调制信号发生变化，发射天线内的电流随之产生时变的磁场，经过大地信道的传输，接收天线感应辐射磁场场强的变化，从而在线圈内产生感应电流，以此实现电磁信号的接收［20］。近年有一些对信号传输模型的研究，文献［21］根据粒子群-遗传的Kriging插值法建立了分层地质模型；文献［6］传播模型为一层空气介质和两层不规则大地介质，根据介质层电学参数和每层深度计算接收端信号强度。文献［22］推导了分层地层电磁波正向和反向传播的电场和磁场强度。

3.2 透地信道噪声模型

低频频段的主要噪声干扰为非高斯噪声和50Hz工频干扰，50Hz工频干扰可加装阻带深衰减的高通、带通滤波器进行抑制，非高斯噪声时域表现为高峰值的随机脉冲，占据能量较大，是研究的重点关注对象［23］。表2为几种信道噪声模型的对比。

表2 经典信道噪声模型对比

传统的高斯模型可以拟合高斯噪声，但对含有尖峰脉冲的信道背景不适用。为了直观表示，本文搭建了噪声采集系统，分别在小区（高斯噪声）、25m深度的地铁站台（非高斯噪声）实地采集噪声数据，并用 Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture、Gaussian四种模型对实测数据进行拟合，图3为模型及实测数据的PDF曲线及其拖尾。

图3 四种模型对实测数据的拟合曲线及其拖尾

由图4得出结论，小区环境中，分布较为分散，四种模型与实测数据基本拟合；在25m深地铁站台，分布较为集中，高斯模型峰值低、拖尾薄，拟合度不好，因此传统高斯模型不适用，Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture模型可用于非高斯噪声的拟合建模。

3.3 发射技术

天线的设计对信道特性的影响尤为明显［1］，透地通信的传统天线形式有终端短路天线、环形天线、螺旋天线等［26］。由于频率越低，波长越长，而地下很难容纳尺寸过大的发射天线，因此研发小型化低频发射天线迫在眉睫。

机械天线是使用机械调整下倾角度的移动天线，其尺寸不需要和工作波长相同量级，可以有效携带驻波。2009年，一种新型天线使用旋转永磁体产生低频电磁波；2017年，Madanayake等推导了机械旋转偶极子的磁场表达式，但理论忽略了磁场与电场之间的转换［27］；基于安培环路电流模型，弓树宏等推导了基于旋转磁铁的机械天线电磁场表达式，实验条件下可穿透264.8m的土壤和203.5m的海水［28］，美国加州大学研发了一种用于甚低频发射机的自旋磁铁天线，用铁氧体外推磁通来简化系统的复杂性，可以超越Chu.Harrington极限［29］，目前基于旋转磁铁的机械天线尚处于起步阶段。

2019年，美国能源部SLAC国家加速器实验室开发出一种新型袖珍甚低频天线，这种基于应变的压电发射机可克服传统电小天线的许多基本限制，采用超低损耗的铌酸锂压电电偶极子元件，在声波共振下驱动，与同等电子尺寸相比，辐射效率比之前的技术水平高出300倍以上，传输数据的带宽约提高100倍。设备由4英寸长的压电晶体组成，利用“压电效应”将机械压力转化为电荷的积累，在声波波长下自共振的同时不需要大阻抗匹配网络［30］。

3.4 接收技术

信号在地下传输不仅会受到噪声干扰，还有电磁波产生的多径干扰，为了提高传输距离，接收端可从天线设计、弱信号的提取、扩频技术抗窄带干扰入手。适当地调整两个天线摆放的位置和角度，协同式铁氧体天线可以大大增强信号强度，有效对抗地下信道中多径衰落和损耗［31］；设计运放电路［32］，采用窄带、高灵敏度的磁场传感器［33］等技术使得接收端能更好地提取信道中的弱信号；低频扩频码捕获系统的搜索策略可用于小型化、数字化的直接扩频系统，以提高透地通信可靠性［34］；美国洛克希德马丁公司提出了基于电偶极子和环形天线的双天线降噪方法；北京科技大学在电偶极子双天线的基础上，设计基于宽带和窄带的双环天线，实验结果表明，双环天线时域主动降噪方法可有效消除非高斯尖峰噪声的干扰［6］。

4 结语

1）目前国内外对于透地通信的研究主要基于甚低频及以下频段，主要有三种方式：磁感应、地电极和弹性波透地通信，弹性波的研究停留在理论阶段，磁感应透地通信系统总体优于另外两种方式，但还需解决发射天线尺寸过大、不易便携，信号传播过程中受干扰较大，衰减严重等问题；

2）建立合适的信号传播模型和接收端抗非高斯干扰是研究的难点，接收端可根据Middleton Class A、α-stable、Gaussian Mixture等模型进行噪声建模，再优化传统的非线性滤波算法进行滤波；

3）发射甚低频信号的大功率、小尺寸的新型天线未来可能应用于透地通信系统的发射端，接收端天线的设计可有效消除干扰，捕捉弱信号。

为了提高透地通信距离，如何提高信噪比是今后研究的重点。发射天线的小型化、高Q值是未来透地发射端的发展趋势；接收端应着眼于如何在大幅脉冲噪声中提取弱信号；在恶劣的信道环境中，研发时间复杂度低、准确性高的非线性滤波器必不可缺。由于水下环境与地下有相似之处，基于低频频段的透地通信系统也可以应用于水下通信、地下指挥所与地面之间的军方通信、深层的地铁应急通信等领域。