矿用本安型无线透地通信系统设计.pdf

第 4 2卷 第 l O 期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动 化 I nd us t r y an d M i ne Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 0 Oc t ． 2 O1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 4 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 0 田西方 ， 李云波， 肖勇， 等． 矿用本安型无线透地通信系统设计r J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 4 4 4 7 ． 矿用本安型无线透地通信系统设计 田 西方 ， 李云 波 ， 肖勇， 韩超超 中煤科工集团重庆研究院有限公 司， 重庆4 0 0 0 3 7 摘 要 介绍 了矿 用本安 型无 线透地 通信 系统 的组成 结构和 关键技 术 ， 分析 了 系统 的工作原 理 。该 系统 采 用低 频 电磁 渡辐 射技 术 、 数 字通信 技术 和本 安 电源技 术 ， 具有体 积较 小 、 重量较轻 、 使 用方便 的特点 。样机 实 验结果表明， 该 系统实现 了 5 0 m的双向透地通信 ， 通信速率约为 1 5 0 b i t ／ s ， 误码率不大于 0 ． 2 ， 具有一定 的 实用价值 。 关 键词 无线 透地通 信 ；双 向通信 ； 应 急救援 ；电磁 波辐射 ； 数 字通信 ； 本 安 电源 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 1 0 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 6 0 9 3 0 ． 1 0 1 0 ． 0 1 2 ． h t m1 De s i g n o f mi n e u s e d i n t r i ns i c a l l y s a f e wi r e l e s s t hr o u gh t he - e a r t h c o mmu n i c a t i o n s y s t e m TI AN Xi f a n g，LI Y u n bo，XI A0 Yo n g， HAN Ch a o c h a o CC TEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e d s t r u c t u r e a n d k e y t e c h n o l o g i e s o f mi n e u s e d i n t r i n s i c a l l y s a f e wi r e l e s s t hr ou g h t he e a r t h c o mm u ni c a t i on s y s t e m ， a nd a n a l y z e d wor k i ng pr i n c i pl e of t h e s ys t e m ．The s y s t e m u s e s l o w f r e q u e nc y e l e c t r o ma g ne t i c r a d i a t i o n t e c hn ol o g y， di g i t a l c o mm u ni c a t i on t e c hno l o gy a nd i nt r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y t e c h n o l o g y ， wh i c h h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f s ma l l e r v o l u me 。 l i g h t e r we i g h t a n d e a s y op e r a t i o n．The t e s t r e s ul t s o f p r ot o t yp e s ho w t h a t t h e s ys t e m h a s r e a l i z e d 5 O m t wo wa y t hr o ug h t he e a r t h 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 4 1 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 6 2 2 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 “ 十三五” 国家科技重大专项 民口 项 目 2 0 1 6 z xO 5 0 4 5 ∞ 2 0 0 3 。 作者简介 田西方 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河南济源人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 研究方 向为低频通信、 矿井水文物探 ， E - ma i l t x f l 6 8 8 8 1 2 6 ． c o rn。 检测 灵敏 度低 ， 因此 采 用 线 路基 波 负 序 电 流和 综 合 谐波电流进行故障选线具有较高 的可靠性 。 5 结语 基于基波负序电流和谐波总电流的单相接地故 障选线方法 以基波负序 电流为选线主判据， 谐波电 流为辅助判据。与现有故障选线方法相 比， 该方法 受 中性点运行方式 、 故障类型等因素的影响小 ， 可直 接 应用 于矿 山地 面变 电所 。该 方法应 用 于矿井 变 电 所时， 可只采用基波负序电流作为选线判据 。由于 基波负序 电流只流过接地线路首端， 不需要获取和 综合 比较所有线路 的故障信息 ， 非常适合应用在矿 井 、 化工 、 石油等具有易燃性物质的企业 电网中。 参考文献 E l i 任志玲， 张嫒嫒． 基于改进的 HHT变换和信心度的配 电网故 障 选 线 [ J ] ． 电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2 0 1 5 ， 4 3 1 0 8 1 3 ． [ 2 ] 马春艳 ， 龚 瑛． 煤 矿谐 振接 地故 障模糊 综合 选线 方法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 8 1 8 4 ． [ 3 ] 张鑫 ， 牟龙华． 基于信息融合 的矿 山电网复合保 护[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 2 ， 3 7 1 1 1 9 4 7 1 9 5 2 ． [ 4 ] 王晓卫 ， 高杰 ， 魏 向， 等． 基于小波包贝叶斯 的小 电流接 地 系统故 障选 线 方法 E J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 5 4 58 ． [ 5 ] 庄伟 ， 牟龙华． 基于零序电流有功分量 的配 电网接地故 障定位 [ J ] ． 同济大学学报 ， 2 0 1 4 ， 4 2 3 4 6 8 4 7 3 ． [ 6 ] 李琦． 电力系统 电气故 障和异 常现 象分析 E M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 1 5 ． [ 7 ] 曾祥君 ， 尹项根 ， 张哲 ， 等． 配 电网接地故障负序 电流 分 布及接地保护原理研究 I- J ] ． 中 国电机工程 学报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 6 8 4 8 9 ． 2 0 1 6年第 1 O期 田西方等 矿用本安型无线透地通信 系统设计 4 5 c o mmu n i c a t i o n wi t h c o mmu n i c a t i o n r a t e o f a b o u t 1 5 0 b i t ／ s a n d b i t e r r o r r a t e o f n o l a r g e r t h a n 0 ． 2 ，a n d h a s a c e r t a i n p r a c t i c a l v a l ue ． Ke y wo r d s wi r e l e s s t h r o ug h t he e a r t h c o mm u ni c a t i o n； t wo wa y c o m mun i c a t i o n； e m e r ge n c y r e s c u e； e l e c t r o ma g n e t i c r a d i a t i o n；d i g i t a l c o mmu n i c a t i o n；i n t r i n s i c a l l y s a f e p o we r s u p p l y 0 引 言 1 系统组 成结 构及 关键 技术 煤矿井下活动空间狭小 、 地质构造复杂、 充满爆 炸性气体混合物 ， 当发生灾害时， 传统通信系统通常 会 被破 坏 ， 造成 被 困人 员 和救护 人 员联 络 中断 ， 给救 援工作造成极大困难r 1 ] 。透地通信是一种 以地层为 通信信道 的无线通信技术 ， 不受煤矿灾害的影响， 能 够 实 现双 向通 信 ， 是 煤 矿 安 全 生 产 和灾 后 应 急救 援 的重要通信手段I 2 ] ， 是煤矿井下无线透地通信系统 的新兴研究方向。本文设计了一种矿用本安型无线 透地通信系统 ， 该系统采用低频电磁波辐射技术、 数 字通信技术和本安电源技术 ， 具有体积较小、 重量较 轻 、 使用方便 的特点[ 4 ] 。样机测试结果表明， 该系统 实现了 5 0 m 的双向透地通信 ， 为下一步开展 文本 通信和语音通信提供了研究平台。 矿 用本安型无线透地通信 系统主要 由锂电池 、 本安电源板、 通信主机、 发射机、 接收机 、 框形天线和 天线 切换 电路 组 成 ， 如 图 1 所 示 。锂 电池 和本 安 电 源板为系统提供安全稳定的电源供应 。通信 主机负 责控制发射机和接收机的工作。发射机主要 由正弦 信号 发 生器 、 振 幅键 控 电路 、 电压 放 大 电路 、 功率 放 大电路、 发射调谐 电容 和发射 电流调节 电阻组成 。 接收机主要 由选频电感 、 接收调谐电容 、 I ／ V变换电 路 、 信号调理 电路_ 5 ] 、 有源全波整流电路 、 低通滤波 电路和阈值判决电路组成 。由于发射机和接收机分 时利用同一框形天线 ， 采用天线切换 电路来实现发 射 机或 接 收机 的接通 逻辑 。 图 1 矿用本安型透地通信 系统组 成结构 矿用本安型无线透地通信系统的关键技术 主要 有数字通信技术 、 低频 电磁波辐射技术和本安电源 技术 可编程数字调制器 、 高灵敏度微弱信号接收器 和本 安 电源 。 1 数字通信技术采用可编程数字调制器 ， 以 S TC 1 2 C 5 A6 0 S 2单 片 机 为 核 心 ，以 DD S 芯 片 AD9 8 3 3为 正 弦 载 波 发 生 器 ， 以 高 速 模 拟 开 关 C D 4 0 5 1 为 键 控 电路 ， 采 用 C 5 1语 言对 单 片 机 进 行 编程 ， 并将发送数据变换为已调信号 。 2 由于接收点的通信信号十分微弱且存在环 境噪声干扰 ， 研制高灵敏度微 弱信号接收器有助于 提高接收机性能。采用 L C选频电路抑制干扰并选 择 有用信号 ， 采用微 弱电流放大器OP Al 2 9 将接收 到的微安级电流信 号转换 为毫伏级电压信号 ， 信号 调 理 电路 主 要包 括程 控 放 大 电路 和 5 0 Hz陷波 电 路 ， 程控 放大 电路使 接收信 号 的输 出幅值稳 定在 一 个 区间 ， 5 0 Hz陷波 电路 用来抑 制工 频干 扰 。 3 电源采用容量为 6 A h的锂电池组 ， 并配 备本安 电源板 ， 为系统提供安全、 稳定、 持久的供电 保障。本安 电源板采用两级稳压 、 两级 限流的双重 保护电路来限制电源电路 的输出功率。本安电源系 统原理如 图 2所示。DC ／ D C升压 电路 以 L M2 5 7 7 为核心元件搭建， 将锂电池组输出的 D C 3 ． 8 V升高 到通信系统 的工作 电压 D C 9 V。两级稳压 电路 以 L M3 1 7为核心 元件 搭建 ， 两 级 限流 电路 以 MAX 4 7 1 和 L M3 1 1 为核 心元 件搭 建 。 4 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 图 2本安电源系统原理 2系统 工作原 理 2 ． 1透地 信号 衰减规律 与 载波选择 透地通信 以大地为通信信道 ， 不同地 区的地质 构造存在差异， 地层中各层的 电导率 和厚度 各 不 相 同。透地 通信 的 电磁 波在 均匀介 质 的地层 中会 发生损耗， 在介质不 同的 2个相邻 的地层界面会发 生反射和 折射， 这些 现象导 致透地 通信 信号发 生 衰减 。 透地通信系统工作在煤矿 ， 电磁波要在煤层及 岩层中传播 ] ， 煤层及岩层属半导电媒质 ， 其平均电 导率 为 1 O - 4 ～ 1 0 ～ S ／ m， 电 磁 波 将 会 发 生 较 大 衰 减 ， 振幅衰减常数 a满足式 1 要求。 口一 ／ 7 c 。 1 式 中 ．厂为 电磁 波 的频 率 ； 。 为地 层 的平 均磁 导 率 ； 为地 层 的平均 电导率 。 由式 1 可知 ， 对 于 固 定 的地 层 ， 电磁 波 的频 率 ．厂 越 低 ， 振 幅 衰减 常数 越 小 ， 这 意味着 对 于 固定 功 率的发射机和固定灵敏度 的接收机， 通信距离可以 更 远 。特低频 UL F 3 0 0 ～3 0 0 0 Hz 和甚 低频 VL F 3 ～3 0 k Hz 这 2个 频段的电磁波具有一定带 宽， 又具有一定穿透性 ， 适合用作透地通信载波I 7 ] 。 2 ． 2调 制与 解调 方式 矿用本安型无线透地通信系统是可移动式通信 设备 ， 采用 电池供 电 ， 体 积 和重量 不能过 大 ， 为此 ， 需 要采用相对简单、 功耗较低的调制与解调方式 。采 用二进制振幅键控实现信号调制 ， 由通信主机将通 信数据变换 为基带波 形 s t ， 采用 键控法对 载波 c ￡ 进行 数字调 制 ， 当 5 ￡ 为 高 电平 时载 波接 通 ， 当 s 为低 电平时载波关断 ， 这样获得 已调信号 “ 。 采用包络检波法进行非相干解调 ， 依次对接收信号 进行 L C选频、 I ／ V变换、 信号调理、 全波整流 、 低通 滤波和阈值判决以得到解调波形 ， 然后 由通信主机 进 行数 字解码 。 2 ． 3发射机 原理 为了减轻系统体积和重量， 采用一个框形天线 来进行透地通信信 号的发射和接收。框形天 线 由 2个部 分构成 矿用 阻燃 电缆 和拆 卸 式碳 纤 维 骨架 。 当需要进行通信时， 将骨架组装成十字形结构 ， 将阻 燃 电缆 固定 在 骨 架 的顶 端 ， 如 图 3 a 所 示 ， 天 线 形 状 固定 ， 电感 基本 不变 ， 天线 和收发 系统 的匹配变 得 简单 。框形 天线 内部 由 N N≥ 1 匝绝 缘导 线 绕 制 而成 ， 边 长 为 a ， 周 长 z 为 载 波 波 长 。如 图 3 b 所示 ， U ￡ 为发射机末级功率放大器的输出 电压， C 为发射 电路调谐电容， R 用来调节发射电 流 ； 虚线框内为发射天线等效电路 ， L 为天线电感 ， R 为 天线 欧 姆 损 耗 电 阻 ， R 为 天 线 辐 射 电 阻 。其 中 R 代 表发 射 电路 辐射 能力 ， 一 般有 R R 。 ＼ ． 2 0 1 6年 第 1 0期 田西 方等 矿 用本安 型 无线透 地通 信 系统设 计 4 7 I矧 d接 收 机 原 理 接收 点 的信 号一 般 比较 微 弱 ， 接 收 电路 需 要 具 备 良好 的选频 特性 ， 因此 ， 要提 高接 收 回路 的品 质 【大 1 数 Q 值 。 存接 收 回路 中 串联 一个 高 Q值 的 选频 电感 I 以提 高接 收 电路 选 择 性 。感 应 电 动 势 t 在 接 收 同路 巾产 生 感 应 电流 i t ， R 为 一 个 阻 值 很 小 的采 样 电 阻 ． 用 来 将 感 应 电 流 i t 转 换 为 电 压 “ f ， 便 于后 级 电路进 一 步处 理 。 3实验 分析 根 据 述 没计 方 案 搭 建 实验 测 试 样 机 ， 系 统 f f 1 2台结 构 和 性 能 完 全 相 同 的设 备 构 成 ， 工 作 方式 为 半 双T 通 信 。 实验场 地 示意 如 图 5所 示 ， 透 地 通 信 的 电磁 波 穿 透 的地层 以泥 岩 、 砂 岩 和 石 厌 岩 为 主 。将 一 台 没 备 布 置 距 离 平 硐 矿 井 涧 口 2 0 0 r n的井 巷 巾 IⅥ位 置 人， 另一台设备在距离 A 点的垂直高度为 5 0 m 的地 面 山坡 等 高 面 卜移 动 ， B点 位 于 A 点 的正 J 方 ， 、 点 、 D点 和 B点 的距 离均 为 3 r r l ， E点 、 F点 和 l 3 点 的距离 均 为 5 r n ， 在 B点 、 C点 、 D 点 、 E点 、 F点 分别进 行 5次 实 验 ， 每 次 实 验 时 间 为 1 0 rai n ， 对 实 验结果求平均值 ， 获得的实验数据见表 1 。表 l巾， 通信速牢 1和误码率 1 表示 外下发射 、 地 面接收时 的通 信指 标 ， 通 信速率 2干 【 1 误 码率 2表示 地 面 发射 、 外下接收时的通信指标。 _ 1 1_ 1 ． 卜_ ； ． 3『 l1； 3Il 1 ． ； ． _ ’ ． } 曼 ￡ 泥岩 砂岩 舞灰誊一 j 0 。 7 参 7 ， 冈 5 实验场 地示意 从 表 1可 以看 } { J ， 在 以 B点 为 巾心 、 半径 为 5 m 的 域 内， 通信速率和通信误码率的差异不大 ； 地面 发 射 、 井下接 收 时 的通 信 指标优 于井 下发 射 、 地 面接 收时 的通 信指 标 ， 这 是 r f 1 于 地 面 的环 境 干扰 比J I 下 十扰 要大 。实 验 结 果 表 明 。 实 验 样 机 实 现 了 5 0 m 的双 向 透 地 通 信 ， 通 信 速 率 约 为 1 5 O b i t ／ s ， 误 码 率 不大 于 0 ． 2 ， 具 有一 定 的实用 价值 。 表 1 透 地 通 信 实验 数 据 通信 通信距 通信速率 误码 通信 速率 误码 地点 离／ m 1 ／ b i t s 率 1 ／ 2 ／ b i t s 率 2 ， A B 人 【 、 At _ ’ D A E A F 4 结语 介 绍 J ， 矿用 本安 型无 线透 地通 信 系统 的组 成结 构和T 作 原理 ， 并 对 其 关键 技 术 进 行 了研 究 。样机 实验结 果 表 明 ， 该 系 统 实 现 _ r 5 0 m 的 双 向 透地 通 信， 通信速率约为 1 5 0 b i t ／ s ， 误码 率不大于 0 ． 2 。 I 述研究成果将 为今后进行 文本通信 、 语音通信和 编解码 等研 究提 供 良好 的实验 平 台 。 参 考 文 献 [ 1 ] 孙红雨 ， 王娜 ， 郭银景 ， 等． 透地通信 系统研究进 腱[ J ] ． 山东科技 大学学 报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 3 7 9 8 5 ． E 2 ] 檬振 龙． 透地 通 信 系统 的 现状 和 主 流技 术 分析 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 3 ， 3 9 9 4 0 4 2 ． [ 3 ] 郝建军 ， 孙晓晨． 几种 透地通信 技术的分析与对 比[ J ] ． 湖 南科技 大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 4 ， 2 9 1 5 9 6 3 ． [ 们 李 彦博 ， 向新 ．凌市伟． 透地通 信系统天线 小型化设 汁 测试E J ] ． 工矿 自动化 ． 2 o l 3 ． 3 9 7 1 8 2 2 ． E s ] 易滨 ， 刘 勇． 陈静． 矿井 透地通 信与接收 电路 运放设 汁 [ J ] ． 舰船电子工程 ， 2 0 l 4 ， 3 4 3 7 2 7 5 ． E 6 ] 陶晋宜． 穿透地 层 的矿 井地下 无线通信 系统设 计方 案 探 析[ J ] ． 太原理工大学学报 ， 2 0 0 0 ， 3 1 1 3 9 4 2 ． E 7 ] 陶 宜． 甚低 频电磁 波穿透地 层_尤线通 信 系统火线 装 置的研 究 [ J ] ．太 原 理 工 大 学 学 报 ， 1 9 9 9 ， 3 0 2 】 39 一 】 4 3 ．