基于弱磁傳感的透地通信技術(shù)

諶靜維

摘要 簡述透地通信技術(shù)的應(yīng)用場合及現(xiàn)有天線磁感應(yīng)電磁波透地通信技術(shù)的缺點，重點介紹了基于弱磁傳感的透地通信技術(shù)、相關(guān)參數(shù)分析計算、針對現(xiàn)有技術(shù)缺點的優(yōu)勢說明，展望了弱磁傳感透地通信設(shè)備的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】透地通信 銫光泵 線圈 地磁場

隨著社會的快速發(fā)展，地下設(shè)施越來越多，例如：地鐵、地下商場、隧道等，一旦發(fā)生事故，通信設(shè)施在事故中遭到破壞，必然造成通信癱瘓，導(dǎo)致無法對被困人員的狀況、位置準(zhǔn)確了解，給救援工作造成了極大的困難。因此，以大地為信道的透地通信系統(tǒng)是應(yīng)用于此類事故救援的一種安全可靠的通信系統(tǒng)。

1 目前透地通信系統(tǒng)及其缺點

目前國內(nèi)外研究的透地通信方式主要有3種：

（1）天線磁感應(yīng)電磁波透地通信;

（2）地電極電流注入的地電場透地通信;

（3）以機(jī)械振動波為信息載體的彈性波透地通信。

3種方式都存在不同程度的傳輸衰耗、地層介質(zhì)影響、功耗體積等問題，綜合考量，國內(nèi)外大多數(shù)研究集中于第1種方式，技術(shù)也較為成熟。例如加拿大Vital Alert公司推出的Canary Talk系列產(chǎn)品，是目前業(yè)界最成熟和最先進(jìn)的透地通訊設(shè)備，語音通信距離可到300米，數(shù)據(jù)通信可到450米，圖1所示，在地表和地下分別架設(shè)環(huán)形天線，Canary Talk作為發(fā)射接收裝置實現(xiàn)雙向通信，支持多個終端之間通信。

天線磁感應(yīng)電磁波透地通信技術(shù)是采用電磁波經(jīng)地層進(jìn)行信號傳輸，電磁波經(jīng)地層衰耗很大，有效信號非常弱，一般采用甚低頻頻段，該頻段電磁波波長較長，傳輸所需的天線尺寸大、效率低，受地下空間條件的影響，安裝方式必定受到限制，同時地下設(shè)備在功率、電流、射頻功率等方面均有嚴(yán)格的安全規(guī)范要求，功率過大就不適合在地下使用，通信距離也存在一定限制。

2 基于弱磁傳感的透地通信技術(shù)

地球是個強(qiáng)磁體，磁場基本均勻（ 50000nT左右）地分布在各處，某一位置的磁場變化會引起一定距離內(nèi)其它位置的磁場的變化，這種變化具有相同的變化規(guī)律，例如大小、變化周期等，且不會受地層、水、空氣的影響，只要在需要通信的地方的一端設(shè)置可以引發(fā)特定規(guī)律磁場變化的發(fā)射裝置，另一端設(shè)置可以檢測這種特定規(guī)律磁場變化的接收裝置，就可以實現(xiàn)信息的傳輸。

基于弱磁傳感的透地通信技術(shù)就是利用上述原理以地磁場作為傳輸介質(zhì)的通信方式，發(fā)射裝置使用通電線圈，線圈通過帶有調(diào)制信號信息的電流可以產(chǎn)生特定規(guī)律的地磁場變化，接受裝置使用銫光泵磁傳感器，這類傳感器可以檢測地磁場的強(qiáng)度，以正弦波的形式輸出，線圈引發(fā)的地磁場強(qiáng)度變化表現(xiàn)為銫光泵磁傳感器輸出正弦波的頻率變化，且二者具有線性相關(guān)性，類似FM調(diào)制，通過頻譜解調(diào)分析就可以獲得調(diào)制信號信息，這對于現(xiàn)代通信數(shù)字信號處理解調(diào)技術(shù)沒有任何技術(shù)難點。結(jié)合現(xiàn)有的通信裝置，即可以實現(xiàn)通信。圖2所示，在地表和地下分別架設(shè)一組線圈、銫光泵及發(fā)射接收裝置，即可實現(xiàn)多個終端之間的通信。

目前銫光泵磁傳感器精度可以達(dá)到0.002nT（0.01- 1Hz帶寬），響應(yīng)速率達(dá)到50-400Hz，理論通信帶寬可以達(dá)到400bit，考慮到濾波器采樣噪聲的影響，銫光泵磁傳感器依據(jù)實驗室結(jié)果在帶寬使用300Hz時精度會降到0.02nT左右，基于這個數(shù)據(jù)，發(fā)射端通電線圈只要能在接收端銫光泵處產(chǎn)生幅度大于0.02nT、變化周期小于300 Hz的磁場變化即可實現(xiàn)信息傳輸，以現(xiàn)有的語音及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，300 bit的速率足以實現(xiàn)語音及數(shù)據(jù)通信。

設(shè)通電線圈半徑為a，通電電流為I，總匝數(shù)為N，p為螺線管外一點，則通電線圈在p點產(chǎn)生的磁場只有在z軸即線圈軸線方向上有磁場。依據(jù)畢奧.薩伐爾定律，此時p點處的磁場強(qiáng)度為：

實際使用情況中，線圈與地磁場不會在同一軸線上，兩者會有一定的夾角θ。由于地磁場遠(yuǎn)大于線圈p點處的磁場，則p點處對于地磁場的影響可以近似為線圈p點處的磁場在地磁場方向上的分量，則P點處的地磁場變化為：

△B=Bcose0

（3）

依據(jù)式（2）、（3），線圈半徑取1.5m、匝數(shù)取500、電流取5A、夾角θ取30 °，以450m距離計算，p點處地磁場變化強(qiáng)度AB為0.027nT，滿足銫光泵磁傳感器檢測及通信的要求。

對于地下設(shè)備，體積功耗都是重要的衡量指標(biāo)。銫光泵傳感器功耗約為30w，體積較線圈可以忽略不計，所以于弱磁傳感的透地通信設(shè)備的體積功耗主要集中于線圈。以5mm直徑銅線（電阻0.0009Ω/m）作為材料，線圈半徑取1.5m、匝數(shù)取500、電流取5A計算，線圈長度為2.5m，高度為3m，線圈銅線總電阻為4.23Q，線圈峰值功率為152.3w，整個發(fā)射接收裝置的總功率在200w以內(nèi)，體積為2.5x3x3m，放置于8-lOm2的設(shè)備間或地下避難所完全沒有問題。相對于其它透地通信設(shè)備幾百瓦功率或者幾十米天線的情況，基于弱磁傳感的透地通信設(shè)備在地下空間的使用具有一定的優(yōu)勢，同時，根據(jù)式（2）、（3），在條件允許的情況下，增加線圈電流、匝數(shù)及半徑，或者優(yōu)化線圈的位置以減小θ，則通信距離可以進(jìn)一步增加，甚至可以達(dá)到lkm以上。為滿足便攜式的需要，將線圈設(shè)計成多段組合且可以快速收納或展開的形式，也是一種可采取的手段。

3 結(jié)束語

國內(nèi)外對透地通信的研究多是集中在天線磁感應(yīng)近場電磁波透地通信，利用地磁場弱磁傳感進(jìn)行透地通信的研究極少。地磁場在地殼中傳輸衰減不受介質(zhì)影響，說明地磁場在大地中具有較為優(yōu)良的載波特性，也可用于水下，同時，地磁場的檢測裝置銫光泵磁傳感器技術(shù)較為成熟，技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到透地通信的基本要求。因此基于弱磁傳感的透地通信技術(shù)將是這個領(lǐng)域新的突破點，應(yīng)用前景良好。

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