透地通信技術(shù)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及專利分析

高勝凱 黃玲

【摘要】 本文介紹了透地通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并從多個(gè)角度對(duì)該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)狀況進(jìn)行了分析，以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討各國(guó)尤其是我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。

【關(guān)鍵詞】 透地通信 甚低頻 彈性波 磁通信 礦井 地下

一、透地通信技術(shù)概述

地下環(huán)境中，電磁干擾大，信道容量小，安裝作業(yè)難度大。因此提供一種透地深度大、抗干擾能力強(qiáng)、信道容量大、安裝較容易的透地通信技術(shù)極具實(shí)用價(jià)值。

早期用于礦井環(huán)境的通信技術(shù)為有線電話，另一種技術(shù)名為“漏泄饋源”（leaky feeder），都需要通過(guò)貫穿礦井的有線電纜實(shí)現(xiàn)通信。但有線方式存在電源和傳輸電纜極易被切斷的危險(xiǎn)，同時(shí)電纜必須經(jīng)常隨井下開(kāi)采面的推進(jìn)而移動(dòng)或延伸，隨著電纜長(zhǎng)度的增加，每隔一段距離需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行中繼放大，成本很高。

到二十世紀(jì)初，開(kāi)始研究采用甚低頻電磁波的無(wú)線電透地傳輸機(jī)制。早期的無(wú)線電透地通信系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)單向語(yǔ)音通信，干擾噪聲大，信道容量低，并且需要配置非常大的環(huán)形天線。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，透地通信技術(shù)在提高通信可靠性方面取得進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了雙向通信功能，裝置的尺寸也進(jìn)一步縮小，逐漸開(kāi)發(fā)出成熟的產(chǎn)品。其中以澳大利亞Mine Site Technologies公司的PED系統(tǒng)、美國(guó)Transtek公司的TeleMag系統(tǒng)、加拿大Vital Alert公司的Canary系統(tǒng)為代表。

基于彈性波和磁導(dǎo)的透地通信技術(shù)是近年來(lái)興起的新技術(shù)。

基于彈性波的透地通信技術(shù)是新的透地通信技術(shù)。相對(duì)于甚低頻電磁波，彈性波在大地中的傳輸距離較遠(yuǎn)，不需要大尺寸天線。彈性波在傳輸過(guò)程中由大地信道的特性決定的多徑效應(yīng)是影響透地通信系統(tǒng)性能的主要因素。通信技術(shù)中的CDMA、OFDM、RAKE接收等技術(shù)可以很好地解決多徑傳輸帶來(lái)的問(wèn)題，因此根據(jù)彈性波的特性選取適合甚低頻彈性波調(diào)制的參數(shù)或信道編碼方式，是這類透地通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。

磁導(dǎo)透地通信技術(shù)以磁場(chǎng)為載體傳輸信號(hào)，通過(guò)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，經(jīng)由鐵芯之類的導(dǎo)磁介質(zhì)將交變磁場(chǎng)傳輸至遠(yuǎn)端，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。在挖掘隧道、井下作業(yè)等場(chǎng)景下，原本就建設(shè)有一些由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的構(gòu)件，例如鐵軌，深井鉆探頭等，利用這些構(gòu)件，可以在不額外增加成本的條件下，增加通信鏈路。這些構(gòu)件的安裝位置、人員接觸條件等因素使得不適于利用這些構(gòu)件來(lái)進(jìn)行導(dǎo)電通信，而磁導(dǎo)通信卻不受限于這些條件。基于磁導(dǎo)的透地通信的主要問(wèn)題在于導(dǎo)磁介質(zhì)在通信傳輸過(guò)程中引入的噪聲和干擾較大，因此去噪和抑制干擾是這項(xiàng)技術(shù)的主要研究方向。（圖1）

從技術(shù)細(xì)節(jié)來(lái)看，各個(gè)方向各有特點(diǎn)。增加穿透距離的研究起步相對(duì)較早，近年來(lái)呈逐漸下降態(tài)勢(shì)，這是因?yàn)榛谀壳暗膫鬏斀橘|(zhì)和傳輸方式，穿透距離已達(dá)極限。而另一較早開(kāi)展研究的方向，即天線形狀及小型化方面，一直保持著不低的申請(qǐng)量，這是因?yàn)榇笠?guī)模集成電路的集成化程度在不斷提高，而且材料工藝也在不斷改進(jìn)，因此天線參數(shù)以及芯片尺寸仍有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的提高及對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增大，近年來(lái)透地通信技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用呈熱點(diǎn)態(tài)勢(shì)，中國(guó)企業(yè)和研究院校對(duì)透地通信技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用方面的研究加大了投入。此外，在降噪、降低干擾、增加信道容量方面，申請(qǐng)量保持平穩(wěn)，可以預(yù)見(jiàn)的是，伴隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，這些方面仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

二、透地通信技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)分析

2.1透地通信技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量趨勢(shì)分析

透地通信技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量在1980年以前很少，此后持續(xù)增長(zhǎng)，自2005年后，專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，并維持在一個(gè)較高水平。

專利產(chǎn)出數(shù)量反映了一個(gè)國(guó)家擁有的原創(chuàng)專利數(shù)量，原創(chuàng)專利越多，說(shuō)明該國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力越強(qiáng)，技術(shù)越先進(jìn)。

圖2的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，美國(guó)的申請(qǐng)量最大。美國(guó)很早就開(kāi)始透地通信技術(shù)領(lǐng)域的研究，技術(shù)實(shí)力強(qiáng)大，早期由軍方部門推動(dòng)研究，近年來(lái)美國(guó)的多家公司已研發(fā)出多型民用產(chǎn)品，我國(guó)也有引進(jìn)。冷戰(zhàn)期間，俄羅斯（前蘇聯(lián)）為與美國(guó)對(duì)抗，在透地通信技術(shù)方面也開(kāi)展了一些研究，但近期缺乏進(jìn)展。歐洲與日本的申請(qǐng)量比較平穩(wěn)。

2.2 透地通信技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)分析

中國(guó)自2006年后在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速，這與我國(guó)近年來(lái)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求大幅度增加以及礦井事故多發(fā)有緊密聯(lián)系。

對(duì)在華申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，約47%的申請(qǐng)來(lái)自企業(yè)，約42%的申請(qǐng)來(lái)自科研院校，來(lái)自個(gè)人的申請(qǐng)占11%。在華申請(qǐng)人沒(méi)有代表性的申請(qǐng)人，僅山東科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和普拉德研究及發(fā)展公司相對(duì)較多。

以上情況均可以印證，我國(guó)在透地通信技術(shù)領(lǐng)域的起步較晚，相關(guān)專利技術(shù)還處于科研階段，但企業(yè)的研發(fā)熱情很高，且隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，今后對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求會(huì)進(jìn)一步增大，因此透地通信技術(shù)在我國(guó)有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，專利申請(qǐng)量必將持續(xù)快速增加。

參 考 文 獻(xiàn)

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