基于弱磁传感的透地通信技术

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摘要 简述透地通信技术的应用场合及现有天线磁感应电磁波透地通信技术的缺点，重点介绍了基于弱磁传感的透地通信技术、相关参数分析计算、针对现有技术缺点的优势说明，展望了弱磁传感透地通信设备的应用前景。

【关键词】透地通信 铯光泵 线圈 地磁场

随着社会的快速发展，地下设施越来越多，例如：地铁、地下商场、隧道等，一旦发生事故，通信设施在事故中遭到破坏，必然造成通信瘫痪，导致无法对被困人员的状况、位置准确了解，给救援工作造成了极大的困难。因此，以大地为信道的透地通信系统是应用于此类事故救援的一种安全可靠的通信系统。

1 目前透地通信系统及其缺点

目前国内外研究的透地通信方式主要有3种：

（1）天线磁感应电磁波透地通信;

（2）地电极电流注入的地电场透地通信;

（3）以机械振动波为信息载体的弹性波透地通信。

3种方式都存在不同程度的传输衰耗、地层介质影响、功耗体积等问题，综合考量，国内外大多数研究集中于第1种方式，技术也较为成熟。例如加拿大Vital Alert公司推出的Canary Talk系列产品，是目前业界最成熟和最先进的透地通讯设备，语音通信距离可到300米，数据通信可到450米，图1所示，在地表和地下分别架设环形天线，Canary Talk作为发射接收装置实现双向通信，支持多个终端之间通信。

天线磁感应电磁波透地通信技术是采用电磁波经地层进行信号传输，电磁波经地层衰耗很大，有效信号非常弱，一般采用甚低频频段，该频段电磁波波长较长，传输所需的天线尺寸大、效率低，受地下空间条件的影响，安装方式必定受到限制，同时地下设备在功率、电流、射频功率等方面均有严格的安全规范要求，功率过大就不适合在地下使用，通信距离也存在一定限制。

2 基于弱磁传感的透地通信技术

地球是个强磁体，磁场基本均匀（ 50000nT左右）地分布在各处，某一位置的磁场变化会引起一定距离内其它位置的磁场的变化，这种变化具有相同的变化规律，例如大小、变化周期等，且不会受地层、水、空气的影响，只要在需要通信的地方的一端设置可以引发特定规律磁场变化的发射装置，另一端设置可以检测这种特定规律磁场变化的接收装置，就可以实现信息的传输。

基于弱磁传感的透地通信技术就是利用上述原理以地磁场作为传输介质的通信方式，发射装置使用通电线圈，线圈通过带有调制信号信息的电流可以产生特定规律的地磁场变化，接受装置使用铯光泵磁传感器，这类传感器可以检测地磁场的强度，以正弦波的形式输出，线圈引发的地磁场强度变化表现为铯光泵磁传感器输出正弦波的频率变化，且二者具有线性相关性，类似FM调制，通过频谱解调分析就可以获得调制信号信息，这对于现代通信数字信号处理解调技术没有任何技术难点。结合现有的通信装置，即可以实现通信。图2所示，在地表和地下分别架设一组线圈、铯光泵及发射接收装置，即可实现多个终端之间的通信。

目前铯光泵磁传感器精度可以达到0.002nT（0.01- 1Hz带宽），响应速率达到50-400Hz，理论通信带宽可以达到400bit，考虑到滤波器采样噪声的影响，铯光泵磁传感器依据实验室结果在带宽使用300Hz时精度会降到0.02nT左右，基于这个数据，发射端通电线圈只要能在接收端铯光泵处产生幅度大于0.02nT、变化周期小于300 Hz的磁场变化即可实现信息传输，以现有的语音及数据压缩技术，300 bit的速率足以实现语音及数据通信。

设通电线圈半径为a，通电电流为I，总匝数为N，p为螺线管外一点，则通电线圈在p点产生的磁场只有在z轴即线圈轴线方向上有磁场。依据毕奥.萨伐尔定律，此时p点处的磁场强度为：

实际使用情况中，线圈与地磁场不会在同一轴线上，两者会有一定的夹角θ。由于地磁场远大于线圈p点处的磁场，则p点处对于地磁场的影响可以近似为线圈p点处的磁场在地磁场方向上的分量，则P点处的地磁场变化为：

△B=Bcose0

（3）

依据式（2）、（3），线圈半径取1.5m、匝数取500、电流取5A、夹角θ取30 °，以450m距离计算，p点处地磁场变化强度AB为0.027nT，满足铯光泵磁传感器检测及通信的要求。

对于地下设备，体积功耗都是重要的衡量指标。铯光泵传感器功耗约为30w，体积较线圈可以忽略不计，所以于弱磁传感的透地通信设备的体积功耗主要集中于线圈。以5mm直径铜线（电阻0.0009Ω/m）作为材料，线圈半径取1.5m、匝数取500、电流取5A计算，线圈长度为2.5m，高度为3m，线圈铜线总电阻为4.23Q，线圈峰值功率为152.3w，整个发射接收装置的总功率在200w以内，体积为2.5x3x3m，放置于8-lOm2的设备间或地下避难所完全没有问题。相对于其它透地通信设备几百瓦功率或者几十米天线的情况，基于弱磁传感的透地通信设备在地下空间的使用具有一定的优势，同时，根据式（2）、（3），在条件允许的情况下，增加线圈电流、匝数及半径，或者优化线圈的位置以减小θ，则通信距离可以进一步增加，甚至可以达到lkm以上。为满足便携式的需要，将线圈设计成多段组合且可以快速收纳或展开的形式，也是一种可采取的手段。

3 结束语

国内外对透地通信的研究多是集中在天线磁感应近场电磁波透地通信，利用地磁场弱磁传感进行透地通信的研究极少。地磁场在地壳中传输衰减不受介质影响，说明地磁场在大地中具有较为優良的载波特性，也可用于水下，同时，地磁场的检测装置铯光泵磁传感器技术较为成熟，技术指标完全达到透地通信的基本要求。因此基于弱磁传感的透地通信技术将是这个领域新的突破点，应用前景良好。

参考文献

[1]郝建军，几种透地通信技术的分析与对比[A].湖南科技大学学报（自然科学版），2014，29（01）：59-62.

[2]孙红雨.透地通信系统研究进展[A].山东科技大学学报（自然科学版），2011，30（03）：79-85.