應(yīng)用磁感應(yīng)技術(shù)分析無線透地通信系統(tǒng)的方法探討

陳家璘 周正 馮偉東 賀易 李靜茹 趙世文

摘? ?要：透地通信是一種將分層大地作為傳輸媒質(zhì)的通信手段，其利用無線電波技術(shù)原理直接穿透大地來實(shí)現(xiàn)地面與井下進(jìn)行信息交流。為了提高復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，基于磁感應(yīng)技術(shù)對無線透地通信進(jìn)行分析，對無線透地通訊系統(tǒng)的工作原理和依據(jù)的理論進(jìn)行了探討和分析，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，對透地通信系統(tǒng)天線的選取方面進(jìn)行了說明，并分析了透地信道的衰減計(jì)算，也對本系統(tǒng)的部分軟件進(jìn)行了介紹。采用磁感應(yīng)技術(shù)無線透地通信系統(tǒng)能夠有效地抑制雜波干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳輸，為礦井以及復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)通信的應(yīng)用和發(fā)展提供了必要的理論支撐。

關(guān)鍵詞：無線透地通信;無線電波;磁感應(yīng)技術(shù);移動(dòng)通信;透地信道

中圖分類號(hào)：TD655? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Discussion on wireless Transmissive Communication System

Using Magnetic Induction Technology

CHEN Jia-lin1?，ZHOU Zheng1，F(xiàn)ENG Wei-dong1，HE Yi1，LI Jing-ru1，ZHAO Shi-wen2

（1. State Grid Hubei Information & Telecommunication Co.，Ltd.，Wuhan，Hunan 430077，China;

2. Nanjing Nari Information & Telecommunication Technology Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 210000，China）

Abstract：Transmitting communication is a communication means that uses layered earth as a transmission medium. It uses the principle of radio wave technology to directly penetrate the earth to realize information exchange between the ground and the underground. With the development of through-the-earth communication technology，in order to improve the reliability and stability of mobile communication systems in complex environments，the wireless terrestrial communication based on magnetic induction technology is analyzed，key technologies is researched，and the selection of antennas for through-the-earth communication systems is described，And the attenuation calculation of the through-ground channel is analyzed，and some software of this system is also introduced. Effectively suppress clutter interference can be effectively suppressed by using the magnetic induction technology wireless through-the-earth communication system，the transmission of signals can be reliable realized，which provides the necessary theoretical support for the application and development of mobile communications in mines and complex environments.

Key words：wireless through-the-earth communication;radio wave;magnetic induction technology;mobile communication;through-ground channel

據(jù)統(tǒng)計(jì)，透地通信技術(shù)已經(jīng)有100多年的歷史，透地通信技術(shù)的發(fā)展速度不是很快。在20世紀(jì)60年代，全球各個(gè)國家諸如南非、美國、法國的科學(xué)家都有對礦井透地通信的主要性能進(jìn)行調(diào)研、分析的先例，同時(shí)也將該技術(shù)應(yīng)用到具體實(shí)例，為社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)[1-3]。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，透地通信的研究不僅僅主要集中于采用低頻電磁波實(shí)現(xiàn)透地通信，其工作時(shí)的天線通訊方式、工作頻率和調(diào)制方式均不相同[4-6]。該類透地通信系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件及場所[7-8]。由于低頻彈性波在地層中傳播時(shí)的傳輸衰減相對較小，在未來的通信發(fā)展中，該類透地通信系統(tǒng)將作為主要的通信方式應(yīng)用到各種場所[9-11]。

隨著通信技術(shù)、磁感應(yīng)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，透地通信的傳輸速率、通信距離將會(huì)不斷地提高。透地通信不容易受風(fēng)暴、光線、礦井災(zāi)害等影響，在應(yīng)急救援通信方面，其將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[12-14]。透地通信系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠支持不同的數(shù)據(jù)通信接口，可與現(xiàn)有工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、WiFi無線通信系統(tǒng)或 2G/3G無線通信系統(tǒng)（WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA等）的信息互連，從而實(shí)現(xiàn)礦井以及環(huán)境惡劣條件下的主傳輸通道的可靠備份[15]。

1? ?無線透地通訊系統(tǒng)模型

在進(jìn)行無線透地通訊時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)透地通信信道時(shí)，首先要考慮大地等異物介質(zhì)對傳播信號(hào)的衰減作用。在使用時(shí)，通過構(gòu)建透地通信信道的模型，進(jìn)而來分析信號(hào)的傳輸、衰減、及干擾特性。如圖1所示。其主要包括數(shù)字信息處理外圍電路、信息發(fā)送、接收部分、天線和傳輸信道，數(shù)字處理單元用于調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的擴(kuò)頻、調(diào)制，模擬型信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)輸出至功率放大單元進(jìn)行放大，并將該信號(hào)發(fā)射出去，接收機(jī)通過接收電極接收發(fā)射端發(fā)送的信號(hào)，對其處理之后通過數(shù)字處理單元進(jìn)行處理。

在磁感應(yīng)透地通信中，其實(shí)質(zhì)是借助于準(zhǔn)靜態(tài)磁場的變化來傳遞發(fā)射信號(hào)。參考圖1，分別在地表和地下設(shè)置匝數(shù)不同的線圈天線，其中地表和地下的線圈均設(shè)置為多匝線圈，其能夠當(dāng)做磁場發(fā)生裝置來使用。在該裝置中，根據(jù)物理學(xué)原理，通過改變發(fā)射閉合線圈回路的電流來產(chǎn)生時(shí)變磁場。接收線圈回路能夠包圍有效面積的磁通量變化，在該導(dǎo)體中，可以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，該感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與穿過導(dǎo)體的回路磁通量的變化率成正比。如果使發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁性強(qiáng)度最大，則在發(fā)射回路和接收回路中，將電容、線圈電感以及工作頻率滿足共振條件。

在球坐標(biāo)系中，上述的發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng) 度可以用以下公式來表示：

在公式（1）和（2）中，r 表示傳播距離，θ表示磁場強(qiáng)度方向與垂直方向之間的夾角。Hr 和Hθ 分別表示磁場強(qiáng)度在r方向和θ方向上的分量，M表示磁矩，ω表示為角頻率，μ表示為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，η表示為傳播介質(zhì)的固有阻抗，k表示為波數(shù)。

在進(jìn)行無線透地通信時(shí)，其使用的原理是借助于電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)和探測，通過大地介質(zhì)，在感應(yīng)電流密度中建立通信連接，通信性能的好壞的影響因素有：諸如與大地介質(zhì)的電導(dǎo)率、覆蓋層深度以及發(fā)射天線、接收天線的長度和方向相對性。在利用磁感應(yīng)透地通信時(shí)，發(fā)射天線和接收天線的設(shè)計(jì)都比較簡單，通信構(gòu)造系統(tǒng)容易搭建，在通信過程中的干擾因素相對較少。磁感應(yīng)透地通信時(shí)間，其傳輸時(shí)延比彈性波透地通信要小的多。因此，在使用時(shí)，磁感應(yīng)透地通信系統(tǒng)在選擇環(huán)形線圈天線時(shí)間，采用尺寸較大的環(huán)形線圈天線。當(dāng)發(fā)射線圈正對接收線圈時(shí)，這時(shí)，θ的值可以為0，θ = 0時(shí)的Z軸上的磁場強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

其中，B表示為磁感應(yīng)強(qiáng)度，U表示為電壓，N′表示為接收線圈的匝數(shù)，S表示為接收線圈的面積，t表示磁感應(yīng)的時(shí)間。通過上述分析，磁感應(yīng)透地通信的性質(zhì)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系，卻僅受土壤介質(zhì)的電磁參數(shù)的影響，因此，在應(yīng)用磁感應(yīng)技術(shù)時(shí)，可參考土壤介質(zhì)而選擇相應(yīng)的電磁匝數(shù)。

2? ?關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1? ?透地通信系統(tǒng)天線

在透地通信系統(tǒng)中，天線能夠穿透地層，可靠、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)的傳輸，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，由天線中流過的電流根據(jù)有耗長線的規(guī)律進(jìn)行分布，因此，天線要選擇合適的長度。如果選擇的天線尺寸比較小，比如采用終端開路的形式，那么天線的可用長度只有實(shí)際長度的一半，這樣輻射能力減弱，為了克服這一問題，在使用時(shí)，有必要在天線回路中串入較大的電感才能調(diào)諧。此時(shí)，可串入大電感克服這一問題。但是如果電感的值過大，也會(huì)出現(xiàn)問題。如果功率過大，則會(huì)引起較大的功率消耗，從而造成電能的浪費(fèi)。因此一般選擇的長度在80 m -90 m之間。

通常使用環(huán)形天線時(shí)，環(huán)形天線的幾何尺寸很小，天線的環(huán)直徑與工作波長比較接近，單匝環(huán)形天線的輻射電阻比較小，因此，使用時(shí)間，多采用多匝環(huán)形天線，假設(shè)導(dǎo)線半徑為a，圓環(huán)半徑為b，相鄰兩匝間距的為2d，則小環(huán)天線輻射的電阻可記做為：

Rr = 20 N 2 S 2（2π/λ）4? ? ? ? ?（6）

在公式（6）中，N表示為環(huán)的匝數(shù)，S表示為環(huán)的面積，λ表示為天線的工作波長，而對于單個(gè)導(dǎo)線，則每單位長度的電阻為：

R0 = （1/2πa）**Rs? ? ? ? （7）

在公式（7）中，Rs表示為表面電阻，Rs = 1/δ，δ為集膚深度，σ為導(dǎo)線的電導(dǎo)率，ω為天線的工作角頻率，μ0為真空導(dǎo)磁率。環(huán)形天線的效率計(jì)算公式可以為：

ηA =≈ （8）

在應(yīng)用時(shí)，天線通過數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊、信號(hào)接收單元、信號(hào)發(fā)射單元構(gòu)成閉環(huán)工作，天線將信號(hào)發(fā)射單元產(chǎn)生的調(diào)制功率電信號(hào)輻射到大地土層中，并將感應(yīng)接收到的大地土層中微弱的電信號(hào)傳送給信號(hào)接收單元。

信號(hào)發(fā)射單元用于將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電功率信號(hào)，然后進(jìn)一步將電磁功率信號(hào)耦合到天線單元，信號(hào)接收單元再通過天線感應(yīng)的電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信息的接收。接收到信號(hào)后，進(jìn)一步放大解調(diào)，數(shù)字調(diào)制解調(diào)單元將數(shù)字語音信息或者文本信息等數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為調(diào)制信號(hào)波形，并將接收到的信號(hào)解調(diào)輸出音頻或者輸出到顯示設(shè)備。通過這種方式進(jìn)一步提高電磁無線透地通信距離和效果。

2.2? ?透地信道的衰減計(jì)算

在透地通信中，傳輸信號(hào)的傳輸媒質(zhì)在理論研究中被看作是密度均勻、具有一定媒質(zhì)系數(shù)的電導(dǎo)率，信號(hào)通過媒質(zhì)通常會(huì)有信號(hào)損耗，電磁波在傳播過程中，通常是以一定的規(guī)律進(jìn)行衰減。

在計(jì)算衰減時(shí)，應(yīng)用衰減公式采用麥克斯韋（ Maxwell ）方程來計(jì)算，麥克斯韋（ Maxwell ）方程表達(dá)式為：

[Δ] × E = - jωμH? ? ? （9）

[Δ] × E = - jωεk E? ? ? （10）

εk = ε - j（ε/ω）? ? ? ? （11）

其中εk表示為復(fù)介電常數(shù)，假設(shè)不考慮電場傳播規(guī)律，則可將公式記做為：

E = E0 e? ? ? ? （12）

其中γ表示為傳播方向的矢徑，E0表示為常矢量，β表示幅值的衰減系數(shù)，α為相位衰減系數(shù)。則由：

α = ω? ? ?（13）

β = ω? ? ?（14）

其中，μ表示為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率，σ表示為媒質(zhì) 的電導(dǎo)率，ε表示為媒質(zhì)的介電常數(shù)，ω 表示為發(fā)送電磁波的角頻率。因此，從一定程度上講，電導(dǎo)率 σ不同，穿透的深度就不同，電磁波的頻率f越高，幅值衰減就越嚴(yán)重，穿透能力越弱，傳播距離就越短。在透地通信系統(tǒng)中必須保證電磁波工作在甚低頻段（ VLF3～30 kHz ）。

3? ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? ?發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行上電，系統(tǒng)上電后，執(zhí)行復(fù)位操作，在本設(shè)計(jì)中，首先采用枕頭碼來區(qū)分語音信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)。然后，F(xiàn)PGA串口模塊接收上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)轉(zhuǎn)換，然后對每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼處理，并進(jìn)行加幀頭1。在進(jìn)行擴(kuò)頻時(shí)，本系統(tǒng)采用的是直接序列擴(kuò)頻通信，將待發(fā)送的信息直接擴(kuò)頻，然后進(jìn)行BPSK調(diào)制，信號(hào)調(diào)制完畢后，便可送入轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換。發(fā)射機(jī)器的流程圖如圖4所示。

3.2? ?接收端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在接收時(shí)，同樣，首先對接收端的系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，其加載為語音信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)。以語音信號(hào)作為示例說明，首先要加載數(shù)字解調(diào)參數(shù)，然后對該信息進(jìn)行解擴(kuò)，擴(kuò)頻只指本地產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列，然后與信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在具體應(yīng)用中，擴(kuò)頻是 根據(jù)信息論和抗干擾理論的信息傳輸而進(jìn)行的，其依據(jù)的計(jì)算公式為：

C = B log2 （1 + S/N）? ? ? （15）

其中，C 表示為信息傳輸速率，B表示為信號(hào)頻帶寬度，S 表示為信號(hào)功率，N表示為白噪聲功率。在上述公式中，當(dāng)信道容量C 為常數(shù)時(shí)，帶寬 B 與信噪比 S/N之間可以互換，通過增加或者降低一方的值來調(diào)整另一方的值的大小。

然后再進(jìn)行載波調(diào)制，載波調(diào)制結(jié)束后，執(zhí)行相干解調(diào)，對每個(gè)幀頭進(jìn)行檢測，如果檢測到幀頭，則返回上一步驟，如果檢測不到幀頭，則進(jìn)行信道驛碼，驛碼完畢后，可以再上位機(jī)或者顯示器上進(jìn)行信息顯示。語音信息的操作為類似方式，再此不做詳細(xì)描述。

4? ?結(jié)? ?論

基于磁感應(yīng)通信的主要方式有中頻感應(yīng)通信、動(dòng)力線載波通信、礦用小靈通無線通信、VHF漏泄通信、小區(qū)蜂窩移動(dòng)通信以及低頻透地通信等，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)借助于專有的通信線路或已有的動(dòng)力線以及使用無線信道等線路作為通信鏈路。介紹了基于磁感應(yīng)技術(shù)無線透地通信系統(tǒng)的歷史背景、應(yīng)用原理、關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用。采用基于電流場發(fā)生磁感應(yīng)的低頻電磁波透地通信系統(tǒng)，能夠利用電偶極子天線產(chǎn)生低頻電磁波信號(hào)，可以穿透大型障礙物，在惡劣的環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)較好的通信效果。

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