基于VLF的井下無線通信系統的研究
摘 要:闡述了煤礦井下無線通信的發展現狀,依據煤礦井下特殊工況環境,探索基于甚低頻(VLF-Very Low Frequency)通信信號的礦井無線通信系統設計實施方案.分別在通信頻率選取,噪聲干擾分析,天線選取等方面進行了探討.
關鍵詞:井下無線通信;甚低頻;頻率選取;噪聲干擾
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.一套完善,可靠的井下無線通信系統應用于煤礦地面與井下人員通信,監控和調度井下工作,以及事故發生后的人員搜救,對于煤礦提高效率,安全生產至關重要!
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的拓展也都是隨機的.井巷的走向和延伸錯綜復雜.要實現無線通信系統覆蓋整個礦井(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.
近年來國內,外一直都致力于探索,研發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所采用的技術手段有: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現了一些問題,如:信號衰減大,通信距離有限;通信網絡架設和維護費用高;系統抗干擾能力差,通信效果不好等等.最重要的是當井下發生火災,透水,瓦斯爆炸等事故時,這些通信系統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理論上則可以減少這一弊病的發生,也是被業內公認的最有發展潛力的一種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計一套基于甚低頻電磁信號的無線通信系統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.這樣在井下構建一張通信網,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,調制/解調,與人員手機和監,控設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構,它既可能有電子導電性,也可能有離子導電性.從媒質結構的角度來看,可以將其看作是一種半導體介質.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)至關重要.
巖層是層狀各向導性不同的媒質,電導率與巖層的自然分布狀態有關.例如:雙層媒質各層的電導率為: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.
巖層的電磁參數與溫度,濕度,和孔隙率等自然因素也密切相關.
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十分困難.經過計算當巖層厚度在300m左右時,一般其電導率在10-2s/m這個數量級上.
由于波動過程前的發散造成的電磁場在半導電媒質中傳輸時的衰減由電磁波衰減公式: ψ=ψ0ψe
式中 ψ0————由于電磁場球面發散的衰減;
ψe————由媒質吸收能量決定的場的指數衰減.
可知電磁場在半導電媒質中的衰減是呈指數形式的.
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增加的.在導電區內當<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,半導體媒質中通訊信號實際作用半徑并非是指數衰減,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,尤其是類介電區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.
國外有些公司的產品的透地通信距離已經可以達到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收發信號的效果,從而影響通信系統所能穿透地層跨越的最大距離.
井下生產中的開關電感性負荷比較多,如:控制綜合采煤機,運輸機,風機及其他設備的接觸器,繼電器,電磁開關,電動機,變壓器等都屬于此類負載,這些設備的開/停都會產生電流脈沖.另外,煤礦井下大負荷整流變頻電路在動力線和信號線內部也產生諧波感應電流.加上井下設備外殼接地不良,又形成與其它系統的共阻耦合干擾.這些電磁能的主要特點是瞬間沖擊強度大,作用時間短,非常容易侵入系統的弱電集成電路嚴重干擾井下通信.
井下生產現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備電纜是交叉敷設的,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,它所產生的高次諧波分量就越多,干擾越強.
2,由煤礦井下設備開關電路動作產生的電流或電壓的脈沖造成的干擾.其產生設備主要是各種交流接觸器,繼電器,晶閘開關等.
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生的漏電,接觸不良產生的電弧放電以及接地電磁屏蔽不良產生的電磁輻射等等,都會引起通信系統電源內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.電氣設備負載工作時的電流變化所產生的電磁波頻譜恰在甚低頻區域內,對甚低頻無線通信設備的干擾非常大.井下生產現場的外部電磁噪聲傳輸到通信系統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,就必須要先解決系統的抗干擾問題.
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境中一般來說由于噪聲源基本屬于同一類型所產生的噪聲能量也比較集中,基本處于一定的頻率范圍內.再者用于通信的頻段幾兆就已經足夠用了,所以在選擇通信頻段的時候應盡量避開強噪聲的集中區域.
2,增大天線發射通信信號的功率,并采用定向天線.提高發射信號的電平,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,而相關接收法是在時域上對信號進行處理的.當輸入相關器的信號和干擾電平都比較低,保證相關器處于線性工作狀態時,其抗干擾能力強于窄帶濾波,但當輸入干擾電平超過相關器的線性工作區時,其抗干擾能力明顯下降.因此,窄帶濾波器通常與相關器并用從而達到較好的抗擾作用.
5,采用高效的編碼,調制解調方式.根據井下電氣干擾的特性,采用單邊帶窄帶調制,寬帶調頻,數字調制技術等方法改善甚至提高通信質量.
6,將通信信號多次重發通過延長通信時間來換取通信的可靠性.根據香農和信息量公式: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.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,增強設備的弱信號的接收能力.采用先進的弱信號檢測,接收設備已提高信噪比.
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,因此對發射天線主要的評價標準是:當天線的輸入功率給定,發送與接收距離已設定的情況下,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.沿坑道架設幾十,幾百米的單極天線是很方便的.所以發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中低頻無線通信系統電性天線的基本型式.
接地電偶極子的原理圖
確定天線發射效率的大小,是在發射機功率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為發射機的功率.
所以,輻射器結構參數的最佳化,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層把載流導體和巖層分開,這樣使衰減常數減小和波長縮短的現象削弱,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.
接地器的電阻是決定作為發射天線的接地偶極子效率的基本參數.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.在接收狀態下的接地偶極子的主要優點是靈敏度高,輸出阻抗呈電阻性.在低頻范圍,接收狀態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,接收元件最適合在高阻值不匹配負載狀態下工作.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,結束語:
設計甚低頻井下無線通信系統應考慮到井下的特殊工況.系統的一部分設備要常年處于井下潮濕,粉塵和易燃易爆氣體濃度高,腐蝕性強的工作環境中.通信設備要在這樣的工況中長期穩定有效的工作對其各方面技術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境中的本安要求;其次,便攜手機和基站等井下設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.
移動設備還應做到外形小,重量輕,質量應限定在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.在設計中各方面都應依照井下相關的設備設計規范,標準進行.
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