穿透地层的矿井地下无线通信系统设计方案探析解析.docx
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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Vol131 No112000年1月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYJan.2000
文章编号:
100729432（20000120039205
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×10-7Hm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（VF013k-3k和甚低频（VLF3k—30kHz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
Ρndn.（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1177×10-2Sm.
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Rg为:
Rg=2ΠΡl
lna-1.
（4l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
mm01177×10-2
Sm,g83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=Κ0Ν
=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:
Ath=010036;折射因子:
Are=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:
EΗ=4Πr3e-jkr
（1-jkr-k2
rcosΗA
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MN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°,EΗ=Ezmax,得出发射天线所需的最少发射电流为:
Imin=
2
2Πl2AthAre
e（6
VMN是接收天线MN的信号电压,l为MN的长度,取MN=AB=L.
本设计中Ρ=1177×10-2Sm,r=304m,f=4980Hz;接收机的灵敏度VMN=2ΛV,
L=100m,Κ=1504m.
求得所需的最少发射电流为Imin=77mA.
2 发送机的设计
发送的信号来自KJ38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420~9780Hz,每隔120Hz一个频道,共设计52个。
信号频率f为5~15Hz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45Hz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
。
:
KJ38,。
如本例f=4098Hz.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f0=4980Hz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5~15Hz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f0=4980Hz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。
a1经分析对比,天线选择终端短路单极天线;b1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。
c1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
[1] 陶晋宜.穿透地层矿井无线通信的研究[D].太原:
山西矿业学院,1997.
[2] 陶晋宜.甚低频电磁波穿透地层矿井通信系统天线装置的研究[J]
.太原理工大学学报,1999,30（2:
139~143.[3] （苏奥戈罗德涅丘克著.吴荣光,虞梦先译.矿井低频无线通讯[M].北京:
煤矿工业出版,1981.64~126;172~191.[4] 戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京:
国防工业出版社,1994.120~150;270~280.
（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:
a1计算信号的8阶小波系数wd28f; b1寻找wd28f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] StephaneMallat,WenLonandprocessingwithwavelets[J].IEEETransonIT,1992,38（2:
617~643.
[2] StephoneMofsignalsfrommultiscaleedges[J].IEEETransofPatternanalysisandmachineintelli2gence,1992,4（732.
[3] 马建芬.语音信号音素分段算法的研究[D]:
[学位论文].太原:
太原理工大学信息工程学院,1999.
UsingWaveletTransformtoDeltest
PhoneticSegmentations
MaJianfen
（CollegeofInformationEngineeringofTUT
Abstract:
Anewmethodtodetectthepointsofsharpvariationsofthecontinuousspeechsig2nalisintroduced.Firstlycalculatetheabsolutionofthesourcespeechsignal,thenanalyzetheab2solutedsignalinthedyadicwaveletdomain.Thelocalmaximaoftheeight2orderhigh2frequencysignalisthesegmentpoint.Themethodislesscomplicateandmoreeffectivethanpreviousones.Keywords:
phoneticsegmentation;wavelettransform;voiceprocessing
（本文责任编辑:
张红霞（上接第42页
DesignofMineRadioCommunicationThroughStratum
TaoJinyi
（CollegeofElectrical&PowerEngineeringofTUT
Abstract:
Consideringthecharactristicsoftheradiocommunicationthroughstratum;usingsingleantennawithshortcircuitterminal,singleside2bandmodulationandreceivingtechniqueofweaksignals;aproposalofmineradiocommunicationthroughstratumispresented.
Keywords:
electricconductiveratio;sigleantennawithshortcircu
itterminal;singleside2
bandmodulation;intrinsicsafety
（本文责任编辑:
张爱绒
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