基于VLF的井下無線通信系統(tǒng)的研究

THE EXPLORE OF VLF WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM IN MINE
Abstract : This paper describes the recent situation of communication system in mine . According to the special working conditions of mine , explore the suitable VLF wireless communication system underground in mine. And it studies frequency selection , noise , and antenna .
Keywords : wireless communication in mine/underground; very low frequency (VLF) ; frequency selection ; noise;
引言:
生產(chǎn)安全問題一直以來都是困擾各國煤炭開采的一個難于解決的棘手問題,而煤礦井下無線通信又是這一問題的癥結(jié).一套完善,可靠的井下無線通信系統(tǒng)應用于煤礦地面與井下人員通信,監(jiān)控和調(diào)度井下工作,以及事故發(fā)生后的人員搜救,對于煤礦提高效率,安全生產(chǎn)至關(guān)重要!
煤層一般分布于地殼的沉積巖層中,其分布和走向有著不定性和隨機性.因此,煤礦井巷的布局和后續(xù)的拓展也都是隨機的.井巷的走向和延伸錯綜復雜.要實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)覆蓋整個礦井(井筒,巷道和硐室)的目標和要求,就顯的比較困難.煤層一般處于地下幾百米甚至更遠的地方,這就要求通信系統(tǒng)所采用電磁信號要能夠穿透地層跨越這段距離到達巷道和人員工作的一線,完成通信任務(wù).
近年來國內(nèi),外一直都致力于探索,研發(fā)適合煤礦應用的無線通信體系.正在研究和已應用的煤礦通信系統(tǒng)所采用的技術(shù)手段有:1,電力線載波通信;2,感應通信;3,漏泄通信;4,甚低頻穿透地層通信.前三種通信方式應用于實踐時發(fā)現(xiàn)了一些問題,如:信號衰減大,通信距離有限;通信網(wǎng)絡(luò)架設(shè)和維護費用高;系統(tǒng)抗干擾能力差,通信效果不好等等.最重要的是當井下發(fā)生火災,透水,瓦斯爆炸等事故時,這些通信系統(tǒng)由于線路或供電體系的損壞也往往隨之陷入癱瘓,從而失去通信作用,無法用于事故后的人員搜救等工作.甚低頻穿透地層通信系統(tǒng)理論上則可以減少這一弊病的發(fā)生,也是被業(yè)內(nèi)公認的最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N適于井下應用的無線通信方式.
試驗研究表明當巖層電導率的混勻值在一定范圍內(nèi)時,甚低頻電磁信號在巖層中的傳輸距離可達幾百米以上.因此可以利用甚低頻電磁信號可穿透巖層的這一特性設(shè)計一套基于甚低頻電磁信號的無線通信系統(tǒng)用于地面與井下的通信.
在地面建立低頻通信基站向井下輻射通信信號,信號穿越巖層到達井下第一層巷道(距地面最近)的中繼基站.由此中繼基站接收信號與地面進行信息交互.同時中繼基站再將信號輻射本層巷道并與下一層和周邊基站進行通信.這樣在井下構(gòu)建一張通信網(wǎng),采用低頻無線通信基站接力的方法使通信信號到達井下最深處,并達到覆蓋整個礦井的目的.低頻通信基站要完成電磁信號的中繼,收/發(fā),調(diào)制/解調(diào),與人員手機和監(jiān),控設(shè)備通信等一系列工作.
井下通信示意圖
在井下井巷中是狹長的自然空間的通信信道,當基站向所在井巷輻射信號時可采用定向輻射的方法,以提高通信效率,減少電磁波在傳播過程中由吸收,反射,散射等現(xiàn)象引起的能量損耗.
2,通信頻率選取:
含有煤層的沉積巖層是多層結(jié)構(gòu),它既可能有電子導電性,也可能有離子導電性.從媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度來看,可以將其看作是一種半導體介質(zhì).通信的電磁波信號能否通過這個特殊的信道,巖層的電磁特性(電容率,磁導率,電導率和電阻率等)至關(guān)重要.
巖層是層狀各向?qū)圆煌拿劫|(zhì),電導率與巖層的自然分布狀態(tài)有關(guān).例如:雙層媒質(zhì)各層的電導率為:σ1和σ2,厚度為d1和d2,那么巖層縱σt,橫σn兩個方向上的電導率的平均值可由以下公式計算:
σt=(σ1 d1+σ2 d2 )/(d1+ d2 )
σn=σ1σ2(d1+ d2 )/(σ1 d2+σ1d2 )
一般來講:σt≥σn.
當考慮到更多層數(shù)時,巖層的縱σt,橫σn兩個方向上的電導率可通過公式:σt=∑σsds/D和σn= D/∑(ds/σs)求得.其中:D————層系總厚度; ds和σs————第S層的厚度和電導率.
巖層的電磁參數(shù)與溫度,濕度,和孔隙率等自然因素也密切相關(guān).
如浸透水的巖層電導率:σv=σr
式中 σr————溶液的電導率;
kv————巖層的孔隙率.
由上式,浸水巖層的電導率在很大程度上受其孔隙率kv影響,且濕度又是無時不刻不在變化,所以要確定巖層的電磁參數(shù)十分困難.經(jīng)過計算當巖層厚度在300m左右時,一般其電導率在10-2s/m這個數(shù)量級上.
由于波動過程前的發(fā)散造成的電磁場在半導電媒質(zhì)中傳輸時的衰減由電磁波衰減公式: ψ=ψ0ψe
式中 ψ0————由于電磁場球面發(fā)散的衰減;
ψe————由媒質(zhì)吸收能量決定的場的指數(shù)衰減.
可知電磁場在半導電媒質(zhì)中的衰減是呈指數(shù)形式的.
但當衰減約為4π奈培時,場的最小顯示半徑為: R0min=
是隨頻率的降低而單調(diào)增加的.在導電區(qū)內(nèi)當0.2時,場的顯示半徑公式R0=[2]1/2,而當→∞時,顯示半徑R0→∞.所以說隨工作頻率的降低,半導體媒質(zhì)中通訊信號實際作用半徑并非是指數(shù)衰減,而是場的擴展引起的衰減.
綜上,在采用適合的甚低頻頻率時無線電磁波可實現(xiàn)的傳輸距離R≤(1~2)λ,其中:λ為電磁波波長.在本征半導電區(qū),尤其是類介電區(qū)電磁場的半徑變得比波長大得多.當頻率選擇在小于10KHZ的甚低頻時,電磁波穿透巖層的距離可以達到300-400米甚至更遠.
國外有些公司的產(chǎn)品的透地通信距離已經(jīng)可以達到270英尺(82.3米)左右.雖然這一距離還無法滿足一般的煤礦通信要求,但是這一成果為此通信方案的前景提供了強有力的實踐證明.
3,噪聲干擾分析:
影響通信系統(tǒng)可靠性的重要因素還有噪聲干擾,它直接左右甚低頻通信系統(tǒng)收發(fā)信號的效果,從而影響通信系統(tǒng)所能穿透地層跨越的最大距離.
井下生產(chǎn)中的開關(guān)電感性負荷比較多,如:控制綜合采煤機,運輸機,風機及其他設(shè)備的接觸器,繼電器,電磁開關(guān),電動機,變壓器等都屬于此類負載,這些設(shè)備的開/停都會產(chǎn)生電流脈沖.另外,煤礦井下大負荷整流變頻電路在動力線和信號線內(nèi)部也產(chǎn)生諧波感應電流.加上井下設(shè)備外殼接地不良,又形成與其它系統(tǒng)的共阻耦合干擾.這些電磁能的主要特點是瞬間沖擊強度大,作用時間短,非常容易侵入系統(tǒng)的弱電集成電路嚴重干擾井下通信.
井下生產(chǎn)現(xiàn)場的干擾源可粗略分為以下幾種:
1,電源干擾.礦井下大功率傳輸設(shè)備電纜是交叉敷設(shè)的,只要通信線路有一部分與之向平行時就可能受到二頻干擾.干擾源的工頻波形失真越大,它所產(chǎn)生的高次諧波分量就越多,干擾越強.
2,由煤礦井下設(shè)備開關(guān)電路動作產(chǎn)生的電流或電壓的脈沖造成的干擾.其產(chǎn)生設(shè)備主要是各種交流接觸器,繼電器,晶閘開關(guān)等.
3,井下特殊工況的電磁干擾.如用電器絕緣包裹性能下降產(chǎn)生的漏電,接觸不良產(chǎn)生的電弧放電以及接地電磁屏蔽不良產(chǎn)生的電磁輻射等等,都會引起通信系統(tǒng)電源內(nèi)部或傳輸線的感應電流和脈沖.
4,天然干擾.如雷電放電在巖層中感應出的寬頻譜電磁場,以及大地的恒定電磁場.
其中一些干擾源具有頻譜寬,電平高的特點.電氣設(shè)備負載工作時的電流變化所產(chǎn)生的電磁波頻譜恰在甚低頻區(qū)域內(nèi),對甚低頻無線通信設(shè)備的干擾非常大.井下生產(chǎn)現(xiàn)場的外部電磁噪聲傳輸?shù)酵ㄐ畔到y(tǒng)的方式和途徑通常是導線傳導,阻抗耦合,電場耦合,磁場耦合.
為了建立一個高效,可靠的礦井通信系統(tǒng),就必須要先解決系統(tǒng)的抗干擾問題.
可采用的抗干擾方法有以下幾種:
1,選擇合適的通信頻段.在井下這個特定的工作環(huán)境中一般來說由于噪聲源基本屬于同一類型所產(chǎn)生的噪聲能量也比較集中,基本處于一定的頻率范圍內(nèi).再者用于通信的頻段幾兆就已經(jīng)足夠用了,所以在選擇通信頻段的時候應盡量避開強噪聲的集中區(qū)域.
2,增大天線發(fā)射通信信號的功率,并采用定向天線.提高發(fā)射信號的電平,增加信噪比,利用定向天線進行空間選擇,抑制噪聲干擾的作用.
3,應用窄帶濾波器進行頻率選擇.這種自適應濾波器的通帶始終和輸入信號頻帶寬自適應相匹配,從而減小井下各種電機噪聲對通信信號的干擾.
4,應用相關(guān)器進行波形選擇.窄帶濾波器是在頻域上對信號進行處理,而相關(guān)接收法是在時域上對信號進行處理的.當輸入相關(guān)器的信號和干擾電平都比較低,保證相關(guān)器處于線性工作狀態(tài)時,其抗干擾能力強于窄帶濾波,但當輸入干擾電平超過相關(guān)器的線性工作區(qū)時,其抗干擾能力明顯下降.因此,窄帶濾波器通常與相關(guān)器并用從而達到較好的抗擾作用.
5,采用高效的編碼,調(diào)制解調(diào)方式.根據(jù)井下電氣干擾的特性,采用單邊帶窄帶調(diào)制,寬帶調(diào)頻,數(shù)字調(diào)制技術(shù)等方法改善甚至提高通信質(zhì)量.
6,將通信信號多次重發(fā)通過延長通信時間來換取通信的可靠性.根據(jù)香農(nóng)和信息量公式:I= T C =T B log2(1+S/N)
其中:I——信息量;T——時間;C——信道容量;B——傳輸帶寬;S/N——信噪比;
不難看出當信道傳輸信息量一定且信噪比和帶寬很小的情況下,可以通過增加傳輸時間T來完成通信任務(wù).以起到抑制噪聲干擾的作用.同樣,也可以同時增加時間T和傳輸帶寬B的方式改善信噪比S/N不足帶來的對通信的影響.
7,增強設(shè)備的弱信號的接收能力.采用先進的弱信號檢測,接收設(shè)備已提高信噪比.
通過這幾種降噪方法的綜合應用可減少電磁噪聲對甚低頻通信系統(tǒng)的干擾程度.
4,天線選取:
在甚低頻井下通信中,由于地層對電磁波的吸收非常嚴重,到達接收點的信號十分微弱,因此對發(fā)射天線主要的評價標準是:當天線的輸入功率給定,發(fā)送與接收距離已設(shè)定的情況下,能在接收點獲得盡可能大的場強.通常井下巷道的長度都在幾十米以上,甚至幾百米.沿坑道架設(shè)幾十,幾百米的單極天線是很方便的.所以發(fā)射天線可采用水平放置的終端短路單極天線,即接地電偶極子.
接地電偶極子是半導電媒質(zhì)中低頻無線通信系統(tǒng)電性天線的基本型式.
接地電偶極子的原理圖
確定天線發(fā)射效率的大小,是在發(fā)射機功率P一定時,天線所激勵的有用信號在接收點的場強電平.在傳輸距離超過天線幾何尺寸的情況下,接收器上任意一個場分量的計算公式為:
E=Dm
式中:D為輻射器的電流矩;m為標準電流矩D=1的輻射器場的計算比值.
電性輻射器電流矩的表達式為:
式中:I0為輻射器的輸入電流;hef為輻射器的有效高度;R為輸入電阻;P為發(fā)射機的功率.
所以,輻射器結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳化,就在于要保證天線有最大的有效高度和最小的輸入電阻,這些都有助于增大電流矩D和場強E.
絕緣導體做成的輻射器放在井下巷道的大氣中時,使接地電偶極子的有效高度hef大大增加,相當于用一個電介質(zhì)層把載流導體和巖層分開,這樣使衰減常數(shù)減小和波長縮短的現(xiàn)象削弱,而沿天線傳播的波阻抗增加.這有助于電磁場沿輻射器長度均勻分布在相當寬率范圍內(nèi).
接地器的電阻是決定作為發(fā)射天線的接地偶極子效率的基本參數(shù).隨著這個電阻的減小,輻射器的電流矩會增大.
通過增加接地電極的面積和數(shù)目,改善電極與巖層的接觸,如加大量的濃鹽水浸濕電極表面,就能達到降低接地電阻的目的.
接收天線是這樣一種裝置,當其置于電磁場中時,能從場中獲取能量.在接收狀態(tài)下的接地偶極子的主要優(yōu)點是靈敏度高,輸出阻抗呈電阻性.在低頻范圍,接收狀態(tài)下的接地偶極子的輸出電阻決定于接地極的散流電阻.因為在很大程度上散流電阻決定于周圍巖層的參數(shù),接收元件最適合在高阻值不匹配負載狀態(tài)下工作.而起著負載作用的接收元件是接收機的輸入阻抗,它很容易達到幾十千歐姆.因此也就降低了對接地極散電阻的要求,用不大的金屬板或金屬棒作為接地裝置就可滿足要求.
接收天線裝置作為把電磁場能量變換成接收機輸入端有用信號的一個能量變換器,它的效率可以用有效高度hef來估算,對于接地電偶極子,其有效高度的表達式為:
式中,Ve——接收天線端點上信號的電平;E——接收點上的電場強度的分量.可見電性天線的有效高度等于天線的全長.
5,結(jié)束語:
設(shè)計甚低頻井下無線通信系統(tǒng)應考慮到井下的特殊工況.系統(tǒng)的一部分設(shè)備要常年處于井下潮濕,粉塵和易燃易爆氣體濃度高,腐蝕性強的工作環(huán)境中.通信設(shè)備要在這樣的工況中長期穩(wěn)定有效的工作對其各方面技術(shù)指標要求是非常苛刻的.
首先要做到防爆,運行在井下巷道中的設(shè)備最高功率要限定在5-10瓦左右才能滿足煤礦井下易爆環(huán)境中的本安要求;其次,便攜手機和基站等井下設(shè)備的密封性一定要好,以防止水氣,粉塵和腐蝕氣體的侵蝕;另外,外殼要堅固,能抵御強沖擊力和高溫炙烤.
移動設(shè)備還應做到外形小,重量輕,質(zhì)量應限定在0.5-1公斤.基站和天線裝置尺寸也應盡量的小,至少不應干擾到井下開采工作的正常進行.在設(shè)計中各方面都應依照井下相關(guān)的設(shè)備設(shè)計規(guī)范,標準進行.
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