应用磁感应技术分析无线透地通信系统的方法探讨

陈家璘 周正 冯伟东 贺易 李静茹 赵世文

摘   要：透地通信是一种将分层大地作为传输媒质的通信手段，其利用无线电波技术原理直接穿透大地来实现地面与井下进行信息交流。为了提高复杂环境下的移动通信系统的可靠性、稳定性，基于磁感应技术对无线透地通信进行分析，对无线透地通讯系统的工作原理和依据的理论进行了探讨和分析，并对关键技术进行了研究，对透地通信系统天线的选取方面进行了说明，并分析了透地信道的衰减计算，也对本系统的部分软件进行了介绍。采用磁感应技术无线透地通信系统能够有效地抑制杂波干扰，实现信号的可靠传输，为矿井以及复杂环境下的移动通信的应用和发展提供了必要的理论支撑。

关键词：无线透地通信;无线电波;磁感应技术;移动通信;透地信道

中图分类号：TD655                                              文献标识码：A

Discussion on wireless Transmissive Communication System

Using Magnetic Induction Technology

CHEN Jia-lin1?，ZHOU Zheng1，FENG 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

據统计，透地通信技术已经有100多年的历史，透地通信技术的发展速度不是很快。在20世纪60年代，全球各个国家诸如南非、美国、法国的科学家都有对矿井透地通信的主要性能进行调研、分析的先例，同时也将该技术应用到具体实例，为社会的发展做出贡献[1-3]。随着通讯技术的发展，透地通信的研究不仅仅主要集中于采用低频电磁波实现透地通信，其工作时的天线通讯方式、工作频率和调制方式均不相同[4-6]。该类透地通信系统能够适应不同的地质条件及场所[7-8]。由于低频弹性波在地层中传播时的传输衰减相对较小，在未来的通信发展中，该类透地通信系统将作为主要的通信方式应用到各种场所[9-11]。

随着通信技术、磁感应应用的不断推进，透地通信的传输速率、通信距离将会不断地提高。透地通信不容易受风暴、光线、矿井灾害等影响，在应急救援通信方面，其将发挥着至关重要的作用[12-14]。透地通信系统在应用过程中能够支持不同的数据通信接口，可与现有工业以太环网、WiFi无线通信系统或 2G/3G无线通信系统（WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA等）的信息互连，从而实现矿井以及环境恶劣条件下的主传输通道的可靠备份[15]。

1   无线透地通讯系统模型

在进行无线透地通讯时，当设计透地通信信道时，首先要考虑大地等异物介质对传播信号的衰减作用。在使用时，通过构建透地通信信道的模型，进而来分析信号的传输、衰减、及干扰特性。如图1所示。其主要包括数字信息处理外围电路、信息发送、接收部分、天线和传输信道，数字处理单元用于调制信号，实现对信号的扩频、调制，模拟型信号通过模数转换后，将数字信号输出至功率放大单元进行放大，并将该信号发射出去，接收机通过接收电极接收发射端发送的信号，对其处理之后通过数字处理单元进行处理。

在磁感应透地通信中，其實质是借助于准静态磁场的变化来传递发射信号。参考图1，分别在地表和地下设置匝数不同的线圈天线，其中地表和地下的线圈均设置为多匝线圈，其能够当做磁场发生装置来使用。在该装置中，根据物理学原理，通过改变发射闭合线圈回路的电流来产生时变磁场。接收线圈回路能够包围有效面积的磁通量变化，在该导体中，可以产生感应电动势，该感应电动势的大小与穿过导体的回路磁通量的变化率成正比。如果使发射线圈产生的磁性强度最大，则在发射回路和接收回路中，将电容、线圈电感以及工作频率满足共振条件。

在球坐标系中，上述的发射线圈产生的磁场强 度可以用以下公式来表示：

在公式（1）和（2）中，r 表示传播距离，θ表示磁场强度方向与垂直方向之间的夹角。Hr 和Hθ 分别表示磁场强度在r方向和θ方向上的分量，M表示磁矩，ω表示为角频率，μ表示为介质的磁导率，η表示为传播介质的固有阻抗，k表示为波数。

在进行无线透地通信时，其使用的原理是借助于电流探头进行传导和探测，通过大地介质，在感应电流密度中建立通信连接，通信性能的好坏的影响因素有：诸如与大地介质的电导率、覆盖层深度以及发射天线、接收天线的长度和方向相对性。在利用磁感应透地通信时，发射天线和接收天线的设计都比较简单，通信构造系统容易搭建，在通信过程中的干扰因素相对较少。磁感应透地通信时间，其传输时延比弹性波透地通信要小的多。因此，在使用时，磁感应透地通信系统在选择环形线圈天线时间，采用尺寸较大的环形线圈天线。当发射线圈正对接收线圈时，这时，θ的值可以为0，θ = 0时的Z轴上的磁场强度计算公式如下：

其中，B表示为磁感应强度，U表示为电压，N′表示为接收线圈的匝数，S表示为接收线圈的面积，t表示磁感应的时间。通过上述分析，磁感应透地通信的性质与地质结构没有关系，却仅受土壤介质的电磁参数的影响，因此，在应用磁感应技术时，可参考土壤介质而选择相应的电磁匝数。

2   关键技术分析

2.1   透地通信系统天线

在透地通信系统中，天线能够穿透地层，可靠、稳定地实现无线电信号的传输，在设计天线时，由天线中流过的电流根据有耗长线的规律进行分布，因此，天线要选择合适的长度。如果选择的天线尺寸比较小，比如采用终端开路的形式，那么天线的可用长度只有实际长度的一半，这样辐射能力减弱，为了克服这一问题，在使用时，有必要在天线回路中串入较大的电感才能调谐。此时，可串入大电感克服这一问题。但是如果电感的值过大，也会出现问题。如果功率过大，则会引起较大的功率消耗，从而造成电能的浪费。因此一般选择的长度在80 m -90 m之间。

通常使用环形天线时，环形天线的几何尺寸很小，天线的环直径与工作波长比较接近，单匝环形天线的辐射电阻比较小，因此，使用时间，多采用多匝环形天线，假设导线半径为a，圆环半径为b，相邻两匝间距的为2d，则小环天线辐射的电阻可记做为：

Rr = 20 N 2 S 2（2π/λ）4         （6）

在公式（6）中，N表示为环的匝数，S表示为环的面积，λ表示为天线的工作波长，而对于单个导线，则每单位长度的电阻为：

R0 = （1/2πa）**Rs        （7）

在公式（7）中，Rs表示为表面电阻，Rs = 1/δ，δ为集肤深度，σ为导线的电导率，ω为天线的工作角频率，μ0为真空导磁率。环形天线的效率计算公式可以为：

ηA =≈ （8）

在应用时，天线通过数字调制解调模块、信号接收单元、信号发射单元构成闭环工作，天线将信号发射单元产生的调制功率电信号辐射到大地土层中，并将感应接收到的大地土层中微弱的电信号传送给信号接收单元。

信号发射单元用于将调制信号转换为电功率信号，然后进一步将电磁功率信号耦合到天线单元，信号接收单元再通过天线感应的电信号来实现信息的接收。接收到信号后，进一步放大解调，数字调制解调单元将数字语音信息或者文本信息等数字信息转换为调制信号波形，并将接收到的信号解调输出音频或者输出到显示设备。通过这种方式进一步提高电磁无线透地通信距离和效果。

2.2   透地信道的衰减计算

在透地通信中，传输信号的传输媒质在理论研究中被看作是密度均匀、具有一定媒质系数的电导率，信号通过媒质通常会有信号损耗，电磁波在传播过程中，通常是以一定的规律进行衰减。

在计算衰减时，应用衰减公式采用麦克斯韦（ Maxwell ）方程来计算，麦克斯韦（ Maxwell ）方程表达式为：

[Δ] × E = - jωμH      （9）

[Δ] × E = - jωεk E      （10）

εk = ε - j（ε/ω）        （11）

其中εk表示为复介电常数，假设不考虑电场传播规律，则可将公式记做为：

E = E0 e        （12）

其中γ表示为传播方向的矢径，E0表示为常矢量，β表示幅值的衰减系数，α为相位衰减系数。则由：

α = ω     （13）

β = ω     （14）

其中，μ表示为媒质的磁导率，σ表示为媒质 的电导率，ε表示为媒质的介电常数，ω 表示为发送电磁波的角频率。因此，从一定程度上讲，电导率 σ不同，穿透的深度就不同，电磁波的频率f越高，幅值衰减就越严重，穿透能力越弱，传播距离就越短。在透地通信系统中必须保证电磁波工作在甚低頻段（ VLF3～30 kHz ）。

3   软件系统设计

3.1   发射模块设计

首先进行上电，系统上电后，执行复位操作，在本设计中，首先采用枕头码来区分语音信号或者数字信号。然后，FPGA串口模块接收上位机发送来的数字信号，并进行串联、并联转换，然后对每帧数据进行信道编码处理，并进行加帧头1。在进行扩频时，本系统采用的是直接序列扩频通信，将待发送的信息直接扩频，然后进行BPSK调制，信号调制完毕后，便可送入转换模块进行信息转换。发射机器的流程图如图4所示。

3.2   接收端系统软件设计

在接收时，同样，首先对接收端的系统进行初始化设计，其加载为语音信号或者数字信号。以语音信号作为示例说明，首先要加载数字解调参数，然后对该信息进行解扩，扩频只指本地产生伪随机码序列，然后与信号进行相关运算。在具体应用中，扩频是 根据信息论和抗干扰理论的信息传输而进行的，其依据的计算公式为：

C = B log2 （1 + S/N）      （15）

其中，C 表示为信息传输速率，B表示为信号频带宽度，S 表示为信号功率，N表示为白噪声功率。在上述公式中，当信道容量C 为常数时，带宽 B 与信噪比 S/N之间可以互换，通过增加或者降低一方的值来调整另一方的值的大小。

然后再进行载波调制，载波调制结束后，执行相干解调，对每个帧头进行检测，如果检测到帧头，则返回上一步骤，如果检测不到帧头，则进行信道驿码，驿码完毕后，可以再上位机或者显示器上进行信息显示。语音信息的操作为类似方式，再此不做详细描述。

4   结   论

基于磁感应通信的主要方式有中频感应通信、动力线载波通信、矿用小灵通无线通信、VHF漏泄通信、小区蜂窝移动通信以及低频透地通信等，传统通信系统借助于专有的通信线路或已有的动力线以及使用无线信道等线路作为通信链路。介绍了基于磁感应技术无线透地通信系统的历史背景、应用原理、关键技术以及相关软件设计与应用。采用基于电流场发生磁感应的低频电磁波透地通信系统，能够利用电偶极子天线产生低频电磁波信号，可以穿透大型障碍物，在恶劣的环境中能够实现较好的通信效果。

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