透地通信系统的现状和主流技术分析.pdf

第 3 9 卷 第 9期 2 0 1 3年 9 月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo i ． 3 9 NO ． 9 S e p ． 2 O1 3 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 9 0 0 4 0 ～ 0 3 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 1 1 霍 振龙 ． 透地 通信 系统 的现状 和 主流技 术分 析[ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 9 4 0 4 2 ． 透地通信系统的现状和主流技术分析 霍振 龙 中煤科 工集 团常 州 自动 化研 究 院 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 简要 回顾 了透 地通 信 系统 的发展 历 史， 介 绍 了当前 国 内外透 地通信 系统的研 究现 状 、 使 用 效果 ， 分 析 了当前主 流的 透地通 信技 术 ， 展 望 了透地 通信技 术在 煤矿 的应 用前景 和 可能 的发展 方 向。 关 键词 煤矿 ； 透 地通信 ；双 向语 音 通信 ；应 急救援 通信 ；天线 中图分类 号 T D 6 5 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 8 2 7 1 7 4 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 8 2 7 ． 1 7 4 9 ． 0 1 1 ． h t ml Cu r r e n t s i t u a t i o n o f t hr ou g h - t h e e a r t h c o mmu n i c a t i o n s y s t e m a n d a n a l y s i s o f i t s ma i ns t r e a m t e c h no l o g y HU O Zhe n l o ng Ch a ng z ho u Aut o ma t i o n Re s e a r c h I ns t i t u t e o f CCTEG ，Ch a ng z ho u 21 3 01 5，Chi n a Ab s t r a c t Th e pa p e r b r i e f l y r e v i e we d de ve l op m e nt h i s t o r y o f t h r ou gh t h e e a r t h c o mm u ni c a t i o n s ys t e m ， i nt r od uc e d r e s e a r c h s t a t u s a n d a p pl i c a t i on e f f e c t o f t h r ou gh t h e e a r t h c ommuni c a t i o n s y s t e m of d o m e s t i c a n d f or e i gn， a n a l y z e d c ur r e n t ma i n s t r e a m t e c hn ol o g y of t he t hr o ug h t he e a r t h c ommuni c a t i o n， a nd pr o s p e c t e d a ppl i c a t i on a n d de ve l op m e nt di r e c t i on o f t h e t hr ou gh t h e e a r t h c o mm u ni c a t i o n t e c hn ol o gy i n c o a l m i ne． Ke y wo r ds c oa l m i ne；t hr o ug h ～ t he e a r t h c o mm u ni c a t i on；t wo wa y v o i c e c ommun i c a t i o n； e m e r g e n c y r e s c ue c o m mu ni c a t i o na n t e nn a 0 引 言 井 工开采 时有 灾 害发 生 。矿 井 灾 害发 生时 ，常 规 的通 信装 备通 常会 遭 到 毁 坏 ， 造 成井 下 与地 面 的 通 信 中断 ， 导 致 困在 井 下 的幸 存 者无 法 与 地 面 人 员 或 救护 人员 取得 联 络 ， 救护 队对 被 困人 员 的生 存 状 况 和位 置信 息不 能及 时准确 地 了解 ，给救 援工 作 带 来 很大 的 困难 。低频 透地通 信采 用 以分层大 地 为无 线电波传播媒介的无线 电通信方式 。由于它 的传播 媒介是分层大地 ， 不会受到矿井灾害的影响， 因而可 以可靠地实现应急救援通信 ， 实现井下被 困人员与 地面人员或救护人员的通信联络 。本文简要回顾了 透地通信系统的发展历史 ， 介 绍了当前国内外透地 通信系统的研究现状 、 使用效果 ， 并对当前主流的透 地通 信技 术进 行 了分 析 ， 最 后 展 望 了透 地 通 信 技术 在煤 矿 的应用 前景 和可 能 的发 展方 向。 1 透地 通信 系统 的研究 历史 和现 状 透 地通 信 已有 近一 百年 的研 究历 史 ， 但 其 发 展 一 直 比较缓慢。2 O世纪 6 0年代 ， 南非 、 美 国、 法 国 等 国 的科 学家 先后 对矿 井透地 通 信 的主要性 能进 行 了研 究 ， 对其 可行 性进行 了论 证 ， 取得 了较 为瞩 目的 成果 。 国外较实用的透地通信系统有澳大利亚矿山技 术 公 司开发 的 P E D P e r s 0 n a l E me r g e n c y D e v i c e 井 下 无 线 通信 与急 救 系统 ， 它 可 实现 超 低 频 信 号 4 0 0 1 0 0 0 Hz 穿 透岩 层 的无 线 急救 通 信 。它 强 大的发射系统可使超低频信号穿透岩层 ， 到达井下 收稿 E t 期 2 0 1 3 - 0 7 一 l 9 。 作者简介 霍振龙 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江苏常熟人 ， 研究员， 硕 士， 中国煤炭科工集团首席科 学家 ， 长期从 事煤矿通信 、 矿井人 员定位管理等 技术的研 究开发 r 作 ， E ma i l h z l c a r 1 ． c o n 1 ． c n 。 2 0 1 3年 第 9期 霍振 龙 透地 通信 系统的现 状和 主 流技 术分析 4 1 一 定深度和一定范 围内的任何位置 。借 助 P E D系 统 ， 可在数秒钟 内将有关发生 了何种紧急情况、 紧急 情况发生在何处 、 应采取何种紧急措施等一 系列指 令覆盖至井下相关人员 。P E D系统曾在大 同煤矿 集 团公 司 煤峪 口矿 、 王村 矿 、 燕 子 山矿 等 6个 矿 、 郑 州 煤炭 工业 集 团有 限责 任 公 司 告成 煤 矿 、 鹤 壁 矿 务 局和内蒙古大雁矿务局等处安装使用， 但应 用效果 不 太理 想 ， 已停 止运 行 。 美 国 Tr a n s t e k公 司推 出 的 T e l e Ma g是 一种 低 频 电磁波透地通信 系统， 具有 双 向语音通 信功能 。 它采用半双工通信模式 ， 工作频 率为 3 ～8 k Hz ， 地 面和井 下设 置 直径 为 1 8 ． 3 m 的 环形 天线 ， 采用 D S P滤波技术消除 噪声 ， 最大 通信距离为 3 0 5 m。 2 0 0 6年进行了该系统的样机测试 ， 其双 向通信能穿 透 8 5 m 的地 层 。2 0 0 9年 Tr a n s t e k公 司 又 推 出 了 第 二代 Te l e Ma g系统 ， 该 系统经 在 美 国一 个 煤 矿测 试 ， 达到 了 防爆 要 求 。该系 统采 用 D S P数字 压 缩技 术 ，能够实现双 向语音通信，通信距离超过 1 8 3 m。 加拿 大 Vi t a l Al e r t 公 司 推 出 了 C a n a r y Mi n e Me s s e n g e r 透 地通 信系 统 ， 如 图 1所示 。它 采用 3 ～ 3 0 k Hz 甚低频 电磁波 ， 工作频段为 2 ～9 k Hz ， 音频 信号穿透岩石 、 土壤 、 混凝土等的深度为 3 0 4 ． 8 m， 数据信 号 可穿 透 岩石 、 土壤 、 混凝 土 等 的深 度 为 4 5 7 ．2 m 图 1 Ca n a r y Mi n e Me s s e n g e r 透 地 通 信 系 统 美 国 L o c k h e e d Ma r t i n开 发 的 Ma g n e L i n k Ma g n e t i c C o mmu n i c a t i o n S y s t e m MC S 透地通信 系统 采用 甚低 频 电磁波 ， 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 4 5 7 m。2 0 1 0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。 我国在矿井透地通信系统 的开发方面， 有中煤 科工集团西安研究院开发的岩体无缆应急救灾通信 系统。该系统将收发双方通信机各 自的收发 电极分 别打人地下 ， 利用岩层传播信号 。该 系统 的通信频 段为 5 0 0 k Hz 或 4 5 5 k Hz ， 信道带宽为 6 k Hz ， 在同 一 岩层中传输距离约为 3 5 0 m。 2 透 地通 信 系统 的技术 难点 和主流 技 术分析 2 ． 1主要 技 术难 点 1 透地通信系统的超低频或甚低频电磁波是 在煤层和岩层中传输， 煤层和岩层的传输损耗较大， 为半导电媒介 ， 低频 电磁波在其中的传输特性 、 衰减 特性及干扰特性 目前没有现成的模型 。 2 透地通信系统需经地层进行信号 传输 ， 接 收点接收到的有效信号非常弱， 这给信号 的有效接 收 和处理 带来一 定 的 困难 L 1 ] 。 3 低频透地通信系统一般采用甚低频频段 ， 该频段电磁波波长长， 传输所需的天线尺寸大、 效率 低 ； 而矿用无线通信系统 由于受到巷道条件的限制 ， 天线 的长 度 、 安 装方 式等 受 到一定 的 限制 。 4 矿用 设 备在设 备 功率 、 工 作 电流 、 射 频输 出 功率等方面均有严格的安全规范要求 ， 功率过大 ， 就 不适合在煤矿井下使用 。 2 ． 2主 流技 术分 析 现有 的透地通信系统都是以大地为超低频或甚 低频 电磁 波 的传 输 媒 介 ， 利 用 超 低 频 或甚 低 频 电磁 波穿透大地的无线通信原理进行透地通信 。系统主 要包括地面天线 、 地面收发讯机 、 大地传输信道、 井 下天线及井下收发讯机等部分 。当发生 紧急情况 ， 其他通信系统全部瘫痪时， 超低频信号穿透岩层 ， 实 现语音和数据的双 向通信功能。这是 目前为止各种 透地通信系统采用的技术方案。 目前 ， 各研究单位 为了使透地通信达到更好的使 用效果 ， 纷纷把研究 重点放在提高天线利用率 、 增强抗干扰能力 、 提高信 道容量 、 选择 电磁波频率 、 双 向通信等方面。其 中， 天线的设计对信道特性的影响尤为明显[ 2 ] 。 透地通信的天线 主要有终端短路天线 、 环形天 线和螺旋天线等。参考文献[ 3 ] 为提高天线 的利用 率和增强抗干扰能力 ， 把天线设计的重点放在天线 的形式选择、 发送信号 的调制方式和提高接收信噪 比等方面， 作者 以 1 0 0 m长的终端短路单极 天线作 为发射接收天线设计 了一种透地通信系统。中煤科 工集团西安研究 院的无缆通信装置采用 的也是终端 短 路 单 极 天 线。美 国 洛 克 希 德马 丁 公 司 L o c k h e e d Ma r t i n 的 Ma g n e L i n k甚低 频 电磁波 透 地通信系统则采用环状天线[ 4 ] 。2 0 0 8年 7月， 美国 锡拉丘兹大学的 Gh o s h De b a l ma 等在 I E E E天线与 传播学会国际学术研讨会上提出了使用螺旋天线 的 透地矿井通信系统设计方案 ， 即井下的发射机采用 螺旋天线发射电磁波 ， 矿区地面设置合理的接收机 ， 4 2 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 从 而有 效地 维持地 面 与地下 的通信 。 透地通信 的工作频段 多是 甚低频或超低频频 段 。澳 大利 亚 Mi n e S i t e Te c h n o l o g i e s公 司 开 发 的 井下无 线通 信 与 紧 急救 援 指 挥 系 统 采 用 4 0 0 ～ 1 0 0 0 Hz的超低频信 号l 5 ； 2 0 0 6年 ， 美 国劳工部矿 山安全和卫生行政部门在研究了甚低频无线 电信号 传播特性的基础上， 提出无线透地语音通信系统的 工作频 率为 3 ～ 8 k Hz ； 美 国 T r a n s t e k公 司 生 产 的 Te l e Ma g工作频 率为 3 ～8 k HZ l 4 ] 。 此外 ， 弹性 波 E l a s t i c Wa v e 透 地通信正 以其 在地层中传播 时传输 衰减相 对较小 的优势崭 露头 角。国内外对弹性波传播特性的研究重点主要放在 地震波 和其他低 频 弹性 波 方面 。有 关资 料显 示 ， 1 0 Hz的地 震 波 在 地 壳 中 能 够 传 输 数 万 千 米， 1 0 0 Hz 的地震波在地壳中能够传输 数千米。弹性 波透地 通信 的优 点是 弹性波 在 大地 中具 有较 好 的载 波特性 ， 与 电磁 波 相 比 ， 它 能 更 好 地 与 大地 介 质 耦 合 ， 使 能量 的利用 效率 大大 提高 _ g ] 。近期 ， 弹性 波 透 地通信的研究热点集中在弹性波透地信号的接收方 法 、 大 地信道 探测 方法 、 大地 介质 的压 电效应 和多 径 效应以及各种损耗与地层相关的参数与信号衰落的 关系 等方 面 。 3透地通 信 系统在 矿 井的应用 前景 透地 通 信 系统 虽 然存 在 信 道带 宽 窄 、 通 信距 离 相对 短 的缺点 ， 但其 固有 的抗 毁性 是 其 他 通信 系统 无法 替代 的 ， 主要应 用场 合分述 如下 。 3 ． 1 用于避 难硐 室与 地面 的备 份 通信链 路 当灾难 或 事故 发 生 时 ， 避难 硐 室 与地 面 的光 纤 链路 极 易受到 损坏 ， 导 致 地 面 与井 下 无 法 建 立通 信 连接 ， 救 助救援 缺乏 现场 第一手 的信 息资 料 ， 将 为应 急救灾带来极大的难度 。透地通信系统作为光纤链 路的备份通信手段 ， 可在光纤主链路受损情况下， 为 地 面和井 下提 供 双 向 的语 音 和数 据 通 信 ， 而 不 受 周 边环 境 变 化 的 影 响 ， 是 避 难 硐 室 首 选 的 无 线 通 信 技 术 。 3 ． 2 用 于应 急救援 通 信 系统的延 伸 透地通信系统提供专用语音和数据接 口， 可与 本质安全型应急救援通信系统配合 ， 建立地面和井 下的双向通信链路 ， 实现地面指挥 中心和井下指挥 中心与终端之间的通信联络功能 。 3 ． 3 与矿 井主 干 网互连 ， 实现 矿 井主传输 通道 的 可 靠备 份 透地通信系统支持多种数据接 V I ， 可与现有工 业以太环网、 Wi F i 无线通信 系统或 2 G／ 3 G无线通 信系统 C D MA2 0 0 0 ／ WC D MA ／ T D S C D MA等 互 连 ， 实现 矿井 主传输 通 道 的可 靠备 份 。 4 结语 当前， 对透地通信的研究主要集 中于采用低频 电磁波实现透地通信 ， 只是天线方式、 工作频率和调 制方式有所不 同， 该类透地通信系统可适合不 同的 地质条件和应用场所 。对采用低频弹性波实现透地 通信的研究不多 ， 由于低频 弹性波在地层 中传播时 传输衰减相对较小 ， 未来该类透地通信系统有望成 为透地通信的一种主要方式 。随着技术的不断发展 和器件工艺的不断提高， 透地通信的传输速率、 通信 距 离将会 不 断提 高 。鉴 于透 地通信 不 受矿井 灾 害 的 影响 ， 可以预见透地通信将是现在和未来一定 时期 内首选的、 非常可靠 的应急救援通信手段 。 参考文献 [1] 司徒梦天． 解决地下通信技术难题的方案及关键设 备 [ J ] ． 中国工程科学 ， 2 0 0 1 ， 3 7 6 4 6 9 ． [2] 张清毅 ， 朱建铭． 透地通 信信 道特性 的研 究l- J ] ． 电波 科学学报 1 9 9 9 ， 1 1 4 3 6 4 0 ． [ 3] I L S L E Y L C， F RE E MAN H B， Z E L L E R S D H． Expe r i me nt s i n und e r g r o un d c o mmun i c a t i o ns t hr o ug h e a r t h s t r a t a r R] ． Al a s k a ，US A Bu r e a u o f Mi n e s ， 1 9 28 ． [ 4] 孙 红 雨 ， 王 娜 ， 郭 银 景 ， 等． 透地 通 信 系 统研 究 进 展 [ J ] ． 山东科 技 大学 学 报 自然科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 3 7 9 83 ． [ 5] 彭立军． P E D井 下无线通信 的发展E J ] ． 科技情报开发 与经济 ， 2 0 0 3 ， 1 3 5 1 6 8 - 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