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Vol131No112000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∑nn=1Ρndn.(3式中:d为煤层与岩层的总厚度,Ρn为第n岩层的电导率,dn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=2ΠΡllna-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26mm01177×10-2Sm,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lΚ,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-k2rcosΗAthAre.(54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=22Πl2AthAree(6VMN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.UsingWaveletTransformtoDeltestPhoneticSegmentationsMaJianfen(CollegeofInformationEngineeringofTUTAbstract:Anewmethodtodetectthepointsofsharpvariationsofthecontinuousspeechsig2nalisintroduced.Firstlycalculatetheabsolutionofthesourcespeechsignal,thenanalyzetheab2solutedsignalinthedyadicwaveletdomain.Thelocalmaximaoftheeight2orderhigh2frequencysignalisthesegmentpoint.Themethodislesscomplicateandmoreeffectivethanpreviousones.Keywords:phoneticsegmentation;wavelettransform;voiceprocessing(本文责任编辑:张红霞(上接第42页DesignofMineRadioCommunicationThroughStratumTaoJinyi(CollegeofElectrical&PowerEngineeringofTUTAbstract:Consideringthecharactristicso