建立低频通信基站向井下辐射通信信号

    引言：

    生产安全问题一直以来都是困扰各国煤炭开采的一个难于解决的棘手问题，而煤矿井下无线通信又是这一问题的症结。一套完善，可靠的井下无线通信系统应用于煤矿地面与井下人员通信，监控和调度井下工作，以及事故发生后的人员搜救，对于煤矿提高效率，安全生产至关重要！

    煤层一般分布于地壳的沉积岩层中，其分布和走向有着不定性和随机性。因此，煤矿井巷的布局和后续的拓展也都是随机的。井巷的走向和延伸错综复杂。要实现无线通信系统覆盖整个矿井（井筒，巷道和硐室）的目标和要求，就显的比较困难。煤层一般处于地下几百米甚至更远的地方，这就要求通信系统所采用电磁信号要能够穿透地层跨越这段距离到达巷道和人员工作的一线，完成通信任务。

    近年来国内，外一直都致力于探索，研发适合煤矿应用的无线通信体系。正在研究和已应用的煤矿通信系统所采用的技术手段有：1,电力线载波通信；2,感应通信；3,漏泄通信；4,甚低频穿透地层通信。前三种通信方式应用于实践时发现了一些问题，如：信号衰减大，通信距离有限；通信网络架设和维护费用高；系统抗干扰能力差，通信效果不好等等。最重要的是当井下发生火灾，透水，瓦斯爆炸等事故时，这些通信系统由于线路或供电体系的损坏也往往随之陷入瘫痪，从而失去通信作用，无法用于事故后的人员搜救等工作。甚低频穿透地层通信系统理论上则可以减少这一弊病的发生，也是被业内公认的最有发展潜力的一种适于井下应用的无线通信方式。

    试验研究表明当岩层电导率的混匀值在一定范围内时，甚低频电磁信号在岩层中的传输距离可达几百米以上。因此可以利用甚低频电磁信号可穿透岩层的这一特性设计一套基于甚低频电磁信号的无线通信系统用于地面与井下的通信。

    在地面建立低频通信基站向井下辐射通信信号，信号穿越岩层到达井下第一层巷道（距地面最近）的中继基站。由此中继基站接收信号与地面进行信息交互。同时中继基站再将信号辐射本层巷道并与下一层和周边基站进行通信。这样在井下构建一张通信网，采用低频无线通信基站接力的方法使通信信号到达井下最深处，并达到覆盖整个矿井的目的。低频通信基站要完成电磁信号的中继，收/发，调制/解调，与人员手机和监，控设备通信等一系列工作。

    井下通信示意图

    在井下井巷中是狭长的自然空间的通信信道，当基站向所在井巷辐射信号时可采用定向辐射的方法，以提高通信效率，减少电磁波在传播过程中由吸收，反射，散射等现象引起的能量损耗。

    2,通信频率选取：

    含有煤层的沉积岩层是多层结构，它既可能有电子导电性，也可能有离子导电性。从媒质结构的角度来看，可以将其看作是一种半导体介质。通信的电磁波信号能否通过这个特殊的信道，岩层的电磁特性（电容率，磁导率，电导率和电阻率等）至关重要。

    岩层是层状各向导性不同的媒质，电导率与岩层的自然分布状态有关。例如：双层媒质各层的电导率为：σ1和σ2,厚度为d1和d2,那么岩层纵σt,横σn两个方向上的电导率的平均值可由以下公式计算：

    σt=（σ1 d1+σ2 d2 ）/（d1+ d2 ）

    σn=σ1σ2（d1+ d2 ）/（σ1 d2+σ1d2 ）

    一般来讲：σt≥σn.

    当考虑到更多层数时，岩层的纵σt,横σn两个方向上的电导率可通过公式：σt=∑σsds/D和σn= D/∑（ds/σs）求得。其中：D————层系总厚度； ds和σs————第S层的厚度和电导率。

    岩层的电磁参数与温度，湿度，和孔隙率等自然因素也密切相关。

    如浸透水的岩层电导率：σv=σr

    式中 σr————溶液的电导率；

    kv————岩层的孔隙率。

    由上式，浸水岩层的电导率在很大程度上受其孔隙率kv影响，且湿度又是无时不刻不在变化，所以要确定岩层的电磁参数十分困难。经过计算当岩层厚度在300m左右时，一般其电导率在10-2s/m这个数量级上。

    由于波动过程前的发散造成的电磁场在半导电媒质中传输时的衰减由电磁波衰减公式： ψ=ψ0ψe

    式中 ψ0————由于电磁场球面发散的衰减；

    ψe————由媒质吸收能量决定的场的指数衰减。

    可知电磁场在半导电媒质中的衰减是呈指数形式的。

    但当衰减约为4π奈培时，场的最小显示半径为： R0min=

    是随频率的降低而单调增加的。在导电区内当<0.2时，场的显示半径公式R0=[2]1/2,而当→∞时，显示半径R0→∞。所以说随工作频率的降低，半导体媒质中通讯信号实际作用半径并非是指数衰减，而是场的扩展引起的衰减。

    综上，在采用适合的甚低频频率时无线电磁波可实现的传输距离R≤（1~2）λ，其中：λ为电磁波波长。在本征半导电区，尤其是类介电区电磁场的半径变得比波长大得多。当频率选择在小于10KHZ的甚低频时，电磁波穿透岩层的距离可以达到300-400米甚至更远。

    国外有些公司的产品的透地通信距离已经可以达到270英尺（82.3米）左右。虽然这一距离还无法满足一般的煤矿通信要求，但是这一成果为此通信方案的前景提供了强有力的实践证明。

    3,噪声干扰分析：

    影响通信系统可靠性的重要因素还有噪声干扰，它直接左右甚低频通信系统收发信号的效果，从而影响通信系统所能穿透地层跨越的最大距离。

    井下生产中的开关电感性负荷比较多，如：控制综合采煤机，运输机，风机及其他设备的接触器，继电器，电磁开关，电动机，变压器等都属于此类负载，这些设备的开/停都会产生电流脉冲。另外，煤矿井下大负荷整流变频电路在动力线和信号线内部也产生谐波感应电流。加上井下设备外壳接地不良，又形成与其它系统的共阻耦合干扰。这些电磁能的主要特点是瞬间冲击强度大，作用时间短，非常容易侵入系统的弱电集成电路严重干扰井下通信。

    井下生产现场的干扰源可粗略分为以下几种：

    1,电源干扰。矿井下大功率传输设备电缆是交叉敷设的，只要通信线路有一部分与之向平行时就可能受到二频干扰。干扰源的工频波形失真越大，它所产生的高次谐波分量就越多，干扰越强。

    2,由煤矿井下设备开关电路动作产生的电流或电压的脉冲造成的干扰。其产生设备主要是各种交流接触器，继电器，晶闸开关等。

    3,井下特殊工况的电磁干扰。如用电器绝缘包裹性能下降产生的漏电，接触不良产生的电弧放电以及接地电磁屏蔽不良产生的电磁辐射等等，都会引起通信系统电源内部或传输线的感应电流和脉冲。

    4,天然干扰。如雷电放电在岩层中感应出的宽频谱电磁场，以及大地的恒定电磁场。

    其中一些干扰源具有频谱宽，电平高的特点。电气设备负载工作时的电流变化所产生的电磁波频谱恰在甚低频区域内，对甚低频无线通信设备的干扰非常大。井下生产现场的外部电磁噪声传输到通信系统的方式和途径通常是导线传导，阻抗耦合，电场耦合，磁场耦合。

    为了建立一个高效，可靠的矿井通信系统，就必须要先解决系统的抗干扰问题。

    可采用的抗干扰方法有以下几种：

    1,选择合适的通信频段。在井下这个特定的工作环境中一般来说由于噪声源基本属于同一类型所产生的噪声能量也比较集中，基本处于一定的频率范围内。再者用于通信的频段几兆就已经足够用了，所以在选择通信频段的时候应尽量避开强噪声的集中区域。

    2,增大天线发射通信信号的功率，并采用定向天线。提高发射信号的电平，增加信噪比，利用定向天线进行空间选择，抑制噪声干扰的作用。

    3,应用窄带滤波器进行频率选择。这种自适应滤波器的通带始终和输入信号频带宽自适应相匹配，从而减小井下各种电机噪声对通信信号的干扰。

    4,应用相关器进行波形选择。窄带滤波器是在频域上对信号进行处理，而相关接收法是在时域上对信号进行处理的。当输入相关器的信号和干扰电平都比较低，保证相关器处于线性工作状态时，其抗干扰能力强于窄带滤波，但当输入干扰电平超过相关器的线性工作区时，其抗干扰能力明显下降。因此，窄带滤波器通常与相关器并用从而达到较好的抗扰作用。

    5,采用高效的编码，调制解调方式。根据井下电气干扰的特性，采用单边带窄带调制，宽带调频，数字调制技术等方法改善甚至提高通信质量。

    6,将通信信号多次重发通过延长通信时间来换取通信的可靠性。根据香农和信息量公式：I= T C =T B log2（1+S/N）

    其中：I——信息量；T——时间；C——信道容量；B——传输带宽；S/N——信噪比；

    不难看出当信道传输信息量一定且信噪比和带宽很小的情况下，可以通过增加传输时间T来完成通信任务。以起到抑制噪声干扰的作用。同样，也可以同时增加时间T和传输带宽B的方式改善信噪比S/N不足带来的对通信的影响。

    7,增强设备的弱信号的接收能力。采用先进的弱信号检测，接收设备已提高信噪比。

    通过这几种降噪方法的综合应用可减少电磁噪声对甚低频通信系统的干扰程度。

    4,天线选取：

    在甚低频井下通信中，由于地层对电磁波的吸收非常严重，到达接收点的信号十分微弱，因此对发射天线主要的评价标准是：当天线的输入功率给定，发送与接收距离已设定的情况下，能在接收点获得尽可能大的场强。通常井下巷道的长度都在几十米以上，甚至几百米。沿坑道架设几十，几百米的单极天线是很方便的。所以发射天线可采用水平放置的终端短路单极天线，即接地电偶极子。

    接地电偶极子是半导电媒质中低频无线通信系统电性天线的基本型式。

    接地电偶极子的原理图

    确定天线发射效率的大小，是在发射机功率P一定时，天线所激励的有用信号在接收点的场强电平。在传输距离超过天线几何尺寸的情况下，接收器上任意一个场分量的计算公式为：

    E=Dm

    式中：D为辐射器的电流矩；m为标准电流矩D=1的辐射器场的计算比值。

    电性辐射器电流矩的表达式为：

    式中：I0为辐射器的输入电流；hef为辐射器的有效高度；R为输入电阻；P为发射机的功率。

    所以，辐射器结构参数的最佳化，就在于要保证天线有最大的有效高度和最小的输入电阻，这些都有助于增大电流矩D和场强E.

    绝缘导体做成的辐射器放在井下巷道的大气中时，使接地电偶极子的有效高度hef大大增加，相当于用一个电介质层把载流导体和岩层分开，这样使衰减常数减小和波长缩短的现象削弱，而沿天线传播的波阻抗增加。这有助于电磁场沿辐射器长度均匀分布在相当宽率范围内。

    接地器的电阻是决定作为发射天线的接地偶极子效率的基本参数。随着这个电阻的减小，辐射器的电流矩会增大。

    通过增加接地电极的面积和数目，改善电极与岩层的接触，如加大量的浓盐水浸湿电极表面，就能达到降低接地电阻的目的。

    接收天线是这样一种装置，当其置于电磁场中时，能从场中获取能量。在接收状态下的接地偶极子的主要优点是灵敏度高，输出阻抗呈电阻性。在低频范围，接收状态下的接地偶极子的输出电阻决定于接地极的散流电阻。因为在很大程度上散流电阻决定于周围岩层的参数，接收元件最适合在高阻值不匹配负载状态下工作。而起着负载作用的接收元件是接收机的输入阻抗，它很容易达到几十千欧姆。因此也就降低了对接地极散电阻的要求，用不大的金属板或金属棒作为接地装置就可满足要求。

    接收天线装置作为把电磁场能量变换成接收机输入端有用信号的一个能量变换器，它的效率可以用有效高度hef来估算，对于接地电偶极子，其有效高度的表达式为：

    式中，Ve——接收天线端点上信号的电平；E——接收点上的电场强度的分量。可见电性天线的有效高度等于天线的全长。

    5,结束语：

    设计甚低频井下无线通信系统应考虑到井下的特殊工况。系统的一部分设备要常年处于井下潮湿，粉尘和易燃易爆气体浓度高，腐蚀性强的工作环境中。通信设备要在这样的工况中长期稳定有效的工作对其各方面技术指标要求是非常苛刻的。

    首先要做到防爆，运行在井下巷道中的设备最高功率要限定在5-10瓦左右才能满足煤矿井下易爆环境中的本安要求；其次，便携手机和基站等井下设备的密封性一定要好，以防止水气，粉尘和腐蚀气体的侵蚀；另外，外壳要坚固，能抵御强冲击力和高温炙烤。

    移动设备还应做到外形小，重量轻，质量应限定在0.5-1公斤。基站和天线装置尺寸也应尽量的小，至少不应干扰到井下开采工作的正常进行。在设计中各方面都应依照井下相关的设备设计规范，标准进行。