透地无线通信系统关键技术研究

Through-the-earth communication system is the most reliable method to guarantee the emergency rescue to be effective and in time when mine disaster occurs. A pressing technical difficulty is a design of miniaturization and low power-consumption. Research will be carried out in the following key directions: 1. The wave equation of Hertz magnetic potential will be resolved, and then the propagation properties of the magnetic dipole’s near magnetic field in layered ground can be obtained. Furthermore, the system transfer characteristics can be obtained by investigating the characteristics of the transmitting and receiving antennas, as well as the propagating rules of magnetic field in communication channels. 2. The miniaturization of the transmitting coil will be realized by loading it with magnetic core. The parameters including material, geometric form, dimension of the magnetic core and the structure of the coil will be optimized according to the system requirement of penetrating depth, power-consumption and so on. The tuned antenna array will also be investigated to improve transmitting efficiency. 3.Magnetic antenna will be used as main receiving antenna while electronic antenna will be used as reference receiving antenna. To improve the signal to noise ratio, the united receiving method utilizing both antennas and the self-adaptive filtering method will be used to implement the cancellation or suppression of noise. The design of the magnetic and electronic antennas and their distribution will be optimized according to the system requirements of sensitivity and bandwidth.

透地无线通信系统是保障矿山应急救援通信的最可靠手段，其亟待突破的技术难点是小型化、低功耗设计。本课题拟在以下几个关键方向开展研究：1、通过求解赫兹磁势的波动方程获取磁偶极子的近场磁场在分层地层中的传播特性，利用收发天线的接收、发射特性参数及磁场在信道中的传播特性来获取系统传输特性；2、利用磁芯加载实现发射线圈小型化，根据穿透深度、功耗等系统参数的要求对磁芯材料、几何形状、尺寸及线圈结构等参数进行优化设计，并考虑设计调谐式阵列以提高发射效率；3、采用磁天线为主、电天线为辅的联合接收方式和自适应滤波算法实现噪声的对消或抑制，以改善接收信噪比，磁、电天线及二者的布局根据接收灵敏度、带宽等系统参数的要求进行优化设计。

我国是产煤大国，煤矿安全问题备受关注。矿难发生时，救援工作的时效性全靠通讯系统保障，因此通讯系统对于保障煤矿安全有着极为重要的作用。现代煤矿的井上和井下综合通讯监控系统均为有线形式，其抗突发事故破坏能力弱，矿难发生时线路极易遭到破坏，地面与井下的通讯就会完全中断，导致救援工作的开展困难重重。如果能够穿透地层在地面和井下通过无线方式建立通讯链路，就可以弥补现有矿井通讯系统的不足，保障应急救援的顺利展开，因此现代矿井对于这类应急无线通讯系统的需求十分迫切。.本项目面向矿井应急无线通信需求，开展透地无线通信技术研究，攻克了低频电磁波在分层媒质中的传播规律、发射天线的小型化设计、磁电天线联合接收、噪声对消抑制等关键技术，成功研制出透地无线通信系统样机。本项目主要的研究内容包括：近场磁场在多层分层媒质中的传播及透地通信信道的传输特性，磁芯加载发射线圈及其阵列的优化设计方法，磁、电联合的参考式接收天线的优化设计方法，噪声对消与抑制方法在透地无线通信信号检测中的应用以及不同调制及编码方式在透地通信系统中的应用。.本项目研究过程中推导了电磁波在分层地层中的传播特性，分析了上行链路和下行链路电磁场在空间的分布，为透地无线通信系统的设计提供了理论支持；提出并实现了利用磁芯加载实现发射天线小型化的技术，提出并实现了磁、电联合及磁、磁联合接收并利用自适应技术抑制噪声的方法，为透地无线通信系统的小型化提供了新的思路；开展了系统测试与试验，获得了丰富的实验数据，为透地无线通信技术的发展提供了数据支撑。本项目的研究成果能够有力促进透地无线通信技术的发展，并可广泛应用于矿井、地铁、隧道、水下等领域的无线通信，为保障人民生命财产安全和国防安全贡献力量。