天線磁感應(yīng)透地應(yīng)急通信技術(shù)*

王曉林，王孟宇，史清林

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

近些年，地下工程建設(shè)日益增多，在礦井、隧道、地鐵等地下空間，塌方、漏水等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。常規(guī)通信設(shè)施在災(zāi)害時(shí)容易受到毀損，無法保證救援現(xiàn)場地上到地下的應(yīng)急通信。作為采礦、運(yùn)輸、公共安全等行業(yè)的一種重要應(yīng)急通信手段，透地通信日益受到重視，透地通信技術(shù)也得到了新的發(fā)展。

1 透地通信簡介

透地通信是以大地為傳輸媒介進(jìn)行通信的一種無線通信方式。比較主流的技術(shù)有三種：天線磁感應(yīng)電磁波透地通信、以機(jī)械振動(dòng)波為信息載體的彈性波透地通信和以磁場為載體傳輸信號(hào)的磁導(dǎo)透地通信。

對(duì)于彈性波透地通信和磁導(dǎo)透地通信的技術(shù)研究，目前還是以理論研究為主。對(duì)于天線磁感應(yīng)電磁波透地通信技術(shù)，美國、加拿大的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的努力，在近十年取得了一定的研究成果，開發(fā)了幾個(gè)典型的試驗(yàn)系統(tǒng)在地鐵、礦山進(jìn)行了成功試用和試驗(yàn)測試。

天線磁感應(yīng)電磁波透地通信利用甚低頻電磁波通信。早期的系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單向語音通信，受環(huán)境噪音干擾嚴(yán)重，信道容量低，且需要配置很大的環(huán)形天線。隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙向通信功能，設(shè)備的尺寸也進(jìn)一步縮小。近些年，增強(qiáng)抗干擾能力以增強(qiáng)通信可靠性，是研究機(jī)構(gòu)的主要研究方向。

彈性波透地通信以機(jī)械振動(dòng)波為信息傳輸媒介，利用機(jī)械振動(dòng)波在大地介質(zhì)中的傳播作用實(shí)現(xiàn)透地通信。機(jī)械振動(dòng)在大地中的傳輸距離較遠(yuǎn)，但在傳輸過程中，由大地信道的特性決定的多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響較為嚴(yán)重。

磁導(dǎo)透地通信技術(shù)以磁場為信息載體進(jìn)行傳輸，通過產(chǎn)生交變磁場的機(jī)理，利用鐵芯等導(dǎo)磁介質(zhì)的磁場增強(qiáng)效應(yīng)將交變磁場傳輸至遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)透地通信。它的主要問題是導(dǎo)磁介質(zhì)在通信傳輸過程中引入的環(huán)境噪聲和其他干擾較大，到目前還沒有非常有效的方法消除其影響。

2 天線磁感應(yīng)透地通信機(jī)理及特點(diǎn)

2.1 天線磁感應(yīng)透地通信系統(tǒng)組成

天線磁感應(yīng)透地通信利用甚低頻電磁波穿透大地介質(zhì)進(jìn)行通信，系統(tǒng)組成如圖1所示。

地上設(shè)備和地下設(shè)備均由1臺(tái)透地通信設(shè)備、1副發(fā)射天線和1副接收天線組成，2套設(shè)備和天線構(gòu)成一個(gè)完整的雙向通信透地通信系統(tǒng)。如圖2所示，透地通信設(shè)備主要由數(shù)字處理電路、調(diào)制器、解調(diào)器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等電路組成。

圖1 天線磁感應(yīng)透地通信系統(tǒng)組成

在信息發(fā)送方向，來自外接耳麥的話音信號(hào)經(jīng)話音編碼電路編碼，話音數(shù)據(jù)或短信數(shù)據(jù)信號(hào)再由數(shù)字處理電路進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，然后在調(diào)制器完成信號(hào)調(diào)制后，調(diào)制信號(hào)由發(fā)射機(jī)進(jìn)行放大輸出，最后形成的電信號(hào)由發(fā)射天線以甚低頻電磁波的形式通過空間、巖層等傳輸媒介發(fā)射到對(duì)端。

在信息接收方向，來自發(fā)端的甚低頻電磁波，由接收天線轉(zhuǎn)換為甚低頻電信號(hào)，再由接收機(jī)進(jìn)行低噪聲放大和變頻處理。輸出信號(hào)由解調(diào)器解調(diào)恢復(fù)發(fā)送端的調(diào)制數(shù)據(jù)信息，數(shù)字處理電路則對(duì)解調(diào)器輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行糾錯(cuò)解碼處理，輸出短信數(shù)據(jù)或話音編碼數(shù)據(jù)。話音編碼數(shù)據(jù)經(jīng)話音解碼電路解碼還原為發(fā)送端的話音信號(hào)。

2.2 天線磁感應(yīng)透地通信機(jī)理

如圖3所示，在發(fā)射端，環(huán)形發(fā)射天線相當(dāng)于一個(gè)磁偶極，帶有調(diào)制信號(hào)的甚低頻信號(hào)以交變電流的形式通過發(fā)射天線線圈，同時(shí)在空間形成磁場。環(huán)形發(fā)射天線中的電流、環(huán)形發(fā)射天線的面積、環(huán)形發(fā)射天線的線圈匝數(shù)越大，形成的磁性號(hào)磁場強(qiáng)度越大。

圖3 天線磁感應(yīng)透地通信機(jī)理

在接收端，接收天線處的磁性號(hào)強(qiáng)度與其到發(fā)射天線的距離的立方成反比。

接收天線感應(yīng)磁性號(hào)產(chǎn)生電壓，電壓與磁性號(hào)強(qiáng)度的負(fù)倒數(shù)成正比。

接收天線的磁場偶和強(qiáng)度計(jì)算公式為[1]：

式中，i為發(fā)射天線電流，α為發(fā)射天線環(huán)形線圈面積，s為透地深度，β為大地的衰減因子。

式中，δ為大地或巖層介電常數(shù)，μ為大地或巖層介質(zhì)的磁導(dǎo)率，ω為電磁波的角頻率，I0(x)為零階貝塞爾函數(shù)，I1(x)為一階貝塞爾函數(shù)。

當(dāng)大地為近似完全絕緣介質(zhì)時(shí)，β=1。此時(shí)，接收天線上的垂直磁場強(qiáng)度為最高值，大地或巖層的導(dǎo)電率越大，磁場偶和強(qiáng)度越小，電磁波的角頻率值越大，磁場的偶和強(qiáng)度值越小。

大地的電導(dǎo)率是影響透地通信距離的關(guān)鍵因素。針對(duì)煤礦應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行了較多試驗(yàn)研究。一般來說，對(duì)于確定的設(shè)備配置，兩端收發(fā)天線間地層的導(dǎo)電率與到達(dá)接收天線的信號(hào)強(qiáng)度成反比。也可以說，兩端收發(fā)天線間地層的電導(dǎo)率越大，最遠(yuǎn)通信距離越小。例如，在某煤礦的透地通信試驗(yàn)中，所選位置兩端收發(fā)天線間地層中有多個(gè)煤層。煤層的電導(dǎo)率較大，對(duì)透地通信信號(hào)的傳輸將造成較大衰減，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致兩端設(shè)備不能通信。圖4為從地面開始電導(dǎo)率隨深度變化曲線。因?yàn)槊簩拥碾妼?dǎo)率大約是周圍巖石的1 000倍，所以每當(dāng)遇到煤層時(shí)電導(dǎo)率就會(huì)急劇增加。井下設(shè)備距離地面設(shè)備300 m，井下設(shè)備處的電導(dǎo)率大約為0.035 s/m。

另外，大量研究結(jié)果表明：在同一環(huán)境條件下，同一套設(shè)備使用不同頻率進(jìn)行透地通信試驗(yàn)測試，設(shè)備工作于甚低頻時(shí)的通信距離最遠(yuǎn)。也就是說，甚低頻信號(hào)在同種傳輸媒介中的單位衰耗最小，所以目前的大部分試驗(yàn)系統(tǒng)研究都集中在甚低頻頻段。

圖4 電導(dǎo)率隨深度變化曲線

需要說明的是，收發(fā)天線的放置方式不同，信號(hào)耦合的效果也大不相同。如圖5所示，圖5（a）能取得最佳效果，圖5（b）效果次之，圖5（c）放置方式最差，這是實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問題。

圖5 天線放置示意

2.3 天線磁感應(yīng)透地通信的特點(diǎn)

天線磁感應(yīng)透地通信具有以下特點(diǎn)：

（1）利用低頻或甚低頻信號(hào)的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)透地通信、傳輸話音或數(shù)據(jù)信息；

（2）由于系統(tǒng)采用低頻或甚低頻實(shí)現(xiàn)透地通信，容易受到附近環(huán)境的低頻電信號(hào)的干擾，尤其電網(wǎng)影響較大，可以通過選取50 Hz的非整數(shù)倍工作頻率來減小電網(wǎng)諧波對(duì)透地通信系統(tǒng)的干擾；

（3）與短波、超短波、微波等無線傳輸手段相比，天線磁感應(yīng)透地通信的輻射能量更低；

（4）結(jié)合鋪設(shè)條件，適當(dāng)增加發(fā)射天線電流、鋪設(shè)面積、匝數(shù)，可明顯增加通信距離；

（5）天線磁感應(yīng)透地通信收、發(fā)天線放置方式與通信距離、接收效果相關(guān)，理論分析及大量試驗(yàn)測試證明，以環(huán)形面正對(duì)為最佳；

（6）與空間常規(guī)無線通信方式相比，天線磁感應(yīng)透地通信的信號(hào)衰減大，某處信號(hào)的衰減量與其到發(fā)射天線距離的立方成正比；

（7）地層地質(zhì)條件不同，電導(dǎo)率不同。電導(dǎo)率是決定透地通信最大距離和傳輸信息最大帶寬的主要因素。相對(duì)來說，巖石的電導(dǎo)率最小，對(duì)信號(hào)的單位距離衰減也最??；煤層的電導(dǎo)率最大，對(duì)透地通信信號(hào)的單位距離衰減也最大。另外，選用不同頻段信號(hào)的透地傳輸試驗(yàn)證明，與其他頻段信號(hào)相比，甚低頻電磁波在大地巖層中傳輸?shù)膫鬏敁p耗最低。

3 天線磁感應(yīng)透地通信技術(shù)應(yīng)用

在天線磁感應(yīng)透地通信技術(shù)研究領(lǐng)域，對(duì)于提高系統(tǒng)的抗干擾能力、進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線和設(shè)備的小型化，從而提高系統(tǒng)的可靠性方面，近些年一些研究機(jī)構(gòu)取得了較大進(jìn)展，并開發(fā)出了較為實(shí)用和能夠適應(yīng)實(shí)際環(huán)境的產(chǎn)品。典型的透地通信系統(tǒng)有澳大利亞Mine Site Technologies公司的PED系統(tǒng)、美國Lockheed Marti公司的Magne link系統(tǒng)和加拿大Vital Alert公司的Canary系統(tǒng)等。

20世紀(jì)80年代末，澳大利亞Mine Site Technologies公司開發(fā)了PED系統(tǒng)，并在煤礦災(zāi)害突發(fā)事故應(yīng)急通信中進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井上地面救援人員與井下被困作業(yè)礦工的話音通信。該系統(tǒng)采用400～1 000 Hz的超低頻信號(hào)作為透地通信工作頻段，利用長度為2～10 km的環(huán)形天線進(jìn)行透地信號(hào)的發(fā)射。井下礦工使用頭盔上安裝的小型環(huán)形天線，就可接收地面發(fā)送的話音信號(hào)。系統(tǒng)測試試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的平均透地通信深度達(dá)到了800～1 100 m，證明透地通信技術(shù)及其應(yīng)用有了歷史性的進(jìn)步，首次真正實(shí)現(xiàn)了地面到地下的遠(yuǎn)距離透地通信。需要說明的是，該系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)由于井下受到發(fā)射功率和天線布設(shè)空間的限制，無法敷設(shè)等效面積巨大的發(fā)射天線，只適合應(yīng)用于地面到井下的單向傳輸[2]。

美國Lockheed Marti公司利用甚低頻電磁波技術(shù)開發(fā)了Magne link透地通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電磁波信號(hào)可以穿透中間巖層實(shí)現(xiàn)井上與井下的雙向透地通信，雙向文本數(shù)據(jù)及語音信號(hào)的傳輸距離最大可達(dá)457 m。2010年6月，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了多個(gè)透地通信單元之間的組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)與地面其他通信系統(tǒng)的互聯(lián)組網(wǎng)通信[3]。

2010年開始至今，加拿大Vital alert公司陸續(xù)開發(fā)出固定安裝及便攜的Canary系列透地通信產(chǎn)品，在美國的礦山、地鐵以及中國的礦山進(jìn)行了試驗(yàn)測試及試用。Canary系統(tǒng)工作在0.4～8 kHz頻段，其中Canary Go可實(shí)現(xiàn)200 m通信距離的實(shí)時(shí)雙向語音透地通信。

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所研制出低頻應(yīng)急通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)900 m的雙向透地通信，頻率范圍為0.4～1 kHz，采用最小頻移鍵控調(diào)制方式，信息傳輸速率最高可達(dá)128 b/s[4]。

2015年，中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所與加拿大Vital alert公司于合作開發(fā)了WS-TDA便攜式透地應(yīng)急通信設(shè)備。該設(shè)備采用最新的信道預(yù)測技術(shù)、高性能語音編碼技術(shù)，可雙向傳輸話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息，還可接入對(duì)講機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，以滿足公共安全部門地上對(duì)地下設(shè)施、地下設(shè)施對(duì)地下設(shè)施的應(yīng)急通信保障應(yīng)用。

4 結(jié) 語

透地通信技術(shù)經(jīng)過艱難曲折的發(fā)展歷程，在交通、礦業(yè)高速度、高密度發(fā)展的今天，具有了前所未有的現(xiàn)實(shí)意義。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)正值飛速發(fā)展期，這些技術(shù)開始在透地通信技術(shù)研究中深度融合應(yīng)用，相信不久的將來，透地通信技術(shù)研究將取得長足的進(jìn)步和歷史性突破。