穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析解析

α
第 31卷第 1期太原理工大学学报 V o l 131 N o 11 2000
年 1月 JOU RNAL O F TA IYUAN UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Jan . 2000
文章编号 :100729432(2000 0120039205
穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析
陶晋宜
(
摘要 :,
术 , 。

关键词 :电导率 ; ; ; 本质安全
:85017文献标识码 :A
穿透地层的通讯属于无线通讯 , 但与我们常见的地面电视、广播、手持电话机的无线信号传送不同。

在地面 , 电磁波传播是以空气为通讯媒质 , 它几乎没有损耗 , 并且电磁波的频率可选在高频段 , 因而其辐射效率高 , 天线物理尺寸短 , 体积小。

穿透地层通讯电磁波要在损耗较大的煤层及岩石层中传播 , 煤层及岩石属半导电煤质。

从电磁波在半导电媒质中衰减常数Β的表达式
Β=f , (1 及集肤深度∆表达式
∆ =
f
. (2 其中 f 为电磁波的频率, Λ为媒质的磁导率 (与空气中的磁导率4Π×10-7H m 基本相等, Ρ为媒质的电导率。

可知 :电磁波在半导电媒质中的穿透能力与电磁波的频率 f 及媒质的电导率Ρ有关。

电磁波的频率越高 , 衰减越严重 , 传播距离越短。

矿井的地质条件不同 , 导致其电导率Ρ的不同。

从而使得其穿透效果也不同。

因此电磁波的工作频率必须选在音频 (V F 013k -3k 和甚低频 (VL F 3k — 30kH z 才能有一定的穿透能力。

另外 , 穿透地层的通讯设备工作在煤矿井下 , 必须符合矿井安全操作规程 , 要具备防爆性能和防水、防尘能力 , 发送功率不能很大 , 这样就限制了通信距离 , 只能在技术许可的范围。

1天线的设计
要想实现穿透地层的无线电可靠通信 , 有赖于在给定的信号传输条件下 , 选择一个最佳的发射和接收天线装置。

在矿井低频无线信道中 , 一般是利用电磁波的近区到中间区的场实现信号传输。

当天线装置的经典计算推广到半导电媒质时 , 会导致对天线装置效能估计的非单值性。

这是由于天线的效率、方向系数或增益等电参数均和岩层的电导率Ρ有关。

在矿井穿透地层的无线电通讯中 , 由于不同地区地质构造的不同 , 电磁波穿透的地层各层的电导率Ρ及厚度都不尽相同。

电磁波在每一层的传递中 , 都会发生不同程度的衰减、折射、反射。

111本设计穿透区的地质构造简介
本设计选择的穿透地点 , 岩层的大概分布如图 1所示 .
为了设计方便 , 计算出穿透区的等效电导率Ρ, 将穿透区的电参数简化为电导率为Ρ的均匀媒质的电磁波穿透模式。

等效电导率Ρ的计算表达式为 : =
d
∑ n
n =1
Ρn d n . (3 式中 :d 为煤层与岩层的总厚度, Ρn 为第 n 岩层的电导率 , d
n 为第 n 岩层的厚度。

选择穿透电磁波的发射点位于地面下 304m 的 A 点 , 平均电导率约为 1177×10-2S m .
α作者简介 :陶晋宜 , 女 , 1963年 5月生 , 硕士 , 讲师 , 研究方向 :煤矿地下无线通信 , 太原 , 030024
收稿日期 :1999206229
图 1穿透地点岩层的大概分布
112天线型式的选择
在本设计中 , 天线采用水平放置终端短路单极天线。

天线上的电流是按照有耗长线的规律分布的。

当天线较短时 , 若用终端开路形式 , 电流沿线成三角形分布 , 天线的有效长度只有实际长度的一半 , 辐射将会减弱 , 输入阻抗呈现很大的容抗 , 需在天线回路中串入很大的电感才能调谐。

串入大电感将引起较大的损耗 , 从而使得整个系统的效率降低 , 对于大功率的发射装置还容易引起过压。

若天线采用终端短路形式 , 则电流沿线分布比较均匀 , 幅射能力增强 , 而且输入阻抗的电抗布分为小感抗 , 容易和发送装置匹配。

此外 , 采用终端短路的单极天线 , 只要终端可靠接地 , 电长度可提高一倍。

本设计发送天线的安装示意如图 2所示。

图 2发送天线的安装示意图
使用终端短路单极天线 , 需要安装良好的接地极。

比较简单的方法就是用一根金属棒砸入地下一定深度 , 其接地等效电阻 R g 为 :
R g =2ΠΡl
ln a -1.
(4 l 为埋入地下的深度 , a 为金属棒的半径, Ρ为平均电导率。

在本课题中 , 选择金属棒直径
为 26
mm 01177×10-2
S m , g 83所示。

图 3所用天线的架设方式及使用环境
电磁波在半导电媒质中传播时 , 波长缩短 , 对本设计而言 , 其缩短系数为Ν=
Κ=1+4ΞΕ
≈ 40. 波长Κ=Κ0 Ν
=1506m , 其中Κ0为自由空间的波长。

本设计中分别选择 100m 长的终端短路单极天线作发射接收天线 , 天线长度满足l <Κ, 因此 , 可以将天线视作水平电偶极子。

根据本设计的天线安装方式 , 建立坐标系如图 4所示。

当电磁波从发射天线向上传播时 , 由于天线电长度非常小 , 可近似为准球面波。

对本设计而言 ,
穿透岩层衰减因子 :A th =010036; 折射因子 :A re =0102.
考虑到电波穿透地层时有穿透衰减 , 越过大地 2空气界面时发生折射 ,
在地面上 M 点收到的电磁场
的场强为 :
E Η=4Πr 3e -jkr
(1-j k r -k 2
r co s Η A
th
A
re
. (5
4太原理工大学学报第 31卷
图
Η是发射天线与 B 的端点 A 与接收天线 M N 的端点 M 的矢径与 Z 轴的夹角 , I 是发射天线中的电流幅值 , l 为天线的长度。

当 M 和 A 在同一条直线 , 即Η=0°, E Η=E z m ax , 得出发射天线所需的最少发射电流为 :
I m in =
2
2Πl 2A th A re
e (6
V MN 是接收天线 M N 的信号电压 , l 为 M N 的长度 , 取 M N =A B =L .
本设计中Ρ=1177×10-2S m , r =304m , f =4980H z ; 接收机的灵敏度 V MN
=2ΛV ,
L =100m , Κ=1504m .
求得所需的最少发射电流为 I m in =77mA .
2发送机的设计
发送的信号来自 KJ 38监控系统分站的输出信号。

该分站的输出信号采用调频载波模式 , 其中载波频率 f 为 420~9780H z , 每隔 120H z 一个频道 , 共设计 52个。

信号频率 f 为 5~15H z 的方波。

对用于煤矿井下的电气设备 , 设计时必须符合煤矿安全规程的要求 , 应采取隔爆形式或本质安全形式。

本设计中 , 采用本质安全设计。

在多种调制方式中 , 采用单边带调制。

因为产生相同的信号强
度 , 单边带发射机所消耗的功率比普通调制方式少许多。

尤其在无调制信号等待时间内 , 单边带发射击机的功放级的静态电流很小 , 这大大减小了电源消耗 , 对本安电路的设计很有利。

单边带的另一个优点是 :工作频率减少一半 , 有利于提高抗干扰能力。

方波的频谱是一直延伸到无穷大的 , 但其主要成份还是集中在基波范围内。

所以只需 45H z 的带宽就基本能满足本设计的需要。

发送机的原理如图 5所示。

从上节计算中可知 , 在发射天线上的电流应大于 77mA , 才能使地面可靠接收。

功放的最大输出功率为 5W , 最大输出电流应为 167mA . 这就需要匹配耦合线圈的次级输出为 20V , 才能保证发射天线上的电流在 77~167mA , 即可满足可靠接收。

:KJ 38 , 。

如本例 f =4098H z . 应用多路传输 , 建议原系统更改 FDM 为TDM , 此处不再赘述。

3接收机的设计
接收天线采用和发射天线相同的电性天线。

接收机的原理如图 6所示。

当天线收到来自井下的信号后 , 经高阻输入电路后 , 加到预放大电路进行放大。

该放大电路是由结型场效应管组成的。

结型场效应管有输入阻抗高的特点 , 只要有电压变化而基本上不必供给电流 , 就能很好地起到放大作用。

输入端的输入阻抗很高 , 可以保证接收天线收到的弱信号在功耗尽可能小的情况下 , 可靠放大。

经预放电路放大的信号 , 加到一个双路消噪电路 , 这个信号送进上下两个通道上。

进入上通道的信号经过交流放大后 , 再经过一个中心频率为 f 0= 4980H z 的
滤波器 , 输出一个载波加信号再加噪声的信号。

这个信号通过正向检波积分器后 , 输出一个较大的负极性电压。

它包括两部分 :一部分是正弦的检波积分输出 , 即
5~15H z 的信号。

另一部分是在频带中的噪声的检波输出。

因为噪声是随机的 , 这一部分也是随机的。

进入下一通道的信号经过交流放大后 , 再经过
一个中心频率为 f 0=4980H z 的陷波滤波器。

于是载波信号被滤掉 , 仅有噪声输出。

经负向检波器积分后 , 输出一个上下起伏的电压。

上下两个通道的输出 , 同时送给一个加法器 , 在这里正极性的噪声电平抵消了一部分噪声 , 因而信号的信噪比得到了提高。

加法器之后增加了一个门限电路 , 这是考虑到随机噪声使加法器的输出电压起伏不定 , 有时会有高的噪声电压输出 , 但只要不超过门限电路的门限 , 就不会造成误计数。

该门限电路做成可调的 , 可以根据不同的噪声情况加以调整。

14第 1期陶晋宜等 :穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析
4穿透地层矿井通信系统的设计方案
综上所述 , 得出穿透地层矿井通信系统的总体如图 7所示。

图 5图 6接收原理框图
图
7穿透地层矿井通信系统的总体框图
由于本系统是用于煤矿这一特定区域 , 所以在设计中重点在天线形式的选择、发送信号的调制方式、提高接收信噪比等方面进行考虑。

a 1经分析对比 , 天线选择终端短路单极天线 ;
b 1在发送机的设计中 , 考虑到
煤矿井下安全的
特定要求 , 要在信号发送功率一定 , 在工作效率和穿透距离之间寻找一个最佳工作点。

c 1在接收机的设计中 , 采用了弱信号接收技
术 , 使信噪比有了大大的提高。

这正是本论题的核心所在。

实际应用中 , 还应在接地方式 :天线与发送机、接收机的耦合方式 ; 阻抗匹配 , 及干扰频段分布等方面加以注意。

随着煤炭工业的进一步发展 , 对煤矿生产的安全性的要求越来越高 , 为了可靠地对井下状况进行实时监控 , 并确保矿井上下之间的通信联系 , 世界各国包括我国
大多使用有线媒质来进行数据传输或通信。

但从更适用、更灵活的角度考虑 , 用无线通道来进行井上下之间的信息传递 , 必然会成为今后的发展方向之一。

参考文献
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(下转第 52页
图 3原始语音信号及其相应的 8阶小波系数这一算法的步骤如下 :
a 1计算信号的 8阶小波系数 w d 28f ;
b 1寻找 w d 28f 的极值点。

极值点所对应的位置即为我们要寻找的分段点。

4结论
经实验测试 , 该算法较传统的音素分段算法简单 , 实时性好 ,
分段方法
[1] Stephane M allat , W en L on and p rocessing w ith w avelets [J ]. IEEE T rans on IT , 1992, 38(2 : 617~643.
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大学信息工程学院 , 1999.
Usi ng W avelet Tran sform to D eltest
Phonetic Segm en ta tion s
M a J i anfen
(Colleg e of Inf or m a tion E ng ineering of TU T
Abstract :A new m ethod to detect the po in ts of sharp variati on s of the con tinuou s sp eech sig 2 nal is in troduced . F irstly calcu late the ab so lu ti on of the sou rce sp eech signal , then analyze the ab 2 so lu ted signal in the dyadic w avelet dom ain . T he local m ax i m a of the eigh t 2o rder h igh 2frequency signal is the segm en t po in t . T he m ethod is less com p licate and m o re effective than p revi ou s ones . Key words :p honetic segm en tati on ; w avelet tran sfo rm ; vo ice p rocessing
(本文责任编辑 :张红霞 (上接第 42页
D esign of M i ne Rad io Comm un ica tion Through Stra tu m
Tao J i ny i
(Colleg e of E lectrica l &P o w er E ng ineering of TU T
Abstract :Con sidering the charactristics of the radi o comm un icati on th rough stratum ; u sing single an tenna w ith sho rt circu it term inal , single side 2band m odu lati on and receiving techn ique of w eak signals ; a p ropo sal of m ine radi o comm un icati on th rough stratum is p resen ted .
Key words :electric conductive rati o ; sigle an tenna w ith sho rt circu
it term inal ; single side 2
band m odu lati on ; in trin sic safety
(本文责任编辑 :张爱绒。