淺談新技術(shù)在煤礦通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓維敏　馮向陽(yáng)

摘 要：針對(duì)煤礦通信系統(tǒng)不完善，無(wú)法滿足礦井發(fā)展和安全生產(chǎn)需要的現(xiàn)狀，如何在運(yùn)用新技術(shù)新設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，在滿足礦井正常生產(chǎn)和調(diào)度指揮的同時(shí)，增強(qiáng)煤礦應(yīng)急救援的反應(yīng)能力，并有效地降低了維護(hù)成本，減輕維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。本文筆者結(jié)合工作實(shí)踐，主要探討新技術(shù)在煤礦通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新技術(shù)；煤礦通信；應(yīng)用

本文為2015年立項(xiàng)課題《基于軟擴(kuò)頻技術(shù)的攜式透地通信系統(tǒng)的研究》階段性研究成果之一，課題批準(zhǔn)號(hào)：15c0643

煤礦通信系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)、緊急避險(xiǎn)、應(yīng)急救援的重要工具。煤礦通信設(shè)備主要用于煤礦井上下生產(chǎn)調(diào)度指揮，煤礦通信技術(shù)及設(shè)備的選型、安裝、使用和維護(hù)正確與否將直接影響煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 煤礦通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

煤礦通信系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的工作中起著重要的作用。但是長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦由于受地質(zhì)條件限制，井下巷道分布復(fù)雜，作業(yè)地點(diǎn)分散，使井下通信系統(tǒng)建設(shè)存在許多問(wèn)題：特別是通信新技術(shù)新設(shè)備的匱乏，另外，管理制度、技術(shù)規(guī)范欠缺，井下通信系統(tǒng)圖更新不及時(shí)，設(shè)備說(shuō)明書、圖紙資料、測(cè)試記錄不齊全，防爆電話數(shù)量和地點(diǎn)不能完全符合《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)要求。井下通信器材質(zhì)量問(wèn)題也較多，選型不規(guī)范等。都制約和影響著礦井通信的發(fā)展和安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

2 分?jǐn)?shù)階變換技術(shù)在煤礦井下有線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

有線通信是利用光纜作為通訊傳導(dǎo)的通信形式，然而，原有的有線通信信道中存在各種噪聲，如果不對(duì)其進(jìn)行處理則會(huì)使誤碼率增加。因此，要消除不理想信道和噪聲對(duì)信號(hào)的影響，必須應(yīng)用新技術(shù)。分?jǐn)?shù)階變換的通信技術(shù)原理是以線性調(diào)頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，利用線性調(diào)頻信號(hào)在分?jǐn)?shù)階里變換域的能量聚焦特性，通過(guò)接收機(jī)進(jìn)行路徑分集接收抑制有線通信信道多途效應(yīng)所產(chǎn)生的碼間干擾，從而提高系統(tǒng)的抗噪聲干擾和頻率選擇性衰減的能力。具體應(yīng)用程序如下：

1.信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)

分?jǐn)?shù)階變換作為一種新型的線性時(shí)頻工具，其實(shí)質(zhì)是信號(hào)在時(shí)間軸上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)任意角度到U軸上的表示，而該核是U域上的一組正交的基，這就是分?jǐn)?shù)階變換的基分解特性。所以，在適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)階域中，一個(gè)chirp信號(hào)將表現(xiàn)一個(gè)沖擊函數(shù)，即分?jǐn)?shù)階變換過(guò)程中，某個(gè)分?jǐn)?shù)階域?qū)?yīng)的chirp信號(hào)具有很好的能量聚焦性，而這種能量聚焦性對(duì)chirp信號(hào)的監(jiān)測(cè)和估計(jì)具有很好的作用。因此，在信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)中，我們的基本思路是以旋轉(zhuǎn)角口為變量進(jìn)行掃描，求出觀測(cè)信號(hào)所有階次的分?jǐn)?shù)階變換，于是形成信號(hào)能量在由分?jǐn)?shù)階域U和分?jǐn)?shù)階次P組成的二維參數(shù)平面上的分布。然后，我們按域值在在此平面上進(jìn)行二維搜索，找出最大峰值位置。并根據(jù)最大峰值坐標(biāo)可以檢測(cè)出chirp信號(hào)，并估計(jì)出峰值所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)階次P和分?jǐn)?shù)階域坐標(biāo)，估計(jì)出信號(hào)的參數(shù)。

2.分集接收

分集接收是將接收到的多徑信號(hào)分離成互不相關(guān)的多路信號(hào)，然后將多徑衰落信道分散的能量更有效的接收起來(lái)，處理之后進(jìn)行判決，從而達(dá)到抗衰落的目的。本文采用分集合并技術(shù)，即取出那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量，對(duì)它們進(jìn)行延時(shí)相加，使之在某一時(shí)刻對(duì)齊并按一定的準(zhǔn)則合并，提高多徑分集的效果。在通信系統(tǒng)中，RAKE接收機(jī)由N個(gè)并行相關(guān)器和個(gè)合并器組成，每個(gè)相關(guān)器與發(fā)射信號(hào)的一個(gè)多徑分量匹配。在N個(gè)相關(guān)器前增加時(shí)移單元，就可在時(shí)間上將所有分量對(duì)齊，從而采用相同的本地參考信號(hào)。然后，相關(guān)器組的輸出送給合并器，將合并器輸出的判決變量送到檢測(cè)器進(jìn)行判決。最后，根據(jù)接收機(jī)使用的不同合并方法，在選擇性合并方式下，在多支路接收信號(hào)中，選取信噪比最高的的支路信號(hào)作為輸出信號(hào)。

3.峰值輸出

信噪比系數(shù)呈現(xiàn)出一個(gè)典型的振蕩特性，且振蕩頻率與振蕩幅度與時(shí)頻面的旋轉(zhuǎn)角度和輸入信號(hào)相關(guān)。因此在采用分?jǐn)?shù)階變換技術(shù)的實(shí)際使用中，在進(jìn)行近似計(jì)算處理時(shí)需要特別注意，必須對(duì)近似處理帶來(lái)的誤差進(jìn)行評(píng)估。

3 ATP系統(tǒng)在煤礦地面光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

ATP系統(tǒng)是由粗跟蹤和精跟蹤單元構(gòu)成的復(fù)合跟蹤系統(tǒng)，其主要功能是在粗跟蹤單元實(shí)現(xiàn)初始的捕獲和跟蹤，并將信標(biāo)光引入精跟蹤的視場(chǎng)范圍內(nèi)，然后精跟蹤單元實(shí)現(xiàn)更高帶寬的跟瞄，再將信標(biāo)光穩(wěn)定在可通信的視場(chǎng)之內(nèi)，為最終空間站光通信系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.粗跟蹤單元

粗瞄準(zhǔn)單元由一個(gè)安裝在精密光機(jī)組件上的收發(fā)天線，萬(wàn)向支架驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及粗跟蹤探測(cè)器組成，主要作用是捕獲目標(biāo)和完成對(duì)目標(biāo)的粗跟蹤。在捕獲階段，粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)接收由上位機(jī)根據(jù)已知的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡或星歷表給出的命令信號(hào)，將望遠(yuǎn)鏡定位到對(duì)方通信終端的方向上。為確保入射的信標(biāo)光在精跟瞄控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，必須根據(jù)粗跟蹤探測(cè)器給出的目標(biāo)脫靶量來(lái)控制萬(wàn)向支架上的望遠(yuǎn)鏡，使它的跟蹤精度必須保證系統(tǒng)的光軸處于精跟蹤探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)，從而把信標(biāo)光引入精跟蹤探測(cè)器的視場(chǎng)內(nèi)。

2.精跟蹤單元

精跟蹤單元的跟蹤精度將決定整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤精度，它要求帶寬非常高，帶寬越高，對(duì)干擾的抑制能力就越強(qiáng)，從而可加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度，加強(qiáng)跟蹤精度。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高帶寬高精度的精跟蹤環(huán)是整個(gè)ATP系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。在這一單元我們可采用高幀頻、高靈敏度、具有跳躍式讀出模式的面陣電荷耦合器件傳感器。它基于深埋溝道移位寄存器技術(shù)，可以獲得非常高的讀出速率、非常低的噪聲和非常高的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)由捕獲探測(cè)器和定位探測(cè)器組成探測(cè)接收單元轉(zhuǎn)換，CCD完成捕獲與粗跟蹤，并將接收光引導(dǎo)至OPI N上，在OPI N中進(jìn)行誤差信號(hào)的檢測(cè)，從而提高信標(biāo)光捕捉精度。

3.控制單元

將捕捉的信號(hào)經(jīng)放大、整形和A/D變換處理后，在計(jì)算機(jī)中按一定的數(shù)據(jù)分配流程將信號(hào)輸入。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)給出的速度控制信號(hào)和加速度控制信號(hào)，又經(jīng)數(shù)據(jù)分配接口送入D/A轉(zhuǎn)換與處理網(wǎng)絡(luò)，使伺服電機(jī)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別在水平和俯仰兩個(gè)方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整天線的位置，達(dá)到自動(dòng)捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)生活的進(jìn)步，在未來(lái)煤礦通信技術(shù)的研究上，應(yīng)不斷探索、創(chuàng)新，追求新技術(shù)新設(shè)備在煤礦通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳林偉 《通信技術(shù)》 郵電出版社

[2]《煤礦安全工程》2011年版