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(gè)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(yīng)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(duì)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(jī)性.因此,煤礦井巷的布局和后續(xù)的拓展也都是隨機(jī)的.井巷的走向和延伸錯(cuò)綜復(fù)雜.要實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)覆蓋整個(gè)礦井(井筒,巷道和硐室)的目標(biāo)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(yuǎn)的地方,這就要求通信系統(tǒng)所采用電磁信號(hào)要能夠穿透地層跨越這段距離到達(dá)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(yīng)用的無線通信體系.正在研究和已應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于實(shí)踐時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些問題,如:信號(hào)衰減大,通信距離有限;通信網(wǎng)絡(luò)架設(shè)和維護(hù)費(fèi)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(dāng)井下發(fā)生火災(zāi),透水,瓦斯爆炸等事故時(shí),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(rèn)的最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N適于井下應(yīng)用的無線通信方式.
試驗(yàn)研究表明當(dāng)巖層電導(dǎo)率的混勻值在一定范圍內(nèi)時(shí),甚低頻電磁信號(hào)在巖層中的傳輸距離可達(dá)幾百米以上.因此可以利用甚低頻電磁信號(hào)可穿透巖層的這一特性設(shè)計(jì)一套基于甚低頻電磁信號(hào)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(hào),信號(hào)穿越巖層到達(dá)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(hào)與地面進(jìn)行信息交互.同時(shí)中繼基站再將信號(hào)輻射本層巷道并與下一層和周邊基站進(jìn)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(hào)到達(dá)井下最深處,并達(dá)到覆蓋整個(gè)礦井的目的.低頻通信基站要完成電磁信號(hào)的中繼,收/發(fā),調(diào)制/解調(diào),與人員手機(jī)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(zhǎng)的自然空間的通信信道,當(dāng)基站向所在井巷輻射信號(hào)時(shí)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(dǎo)電性,也可能有離子導(dǎo)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(dǎo)體介質(zhì).通信的電磁波信號(hào)能否通過這個(gè)特殊的信道,巖層的電磁特性(電容率,磁導(dǎo)率,電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率為:σ1和σ2,厚度為d1和d2,那么巖層縱σt,橫σn兩個(gè)方向上的電導(dǎo)率的平均值可由以下公式計(jì)算:
σt=(σ1 d1+σ2 d2 )/(d1+ d2 )
σn=σ1σ2(d1+ d2 )/(σ1 d2+σ1d2 )
一般來講:σt≥σn.
當(dāng)考慮到更多層數(shù)時(shí),巖層的縱σt,橫σn兩個(gè)方向上的電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率:σv=σr
式中 σr————溶液的電導(dǎo)率;
kv————巖層的孔隙率.
由上式,浸水巖層的電導(dǎo)率在很大程度上受其孔隙率kv影響,且濕度又是無時(shí)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(jì)算當(dāng)巖層厚度在300m左右時(shí),一般其電導(dǎo)率在10-2s/m這個(gè)數(shù)量級(jí)上.
由于波動(dòng)過程前的發(fā)散造成的電磁場(chǎng)在半導(dǎo)電媒質(zhì)中傳輸時(shí)的衰減由電磁波衰減公式: ψ=ψ0ψe
式中 ψ0————由于電磁場(chǎng)球面發(fā)散的衰減;
ψe————由媒質(zhì)吸收能量決定的場(chǎng)的指數(shù)衰減.
可知電磁場(chǎng)在半導(dǎo)電媒質(zhì)中的衰減是呈指數(shù)形式的.
但當(dāng)衰減約為4π奈培時(shí),場(chǎng)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(dǎo)電區(qū)內(nèi)當(dāng)0.2時(shí),場(chǎng)的顯示半徑公式R0=[2]1/2,而當(dāng)→∞時(shí),顯示半徑R0→∞.所以說隨工作頻率的降低,半導(dǎo)體媒質(zhì)中通訊信號(hào)實(shí)際作用半徑并非是指數(shù)衰減,而是場(chǎng)的擴(kuò)展引起的衰減.
綜上,在采用適合的甚低頻頻率時(shí)無線電磁波可實(shí)現(xiàn)的傳輸距離R≤(1~2)λ,其中:λ為電磁波波長(zhǎng).在本征半導(dǎo)電區(qū),尤其是類介電區(qū)電磁場(chǎng)的半徑變得比波長(zhǎng)大得多.當(dāng)頻率選擇在小于10KHZ的甚低頻時(shí),電磁波穿透巖層的距離可以達(dá)到300-400米甚至更遠(yuǎn).
國外有些公司的產(chǎn)品的透地通信距離已經(jīng)可以達(dá)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(qiáng)有力的實(shí)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(hào)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(fù)荷比較多,如:控制綜合采煤機(jī),運(yùn)輸機(jī),風(fēng)機(jī)及其他設(shè)備的接觸器,繼電器,電磁開關(guān),電動(dòng)機(jī),變壓器等都屬于此類負(fù)載,這些設(shè)備的開/停都會(huì)產(chǎn)生電流脈沖.另外,煤礦井下大負(fù)荷整流變頻電路在動(dòng)力線和信號(hào)線內(nèi)部也產(chǎn)生諧波感應(yīng)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(diǎn)是瞬間沖擊強(qiáng)度大,作用時(shí)間短,非常容易侵入系統(tǒng)的弱電集成電路嚴(yán)重干擾井下通信.
井下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(qiáng).
2,由煤礦井下設(shè)備開關(guān)電路動(dòng)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(huì)引起通信系統(tǒng)電源內(nèi)部或傳輸線的感應(yīng)電流和脈沖.
4,天然干擾.如雷電放電在巖層中感應(yīng)出的寬頻譜電磁場(chǎng),以及大地的恒定電磁場(chǎng).
其中一些干擾源具有頻譜寬,電平高的特點(diǎn).電氣設(shè)備負(fù)載工作時(shí)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(duì)甚低頻無線通信設(shè)備的干擾非常大.井下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)線傳導(dǎo),阻抗耦合,電場(chǎng)耦合,磁場(chǎng)耦合.
為了建立一個(gè)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(gè)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(shí)候應(yīng)盡量避開強(qiáng)噪聲的集中區(qū)域.
2,增大天線發(fā)射通信信號(hào)的功率,并采用定向天線.提高發(fā)射信號(hào)的電平,增加信噪比,利用定向天線進(jìn)行空間選擇,抑制噪聲干擾的作用.
3,應(yīng)用窄帶濾波器進(jìn)行頻率選擇.這種自適應(yīng)濾波器的通帶始終和輸入信號(hào)頻帶寬自適應(yīng)相匹配,從而減小井下各種電機(jī)噪聲對(duì)通信信號(hào)的干擾.
4,應(yīng)用相關(guān)器進(jìn)行波形選擇.窄帶濾波器是在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,而相關(guān)接收法是在時(shí)域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的.當(dāng)輸入相關(guān)器的信號(hào)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(shí),其抗干擾能力強(qiáng)于窄帶濾波,但當(dāng)輸入干擾電平超過相關(guān)器的線性工作區(qū)時(shí),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(dá)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(hào)多次重發(fā)通過延長(zhǎng)通信時(shí)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(shí)間;C——信道容量;B——傳輸帶寬;S/N——信噪比;
不難看出當(dāng)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(shí)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(shí)增加時(shí)間T和傳輸帶寬B的方式改善信噪比S/N不足帶來的對(duì)通信的影響.
7,增強(qiáng)設(shè)備的弱信號(hào)的接收能力.采用先進(jìn)的弱信號(hào)檢測(cè),接收設(shè)備已提高信噪比.
通過這幾種降噪方法的綜合應(yīng)用可減少電磁噪聲對(duì)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(duì)電磁波的吸收非常嚴(yán)重,到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)十分微弱,因此對(duì)發(fā)射天線主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是:當(dāng)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(diǎn)獲得盡可能大的場(chǎng)強(qiáng).通常井下巷道的長(zhǎng)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(dǎo)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(jī)功率P一定時(shí),天線所激勵(lì)的有用信號(hào)在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)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(gè)場(chǎng)分量的計(jì)算公式為:
E=Dm
式中:D為輻射器的電流矩;m為標(biāo)準(zhǔn)電流矩D=1的輻射器場(chǎng)的計(jì)算比值.
電性輻射器電流矩的表達(dá)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(jī)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(chǎng)強(qiáng)E.
絕緣導(dǎo)體做成的輻射器放在井下巷道的大氣中時(shí),使接地電偶極子的有效高度hef大大增加,相當(dāng)于用一個(gè)電介質(zhì)層把載流導(dǎo)體和巖層分開,這樣使衰減常數(shù)減小和波長(zhǎng)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(chǎng)沿輻射器長(zhǎng)度均勻分布在相當(dāng)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(gè)電阻的減小,輻射器的電流矩會(huì)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(dá)到降低接地電阻的目的.
接收天線是這樣一種裝置,當(dāng)其置于電磁場(chǎng)中時(shí),能從場(chǎng)中獲取能量.在接收狀態(tài)下的接地偶極子的主要優(yōu)點(diǎn)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?yàn)樵诤艽蟪潭壬仙⒘麟娮铔Q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(fù)載狀態(tài)下工作.而起著負(fù)載作用的接收元件是接收機(jī)的輸入阻抗,它很容易達(dá)到幾十千歐姆.因此也就降低了對(duì)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(chǎng)能量變換成接收機(jī)輸入端有用信號(hào)的一個(gè)能量變換器,它的效率可以用有效高度hef來估算,對(duì)于接地電偶極子,其有效高度的表達(dá)式為:
式中,Ve——接收天線端點(diǎn)上信號(hào)的電平;E——接收點(diǎn)上的電場(chǎng)強(qiáng)度的分量.可見電性天線的有效高度等于天線的全長(zhǎng).
5,結(jié)束語:
設(shè)計(jì)甚低頻井下無線通信系統(tǒng)應(yīng)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(qiáng)的工作環(huán)境中.通信設(shè)備要在這樣的工況中長(zhǎng)期穩(wěn)定有效的工作對(duì)其各方面技術(shù)指標(biāo)要求是非?？量痰?
首先要做到防爆,運(yùn)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(jī)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(jiān)固,能抵御強(qiáng)沖擊力和高溫炙烤.
移動(dòng)設(shè)備還應(yīng)做到外形小,重量輕,質(zhì)量應(yīng)限定在0.5-1公斤.基站和天線裝置尺寸也應(yīng)盡量的小,至少不應(yīng)干擾到井下開采工作的正常進(jìn)行.在設(shè)計(jì)中各方面都應(yīng)依照井下相關(guān)的設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.
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