井下无线通信综述.pdf

通信与广播电视 1998年第2 期 井下无线通信综述 杨业华 ’ 摘 曹志强” 要 井下无线通 信设 备的研 制和生产目前在国内还是空 白 , 在国外也只有 少数国家 生产 , 但是国民经济建设的确 柞常 需要 。 本文较系统介绍井下无线通信 , 讨论 井下 无线通信 的作用和功 能 ; 井下中波基站和超短波基站 的天线系统 。 关键词 井下无线通信 长线天线LWA分布 式天线D AS环形天线LAS 一 、 井下无线通信的作用 井下通信可分为有线通信和 无线实践通信两类 , 有线通信系统基本上与地面有线系统一 样 , 只是 由于特殊的环境要求 , 对设备提出相应的要求 , 如 防爆 、 防潮 、 防霉等 。 本文主要 介绍井下无线通信 。 在六十年代以前由于技术原因 , 矿井通信主要依赖有线通信 , 随着生产 的发展 , 矿井开采规模的扩大 , 生产自动化水平的提高 , 信息传递的要求越来越快 、 越来越 复杂 。 特别是一旦发生各类事故时 , 小到设备的抢修 , 大到 人 员的救护 , 都要求迅速准确的 处理 , 以使生命财产的损失减到最小 。 如果通信线路的中断 , 小事故可能造成局部停工 , 大 事故可造成抢救工作无法进行 , 使人员伤亡加大 。 所以井下作业特别需要适合各种用途的无 线通信系统 。 二 、 井下通信系统的功能 井下无线通信要具有以下功能 1生产调度 、 机车的运输调度 、 皮带运输的控制 ; 2对罐笼 、 皮带 、 锚子等设备的数据采集和检修报告 ; 3 对矿井瓦斯 、 通风等安全检查的即时性 ; 4 工作场所的通信联系及其井下个人通信业务和井下寻呼系统 ; 5 有关领导检查工作时随时通信联系 ; 6 发生事故时 , 组织紧急撤离 、 抢险 、 救灾和安全救护等 。 以上 要求 , 随着电子技术的发展 , 尤其大规模集成电路的运用 , 单片计算技术的发展 , 使 得井下通信设备 各功能小型化 、 系统化得以实现 。 三 、 井下无线通信的特点 地面 无线通信使用最为普遍的为短波和超短波波段 , 信息由电磁波在空间传播而完成传 ‘ 作者系本公司短波通信分公司二部高级工程师 , 作者系本公司短波通信分公司二部助理工 程师 1998年第2 期 通信与广播电视 递 , 而地下无线通信就是另一种情况 。 在井下的巷道中 , 空间电磁波传播很易被吸收而衰减 , 因此采用什么频段 , 电磁波传播在何种媒体 , 收发用什么天线 , 信号用何种调制方式等 , 都 是一些新的课题 , 目前世界推出两种频段 , 其典型有 一 南非GS T G rin aker , Sy stem T e ehnolog is公司推出中长波段的井下通信系统 , 使 用频段 10 0一162okH z; 2加拿大EI 一E quip 公司推出的超短波段 M u ltiCOM 系统使用频段 1551 75MH z , 它 被称之为采矿的实时通信系统 。 天线系统是井下通信的关键 , 如何在井下能保证电磁波的有效发送和接收 , 关键在天线 。 目前有三种形式 z 长线天线 L on g 一W ir eA ntenna LWA见图1 ; 2分布式天线系统Dist ributed A nte n n a SystemDAS见 图2 ; 3 环形夫线系统 Lo opA nte nna SystemLAS 中长波另采用 LWA 和用 LAS 天线 , 这一频段可在简易的长线和环形天线中传输 , 有时 甚至可利用管道和 电缆等导体作为长线传输 。 此外还有其它多种天线形式 , 作为个 人通信的 便携电台 , 可通过小环形天线 称为子弹带天线 来传送信号 , 如图 1和 图2 中所示的便携 台 。 移动中的机车或罐笼用铁氧体天线见图 3 。 这些天线的尺寸与它们的工作频率的波长相比 非常小 , 这就使得天线的效率低 , 在 一个直径小的巷道 中典型的通信距离为5 0 。soom , 该 距离与巷道的尺寸 、 管道 、 电缆 、 瘫 等设备的电噪声电平 、 煤岩层的类型等有关 。 遥控 单元 200V R R RC U U U U URCU U U 。。 , 昌 . . . . . 。 ⋯⋯ 昌昌 口口口口口 S S SC100 0 0 0 0 0 0 0 口口口 图 1 通信与广播电视 19 98年第2期 遥控单元 距基站4沁n 典型电路 长度 R R RCU U U U URCU U U 。。 昌昌昌 。 昌昌 」」」 刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃 S S SC10 00 0 0 0 0 0 0 0 0SC 10 0 0 0 0 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l r r r. , , 终端 图 2 八八八八八八 一一 \\\\\ 众众众 数据输出 警报器 数据输人 图 3 1998年第2 期 通信与广播 电视 当然上面提到的 50 0 80 0m的通信距离 , 对全矿范围的通信系统来说是远远不够的 , 因 此就需要 一个带有辐射器 每SOOm 串一个的同轴电缆DAS天线或一条长导线 L NA 天线连到基站 , 从而增加通信距离 。 一般基站可连出四根天线 , 每根天线最长通信距离可 达 skm 。 四 、 地下中波和超短波基站天线系统 1 . 概述 基站天线由安装于巷道内的导体构成 。 如果巷道内天线是唯一的导体 实际并非如 此 , 这种安装方式就好象同轴传输线 , 而巷道壁可似为皮线 。 在理想的情况 , 天线被安装在巷道中心 , 这样能使电磁场均匀分布并达到最小的损耗 , 如 图 4 所示 。 天线 又又又 入入入 图 4 实际上为避免损坏 , 天线往往靠近挂壁安装 , 这就使得靠近悬挂 壁的电磁 场分布较强 , 而 远离天线壁的 电磁场较弱 , 如图 5 。 上述效应对于导电性较强 如金属 矿 、 金矿 、 铁矿等的巷道壁较为严重 , 而非金属 矿 如煤矿 、 石英矿较轻 , 后 一种情况在加拿大碱性巷道中使用 总长超过7 0km的天线由南非 ‘ G ST 公司安装中得到体现 。 高导电性的巷道中 , 如铺有导线网的巷道 , 在这种情况 下 , 如果天线过于靠近导线网 , 将 缩短通信距离 , 如巷道 中的水管 、 电力线 、 电话线 、 遥测线和照 明线等导体 , 这些 导体往往 集束安装 , 并由悬挂的钩钩牢 。 如果天线靠近这些导体 , 电磁场将集中在这些 导体和天线之 间 , 而在其它区域相对较弱 , 见 图6 。 由此得 出结论 , 基站天线的最佳安装位置是导管 、 电缆架的对面位置 , 并与旁壁相距 lm , 与顶壁相距 20 cm , 并与之绝缘 , 这也将减少来自电缆和荧光灯的电力噪声 , 见图 7 。 基站天线的另一个重要参数每公里衰减量 , 它是由于导体对能量吸收而引起的 , 大概的 衰减值如下 以下数据为SO0 kH z 工作频率 D AS . ⋯6dB/km⋯ ⋯可用于中波和超短波 LWA⋯ ⋯7IOdB/km⋯ ⋯仅适用于中波 电缆⋯ ⋯7 0 loodB/k m 。 以上数据表明 , 依靠管道和 电缆作为传导介质是不合适的 , 虽然低于 500 kH z , 频率损耗 通信与广播 电视 19 98 年第2期 小 , 但相应电力噪声较大 , 且环形天线效率较低 , 使得传播距离非常短 。 增加通信距离可增加手持台或移动台的功率 , 但对通信距离所起的作用与地面台相比差 得多 , 以下数据可说明如依赖巷道中的管道 。 不 电缆管道 / 图 5 图6图 7 1 0 0m w信号能传 50 0m ; IW 信号能传 6 0 0m 。 1 0w 信号能传 70 0m ; 1 0ow 信号能传 soom ; lo0 0w 信号能传 goom 。 4 而地面台 , 输出功率每增大一倍 , 在同样条件不变通信距离增大 了百倍 。 这要比巷道内 好得多 。 2 . LWA/DAS 参见图1 、 图 2 在设计基站天线时必 须考虑以下准则 a 在需要通信的巷道内信号分布必须均匀 ; b 拾取到的噪声电平平均是足够大 , 可打开接收机的自动增益控制 AG C; C 要求在巷道的通信范围内的信号能覆盖 。 下面 对 LWA 、 DA S作一简单介绍 。 1LWA 它是最简单的一种天线 , 在巷道中可用单股或双股聚氯乙烯导线组成 , 它有以下特点 a 便宜 ; b 便于维修 ; e 衰减量 710dB/km 。 2DAS 它是由同轴电缆组成 , 且每隔50 0 m 有一个转换器 电磁波可由此辐射 , 它转换内部的 能量到外部 , 它可获得恒定信号强度 , 但较 LWA 价格高 。 实际上在中波通信的小 型系统 天线总长最大4 km都采用长天线系统 . Lw A ; 而大型 系统天线总长为s k m 并有多个分支必须把两种天线结合 。 而超短波通信的系统一定要用 同轴电缆D AS天线系统如 图8 。 长天线典型的信号强度分布如图9 。 横坐标为到基站的距离 , 纵坐标为信号差额 。 信号差额为在基站所接收到能保持最低可 懂度的手持台或车载台所发送信号衰减 dB 数 。 它取决于基站的信号强度 , 由图 9 可见在靠近基站处信号 强度较强 , 手持台就能离开天 线较远的距离 , 而在天线的末端 , 信号 电平弱 , 手持台只能在靠近天线处通信 。 199 8年第2期 通信与广播 电视 基站 终端负载 每47 5M漏源 每 50 5M 漏源 每53 5M漏源 分线盒移动台 天线摄相机 图8 如果 采 用的是较短的长天线soom见 图10 , 这样背景噪声小 , 基站 附近橙盖范围大 。 10d B/ k 】n 产 口 在LWA 100dB l k 』 11 在电缆/管道 ƒ 山P„ 暴翎中华 7 06 05 04 03 02 01 0 ƒ 国p„ 中漏翎华 O ’ 墓站 0 . 511 . 5 距离 k一 1一 图 9 0 墓站 距离 km 图 10 6 0 5 0 7 05 04 03 02 0 ƒ 口P„ 漏翎少华 在一般的管道和 电缆与LWA比较 LWA一ld B/IOOm 管 道和电缆 1 0dB/10 0m ; 空气 1 0 0d B/1 0 0m 这些数字可能变化较大 , 只能用以定性 说明沿巷道远离长天线的情形 。 采用分布天线系统 DAS 的情形就是 用同轴电缆 , 超短波和中波都可用 , 见图11 。 以下情况应注意 a 手持台在变换器 附近可使信号差额大 即可远离变换器而通信 。 b 因变换器可匹配补偿同轴 电缆的损 耗 , 所以在每一个 变换器处信号差额相等 。 全轴电缆 sdBl k J ll 0 荃站 2 护巨离 3 幻n 45 图 1 1 通信与广播 电视 1998 年第 2期 3 . 安装 D A S/LWA 天线的安装非常重要 , 由于天线传播电磁场 , 所以它是整个系统的关键 , 天 线安装得好 , 能赋予系统最佳性能 , 最小的维护代价 , 而 且查错也容易 。 对于大型天线系统 , 使系统接近理想状况非常重要 。 而小型系统则允许一些偏差 , 但以 上要求依然适用 。 天线必须安装在离开管道 、 电缆和有其它金属的地方 , 一般应距侧壁约lm 、 距顶壁0 . Zm 。 可以使用顶壁挂钩 , 在这种情况下必须用绝缘材料将天线和挂钩绝缘 。 终端盒与Lw A 增强器的分线盒处应接地 , 接地点应与挂钩相联 。 第一个 DAS 转换器应被安装于距基站2 5 Om 处 。 在安装D AS系统同轴 电缆时 , 安装变换器 、 分线盒 及LWA匹配器都应在大约 lm 的两 旁各保留一 个环 , 同轴电缆的终端进入 DA S盒应严格按照要求加工 电缆 。 4 . 检测 当天线系统安装好后作必要的检测 。 1 D A S天线系统电缆的阻抗测量 一般同轴电缆用R G 一2 1 3 每一个变换器有一个并 联的 4 . 7 k n 电阻 , 这样接上变换器的电阻为 47 0 。/ n n是转换器盒的数量 , 如果 n 小于实际 安装的单元数在 P . 50 0 米以后存在一个断点 P是 “测量到 的 ” 单元数 。 如果阻抗小于期望值如2 0n , 在距基站4 k m处可能会有短路 , 因同轴电缆RGZ 13电 阻回路阻抗是 sn/ km 。 注意 在进行此项测量时 , 应关掉基站 。 2 测量基站 噪声 可在接收机的射频输入端加 一个衰减器 5 0n阻抗 , 然后增加 阻抗 直到前面板指示灯由绿色转成桔黄色 , 虽使用 20 dB 衰减开关来确认这一点是将其切入和切 出电路 , 直至指示灯颜色不变 。 3用DA S场强仪测量沿天线系统场强 。 按下P T T键使电台处于发 , 如用麦克风 , 一定要将麦克风堵住不让音频进入 。 以10 0m 为间隔在天线电缆上 测场强并记录 包 括距离 , 在转换器处也测 , 每个 测量点与其和天线电 缆的距离保持一致 。 作一幅场强相对于距离的坐标图 , 结果 应与D AS/ LwA 天线理论信号差 额图相似 , 虽 然坑道结构 坑道大小 、 导线网到管道和电缆的距离可能造成很大差 异 。 4测量基站的信号差额 利用 一台SC l 0 0 0 手持机和 一个接发射机的子弹带天线之间的衰减器 , 每隔 10 0m 间隔 , 手持机与基站通信增加衰减量直到勉强可懂 , 记录每个测量点的衰减量与基站的距离 。 结果 画 出曲线图 。 但应考虑噪声因素 , 通过这样测量并将结果加入场强仪所测的结果中 , 可以很 方便得到相似结论 。 参考文献 D e ser ipti o no fSC1 000/20 0 0U n de rgroun d R o dioC o m m un i e ation System 南非 19 9 7 年 N ew T e ehnolg yR e altime mi ning . 澳大利亚 1997 年