1天线磁感应方式
地层介质对电磁波的衰减很大，而且频率越高衰减越严重．W．C．Pritchett在测试射频电磁波(1．65MHz)在地层的衰减得到石灰岩中电磁波的平均衰减约为0．086Neper/Ft(2．49dB/m)，页岩中平均衰减为0．231Neper/Ft(6．6dB/m)［3］．上世纪70年代开始，在美国内政部地矿局(BureauofMines)的资助下，Ｒ．Wait和G．Geyer等对电磁波在大地中传播进行了许多研究［4－7］，得到接收天线的磁场耦合强度算式:式中，i为发射天线电流，a为发射天线面积，s为透地深度，β为大地的衰减因子，σ为岩层介电常数，μ为介质磁导率，ω为电磁波角频率，I0(x)和I1(x)分别为零阶和1阶贝塞尔函数．当大地为完全绝缘介质时，β=1，此时接收天线上的垂直磁场强度最高，岩层电导率越大，Hz越小，ω越大，Hz越小．JohnDurkin等根据算式(1)和大地介质实测数据模型［8－9］，得到信号在630Hz时的衰减约0．1dB/m，3030Hz时大约0．13dB/m，说明在超低频频段的衰减远低于文献［3］的中频段的衰减．20世纪90年代澳大利亚镁思锑技术公司开发的PED(PersonalEmergencyDevice—个人急救设备)应急指挥寻呼系统，单向透地距离可达800m，正常通信速率0．5byte/s，加拿大VitalAlert公司也推出了自己的Canary系列透地通信产品．2005年Barkand等在一个石灰岩矿和运行中的煤矿中对“Telemag”半双工透地通信原型系统进行了测试研究，该系统用500Hz带宽实现了实时语音通信文献［10－11］．此后PED和Canary2系统也宣布能实现短距离语音通信．2011年开始LockheedMartin公司、StolarHorizone公司、UltraElectronics公司等也陆续研制出各自的透地通信系统．国内从事透地通信持续研究的学者并不多，而且绝大多数都是从事低频电磁波方向的，如张清毅于1999年用环形天线方式对透地通信的信道特性进行过研究［12］，陶晋宜于1999年到2000年对电磁波透地通信方案及系统装置方面进行过研究［13］，陈鹏等从事电磁波透地传输FDTD方法模拟的研究［14］．天线磁感应方式透地通信的优势:1)由于使用的环形天线尺寸很大，因此覆盖区域较大;2)因为地介质电导率越小，电磁波传播衰减越小，因此此透地方式受疏松地层影响较小．其缺点:1)需要大尺寸天线．由于天线的尺寸与辐射电磁波的波长相关，低频电磁波的波长很大，因此一般需巨型的环形天线．PED系统的发射端天线直径一般十几公里，Canary系统GO系列的天线尺寸也需61m直径;2)能量效率低;一般来说发射机应该工作在谐振状态，这样辐射效率会高，但这需要谐振电路的品质因数值很高，又会影响通信信号的带宽，这是一对无法解决的矛盾．最近有学者提出的磁导(Magneticinduction)通信方式用于地下通信，如Jack等［15］研究了其用于透地通信的可行性，SunZhi提出了基于磁感应的无线地下传感网络，分析了磁导透地通信的信道模型与系统容量［16］．SeokBae等则设计了一种用于透地通信的铁氧体磁发射天线［17］，这些磁通信技术主要是借鉴了近场磁通信技术，都处于理论探讨或实验室试验阶段，接收端采用效率较高的霍尔传感器、磁通量闸门探测器或螺旋天线，使用极低的信号频率．而实际上LockheedMartin公司也称他们的Magnelink系统是磁通信系统，接收端用的是环形天线，在很低的频率(VeryLowFrequency简写为VLF)的情况下是磁感应通信．
2地电极电流场方式
该通信方式是一种利用低频电流信号的透地通信，发送端和接收端都使用插入地下的2组电极进行信号的发送和接收，如图1所示．地电极透地通信方式本质是利用电场电流承载信息数据，当载波频率较低时，场电流以传导电流为主，但当载波频率较高时，场电流以位移电流为主，此时导线、电极和大地构成回路相当于环形天线，因此其本质也是近场电磁波通信．这方面最早的研究是从20世纪60－70年代一些学者探索天线埋入地下的传播性能开始的，1996年J．Hurni等在阿尔卑斯山的Holloch山洞搭建了一套用电极做天线的无线穿岩通信系统，用中继的方式成功地穿透900m岩层，而用环形天线不能成功［18］．这可能是最早报道的地电极方式透地通信系统．西班牙Zaragona大学的GTE工作小组在这方面进行了很多研究，也开发过TEDＲA洞穴通信试验系统［19］．Bataller等在接地阻抗等方面进行过一些研究［20－21］．2003年Gibson指出在VLF波段这种方式比天线磁感应方式具有更高的能量利用效率［22］．地电极透地通信方式的透地深度与地层的电导率、信号频率、注入大地的电流强度、电极与土壤的接触阻抗以及电极的材质与形状等因素有关，接收机的灵敏度与接收端电极间距和电极与土壤的接触阻抗有关，2电极的距离越远，检测到的电压值越大，电极与土壤的接触阻抗越小，检测到的电压值越大．接收端检测电压为［23］Vrx=V2ZCltxlrx4πσr31+γr+γ2r()2e－γr．(3)式中，V为发射端2电极间的电压，ZC为电极与土壤接触阻抗，ltx与lrx分别为发送端和接收端的电极跨距(同一方向上，如果接收端电极与发送端电极方向不同，则将接收端电极实际跨距乘以与发送电极之间夹角的余弦)，r为接收机所处位置的深度，σ为大地介质的电导率，γ为传播因子，γjωμσ，ω为信号角频率，μ为大地介质的磁导率．
3弹性波方式
最早提到利用弹性波进行透地通信的是美国内政部地矿局的资料通报［24］，2005年M．Ge详细地提出了一种关于用对接收信号的处理实现对被困矿工敲击重物产生的振动进行定位的方法，其原理是利用机械振动产生的弹性波传递信息，本课题组自2008年开始弹性波透地通信技术的研究，在信道特性方面取得了一些成果［26－29］．弹性波在地层中传播衰减的主要原因有波前扩散、大地介质的分层性、不均匀性、非完全弹性等等，其中波前扩散、散射和介质吸收是造成信号损失的主要因素，尤以地层非完全弹性造成的介质吸收为最．只考虑介质吸收情况下弹性波在各向同性介质中振幅的衰减为式中，A0=A(x)x=0，表示信号源幅度．衰减的快慢取决于系数α，α称为弹性波的衰减系数．为了描述介质吸收程度的强弱，引入了一个无量纲的品质因子QE，它是用来度量介质中振动或波动能量的非弹性衰减率的物理量，是介质所固有的特性．定义QE为式中，E为地层介质储能，ΔE为耗散能．根据Futterman模型［30］，假定弹性波传播速度在每层内是不变的，地震波经过传播Δz距离后的波场为τ是层内传播距离Δz的传播时间，v是相速度，ω为角频率，QE是该层的品质因数，因此上式可写成P(ω，z+Δz)=P(ω，z)exp{［1+j2QE］(jωΔz/v(ω，z)}．(7)以矿山上覆层常见的砂岩为例，设砂岩品质因子QE为40，纵波速度2000m/s，由式(6)计算出弹性波的吸收衰减:630Hz，0．212dB/m，3030Hz，1.02dB/s，都大于电磁波的传播衰减．其实弹性波的传播衰减不只是介质吸收衰减，还包括波前扩散衰减、界面反射衰减以及散射衰减．总体考虑弹性波在浅地层的传播衰减大约2～3dB/λ［31］(不考虑波前扩散)．
4性能对比
3种透地通信方式面临的共同的难题就是地层对传输信号的巨大衰减，以及很不理想的传输特性．但它们在许多方面还是有性能差异．1)传输衰减天线感应方式和地电极方式透地通信究其原理都是近场电磁波通信，因此其传输衰减都由大地介质阻抗决定．但在VLF以下频段地电极方式的衰减要比天线感应方式小．而弹性波方式的则要比电磁方式通信的衰减大得多，利用文献［23］和［30］中的传输衰减理论模型，以及经文献［8］和［32］得到的实测数据，以及本课题组前期的试验结果数据对模型参数进行了微小的修正，用在山西焦煤集团屯兰矿采的地层砂岩岩样数据，计算得到天线感应透地通信方式的电磁波信号和弹性波透地方式的弹性波信号分别穿越200m砂岩层的平均衰减情况，如图2所示．由图2可以看出，弹性波在地层中的传播衰减总体水平较电磁波方式要大，且随频率升高急剧变化，而天线感应的电磁波信号在3000Hz之内的衰减比较平坦．这是在200m连续岩层的假设情况下，如果岩层中间有空隙，弹性波方式的衰减还要大．2)受地层介质特性和层结构影响大地信道构成为典型层状结构，各层的电学特性和力学特性并不相同，并且地层介质的湿度、温度、应力、孔隙度和松散程度都会对信号的传输产生作用，各种方式的透地通信信号传输都会受其影响．但各种透地通信方式所受地层影响情况是不相同的，弹性波透地通信方式的和地电极方式在ELF(极低频)(或VLF)频段的信号依赖于地层介质传播，其信号传输严重依赖于地层介质，因此受地层影响大，天线磁感应方式的透地通信是靠天线辐射的低频电磁波通信，因而受地介质和地层结构影响较小．对于受地层结构影响大的地电极和弹性波方式，中间煤层和采空层会严重衰减它们的信号强度．如果使用高效率的磁发射和接收天线，磁感应通信的方式会在很大程度上降低信号的传输衰减，这是因为不同的地层介质、空气的磁导率都基本相同，不存在层面反射的问题．地电极方式和磁感应方式都是近场通信，不存在多径效应，但弹性波方式会有多径效应，也会存在衰落现象．3)能量利用效率地电极注入电流方式的透地通信，其耦合效率与注入大地的电流强度有关，而注入电流的大小取决于接地阻抗，所以这种通信方式的能量效率严重依赖于埋地电极地层介质的阻抗，但总体来讲，在低频频段，地电极方式的能量效率要比天线感应方式高得多，这一点也被J．Hurni的试验证实［18］．弹性波能量效率依赖于扬声器与地层介质的耦合效率，如果能解决耦合效率问题．如果采用高效磁感应方式，由于不存在空－地界面反射，因此能量耦合和利用效率最高．单从能量效率来看，弹性波方式的能量效率最差，其他方式效率较高．4)设备功率与体积天线磁感应方式透地通信的天线和发射设备无论体积还是功率都比较大，如PED系统的地面发射机的功率为1500W，Canary系列虽然有便携式设备，但其环形天线布置起来直径达61m，在井下狭小空间内布置起来有一定难度．地电极法透地通信的系统功耗较低，E－Spectrum公司的通信系统地面设备只有十几瓦，设备体积较小，但其地电极需要打入岩石层数米，施工较为困难．弹性波透地通信方式要使用电磁换能设备，发送装置体积虽然不如以上2种方式的大，但功耗却并不逊色．
5结论
通过以上分析可知，3种透地通信方式的共同特点是频率越高信号传输衰减越大，但其程度有所不同．与地电极和天线感应的电磁方式相比，弹性波方式在传输衰减和受地层结构(如巷道上方存在采空区)影响方面明显处于劣势;此外，作为灾后应急通信，弹性波发射明显不适合在发生冒顶和冲击地压灾害时使用．但弹性波不受电磁医学期刊分类干扰，信号产生简单，在某些应用场合还是有一定用途的．
作者：郝建军 孙晓晨 单位：山东科技大学 信息与电气工程学院
