CN101494509B - 一种用于矿井的无线通信方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于矿井的无线通信方法、装置及系统，所述的方法包括：将声音转换成音频信号；对所述的音频信号进行功率放大和阻抗转换处理，生成低频高阻抗交变电流信号；在矿井上的地层中插入第一传感杆和第二传感杆，并将所述的低频高阻抗交变电流信号通过所述的第一传感杆和第二传感杆经矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；在地层深处巷道内插入第三传感杆和第四传感杆，并通过所述的第三传感杆和第四传感杆从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成音频信号；将所述的音频信号在矿井下或矿井上进行广播。用于解决矿井上下的通信问题。

Description

一种用于矿井的无线通信方法、装置及系统

技术领域

本发明关于无线通信技术，特别是关于矿井的井下巷道与地面的无线通信技术，具体的讲是一种用于矿井的无线通信方法、装置及系统。

背景技术

目前矿山的井下通信方法一般都离不开有线电话通信系统和使用泄漏同轴电缆的无线通信系统。但不论有线通信系统或无线通信系统，当发生矿难时，遇事地点与地面上的通信往往因通信系统遭受破坏而导致通信中断。其中，有线通信系统在井下巷道内架设的电话电缆会因透水、塌方或爆炸破坏而失却效用，无线通信系统亦会因为泄漏电缆折断或网络分路及干线中继器受损、泡水、受潮而瘫痪。当通信系统遭受破坏后，困在井内的人员便无法与地面救援人员进行通信，这给救援工作造成巨大困难。

中国发明专利申请200510040768.2公开了一种矿井安全监控和灾害应急通讯系统及其运行方法。该通讯系统及方法具有两种通信模式，在矿井正常作业时采用有线通信模式，在矿井为紧急情况时采用无线通信模式。

在现有技术中，常规的无线通信在矿井中存在不少缺点，由于大地是个半导体介质，无线电磁波在地层中穿越时会被岩壁大量吸收，造成严重的衰减，无线通信距离大打折扣。甚低频(VLF)虽然有较好的穿透力，但硕大的天线在实际应用中存在诸多限制，无法被矿井作业广泛采用。

发明内容

本发明提供一种用于矿井的无线通信方法、装置及系统，用于解决矿井上下的通信问题，本发明的技术方案为：

一种用于矿井的无线通信方法，其特征是，所述的方法包括：将声音转换成音频信号；对所述的音频信号进行功率放大和阻抗转换处理，生成低频高阻抗交变电流信号；通过传感杆将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成音频信号；将所述的音频信号在矿井下或矿井上进行广播。

一种用于矿井的无线通信装置，所述的装置包括：音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号，或对接收的低频高阻抗交变电流信号进行阻抗转换处理生成音频信号；交变电流收发单元，包括传感杆，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中，或从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号；音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播。

一种用于矿井的无线通信系统，所述的系统包括：控制装置和中继装置；其中，所述的控制装置包括：音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号，或对接收的低频高阻抗交变电流信号进行阻抗转换处理生成音频信号；交变电流收发单元，包括传感杆，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井上的地面导入到地层中，或从所述矿井下的岩壁接收所述的低频高阻抗交变电流信号；音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播；所述的中继装置包括：音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号，或对接收的低频高阻抗交变电流信号进行阻抗转换处理生成音频信号；交变电流收发单元，包括传感杆，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号从矿井下的岩壁导入到地层中，或从所述矿井下的岩壁接收所述的低频高阻抗交变电 流信号；音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播。

本发明的有益效果在于：本发明的无线通讯，使用比甚低频(VLF)更低的音频交变电流，具有较高的可靠性，它直接利用地层作传播媒介物，无需铺设电缆，不靠无线电波，不受透水、塌方及巷道因发生爆炸受破坏后的影响，在地层中会畅通无阻。有线供电断电后仍能有锂电池独立操作及待机300小时。

附图说明

图1是本发明交变电流在地层中形成的磁场分布图；

图2是本发明系统的穿透地层的广播示意图；

图3是本发明传感杆的接地选点示意图；

图4是本发明具体实施方式的系统的连接示意图；

图5是本发明具体实施方式的中继装置的巷道内无线通信示意图；

图6是本发明装置的结构框图；

图7是本发明的具有电磁波收发功能的装置的结构框图；

图8是本发明中继装置的一实施例的电路原理图；

图9是具有电磁波收发功能的中继装置的一实施例的电路原理图；

图10是本发明控制装置的一实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，地层是一种具有不同介电常数的半导电介质，充分的利用这一条件，可以发展出本发明的无线通信技术方案。在半导电介质地层中采用两根传感杆从A、B两点插入地层，并为两根传感杆输入音频交变电流，从而产生出交变电场。根据马克斯威尔(James Clerk Maxwell)的论文“物理力线”得出的结论：电场变化时，也会感应出磁场。那么，按其基本原理，只要在地层中直接注入交变电流，就必然在地层中产生交变磁场。

如图2所示，在井上地层的A位置插入传感杆201，在井上地层的B位置插入传感杆202，并在两根传感杆201和202之间接入低频放大器205，在低频放大器205上接入麦克风，声音从麦克风输入并经低频放大器205通过传感杆201和202向地层输入音频交变电流，音频交变电流在地层中产生交变磁场。在地层深处巷道内的C位置插入传感杆203，在D位置插入传感杆204，传感杆203和204就可以检测到通过地层传输的交变磁场中的音频交变电流。在两根传感杆203和204之间接入低频放大器206，低频放大器206则可将传感杆203和204检测到的音频交变电流进行放大。在低频放大器206上接入扬声器，则可将放大后的音频交变电流进行音频广播。这样便使井上的声音在井下巷道内广播。

相反，如果在井下巷道的低频放大器206上接入麦克风，声音从麦克风输入并经低频放大器206通过传感杆203和204向地层输入音频交变电流，音频交变电流在地层中产生交变磁场。而在井上的低频放大器205上接入扬声器，低频放大器205则可将传感杆201和202检测到的音频交变电流进行放大，并将放大后的音频交变电流进行音频广播，这样便使井下巷道内的声音在井上广播。

如图3所示，传感杆201和202用作将音频交变电流引入地层，因此需将传感杆201和202各打进地层2至10米深。为了让传感杆201和202在打进地层后有更好的接触与导电能力，可以在传感杆201和202周围浇上导电溶液301(Nacl)。

使用一部大功率、高阻抗输出的音频放大器作为信号音源，可以建成一个对井下的广播系统。如图4所示，在井上地层的A位置插入传感杆201，在井上地层的B位置插入传感杆202。为了让传感杆201和202在打进地层后有更好的接触与导电能力，在传感杆201和202周围浇上导电溶液301(Nacl)。在两根传感杆201和202之间接入控制装置。在地层深处巷道内的C位置插入传感杆203，在D位置插入传感杆204，两根传感杆(传感杆201和202、传感杆203和204)之间的距离愈远愈好，尽管巷道里面架设传感杆的空间有限，两根传感杆之间的距离也不能少于4米。在两根传感杆203和204之间接入中继装置。

如图6所示，所述的控制装置包括：音频输入单元、前置放大单元、后置低功率放大单元、阻抗转换单元、音频交变电流收发单元和音频输出单元。

当控制装置向井下巷道的中继装置发送信息时：声音从音频输入单元输入生成音频信号，该音频信号经前置放大单元放大后传送给后置低功率放大单元进行放大，将再次放大的音频信号传送给阻抗转换单元进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经音频交变电流收发单元直接导入到地层中。

当控制装置接收井下巷道的中继装置反馈的信息时：音频交变电流收发单元实时检测地层中发来的低频高阻抗交变电流信，该低频高阻抗交变电流信经阻抗转换单元转换后生成普通音频信号，该普通音频信号经后置低功率放大单元放大后传送给音频输出单元进行音频输出。

如图6所示，所述的中继装置包括：音频输入单元、前置放大单元、后置低功率放大单元、阻抗转换单元、音频交变电流收发单元和音频输出单元。

当中继装置从井下巷道向地面控制装置发送信息时：声音从音频输入单元输入生成音频信号，该音频信号经前置放大单元放大后传送给后置低功率放大单元进行放大，将再次放大的音频信号传送给阻抗转换单元进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经音频交变电流收发单元直接导入到地层中。

当井下巷道的中继装置接收地面控制装置发出的信息时：音频交变电流收发单元实时检测地层中发来的低频高阻抗交变电流信，该低频高阻抗交变电流信号经阻抗转换单元转换后生成普通音频信号，该普通音频信号经后置低功率放大单元放大后传送给音频输出单元进行音频输出。

如图7所示，在如图6所示的控制装置或中继装置中，加入包括VLF射频振荡、射频功放及调制电路的VLF射频收发单元，以将生成的低频高阻抗交变电流信号转换为低频电磁波发送到地层中。这样可以按情况需要来选择向地层导入低频电流或低频电磁波。

如图8所示，为本发明中继装置的优选实施例。该中继装置包括：监听麦克风、前置放大器、后置低功率放大器、阻抗转换变压器、广播喇叭、传感 杆C和传感杆D。声音从监听麦克风输入生成音频信号，该音频信号经前置放大器放大后传送给后置低功率放大器进行放大，将再次放大的音频信号传送给阻抗转换变压器进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经传感杆C和传感杆D直接导入到地层中。

当井下巷道的中继装置接收地面控制装置发出的信息时：传感杆C和传感杆D实时检测地层中发来的低频高阻抗交变电流信，该低频高阻抗交变电流信号经阻抗转换变压器转换后生成普通音频信号或控制信号，该普通音频信号经后置低功率放大器放大后传送给广播喇叭进行语音广播。

如图8所示的中继装置还包括一前端单元，该前端单元具有有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块连接有电话机，无线模块可以通过VHF/UHF/PCS/PHS或蓝牙等无线通信方式与进下工作人员随身佩带的无线通信终端进行通信(如图5所示)。

如图8所示的中继装置还包括一调制解调器，该调制解调器连接有摄像头，用于将摄像头拍摄的巷道内的图像数据传送给后置低功率放大器进行放大，将放大的视频信号传送给阻抗转换变压器进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经传感杆C和传感杆D直接导入到地层中。

上述调制解调器还连接有温度传感器和瓦斯传感器，用于将温度传感器和瓦斯传感器检测的巷道内的温度数据和瓦斯数据传送给后置低功率放大器进行放大，将放大的温度数据和瓦斯数据传送给阻抗转换变压器进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经传感杆C和传感杆D直接导入到地层中。

上述调制解调器还连接有继电器电路，用于接收控制信号，对巷道内的多组电器开关进行控制。

如图9所示，在如图8所示的中继装置中，加入包括VLF射频振荡、射频功放及调制电路的VLF射频收发单元，以将生成的低频高阻抗交变电流信号转换 为低频电磁波发送到地层中。这样可以按情况需要来选择向地层导入低频电流或低频电磁波。

上述的中继装置与泄漏电缆相连接，泄漏电缆的作用是收发天线，用来接收巷道内矿工手提对讲机的信号，以及将中继器接收到的井上的信号后转成高频电波由泄漏电缆在巷道内发射。中继器在巷道使用泄漏电缆代替传统天线的好处，是因为泄漏电缆在狭长多弯的巷道内有甚佳的表现，而传统天线发出的电波在拐弯后会严重衰减。

上述的中继装置可有多个，视巷道的长度而均匀设置。中继器可采用锂电池等可充电电池提供电能。每个中继器独立工作。

如图10所示，为本发明控制装置的优选实施例。该控制装置包括：监听麦克风、前置放大器、后置低功率放大器、阻抗转换变压器、广播喇叭、传感杆A和传感杆B。声音从监听麦克风输入生成音频信号，该音频信号经前置放大器放大后传送给后置低功率放大器进行放大，将再次放大的音频信号传送给阻抗转换变压器进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经传感杆A和传感杆B直接导入到地层中。

当地面控制装置接收井下巷道的中继装置发出的信息时：传感杆A和传感杆B实时检测地层中发来的低频高阻抗交变电流信，该低频高阻抗交变电流信号经阻抗转换变压器转换后生成普通音频信号或控制信号，该普通音频信号经后置低功率放大器放大后传送给广播喇叭进行语音广播。

如图10所示的控制装置还包括一调制解调器，用于将数字化的信号经“调制”后送交低频功率放大器作输出；及将放大器接收到的混杂信号经“解调”后输出，送交下一级处理。

该控制装置连接有显示屏，用于将巷道内摄像头拍摄的巷道内的图像数据进行显示。

上述控制装置还连接有温度报警器和瓦斯报警器，用于将温度传感器和瓦斯传感器检测的巷道内的温度数据和瓦斯数据进行报警。

上述控制装置还连接有继电器指令编码电路，该指令编码电路具有控制键，用于设置控制信号。该控制信号从调制解调器传送给后置低功率放大器进行放大，将再次放大的控制信号传送给阻抗转换变压器进行阻抗转换，生成低频高阻抗交变电流信号，并将生成的低频高阻抗交变电流信号经传感杆A和传感杆B直接导入到地层中，对巷道内的多组电器开关进行控制。

如图10所示的控制装置还包括VLF射频振荡、射频功放及调制电路的VLF射频收发单元，以将生成的低频高阻抗交变电流信号转换为低频电磁波发送到地层中。这样可以按情况需要来选择向地层导入低频电流或低频电磁波。

本发明采用的无线通讯方法，使用比甚低频(VLF)更低的音频交变电流，具有较高的可靠性，它直接利用地层作传播媒介物，无需铺设电缆，不靠无线电波，不受透水、塌方及巷道因发生爆炸受破坏后的影响，在地层中会畅通无阻。因为传导信号的，就是地层中的所有物质：岩、泥、沙、土、水、煤、铜、铁等一切矿物。现代化的矿山操作，也不能只有一套系统而没有后备系统。它的密封设计、防水、防爆、防压，断电后仍能独立操作及待机300小时，就像个站岗的哨兵，守护着井下巷道的每一个角落。

因此以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (13)

1.一种用于矿井的无线通信方法，其特征是，所述的方法包括：

将声音转换成音频信号；

对所述的音频信号进行功率放大和阻抗转换处理，生成低频高阻抗交变电流信号；

在矿井上的地层中插入第一传感杆和第二传感杆，并将所述的低频高阻抗交变电流信号通过所述的第一传感杆和第二传感杆经矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；

在地层深处巷道内插入第三传感杆和第四传感杆，并通过所述的第三传感杆和第四传感杆从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成音频信号；

将所述的音频信号在矿井下或矿井上进行广播。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，可选择的将所述的低频高阻抗交变电流信号进行射频处理，生成低频电磁波信号；将所述的低频电磁波信号从所述矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频电磁波信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成音频信号；将所述的音频信号在矿井下或矿井上进行广播。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对所述矿井下的图像进行拍摄，生成视频信号，对所述的视频信号进行功率放大和阻抗转换处理，生成低频高阻抗交变电流信号；将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井下的岩壁导入到地层中；从所述矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成视频信号；将所述的视频信号在矿井上进行显示。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对所述矿井下的温度和瓦斯浓度进行检测，生成数据信号，对所述的数据信号进行功率放大和阻抗转换处理，生成低频高阻抗交变电流信号；将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井下的岩壁导入到地层中；从所述矿井上的地面接收所述的低频高阻抗交变电流信号，并进行阻抗转换和功率放大处理，生成数据信号；将所述的矿井下的温度和瓦斯浓度在矿井上进行报警。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的将所述的音频信号在矿井下进行广播包括：采用无线通信方式将所述的音频信号传送给矿井下的无线通信终端；或采用有线通信方式将所述的音频信号传送给矿井下的有线电话终端。

6.一种用于矿井的无线通信装置，其特征是，所述的装置包括：

音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；

低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；

第一阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号；

第一传感杆和第二传感杆，所述的第一传感杆通过所述的第一阻抗转换单元与所述的第二传感杆相连接，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号经矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；

第三传感杆和第四传感杆，所述的第三传感杆通过第二阻抗转换单元与所述的第四传感杆相连接，用于接收所述的低频高阻抗交变电流信号；所述的第二阻抗转换单元将所述的低频高阻抗交变电流信号转换成音频信号；

音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的装置还包括：射频收发单元，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号进行射频处理，生成低频电磁波信号，将所述的低频电磁波信号从所述矿井上的地面或矿井下的岩壁导入到地层中；并从所述矿井下的岩壁或矿井上的地面接收所述的低频电磁波信号。

8.一种用于矿井的无线通信系统，其特征是，所述的系统包括：第一传感杆、第二传感杆、控制装置和第三传感杆、第四传感杆、中继装置；其中，

所述第一传感杆通过所述的控制装置与所述的第二传感杆相连接；

所述的控制装置包括：音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号，或对接收的低频高阻抗交变电流信号进行阻抗转换处理生成音频信号；所述的第一传感杆和第二传感杆将所述的低频高阻抗交变电流信号从所述矿井上的地面导入到地层中，或从所述矿井下的岩壁接收所述的低频高阻抗交变电流信号；音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播；

所述第三传感杆通过所述的中继装置与所述的第四传感杆相连接；

所述的中继装置包括：音频输入单元，用于将声音转换成音频信号；低功率放大单元，用于对所述的音频信号进行功率放大处理；阻抗转换单元，用于对功率放大后的音频信号进行阻抗转换处理生成低频高阻抗交变电流信号，或对接收的低频高阻抗交变电流信号进行阻抗转换处理生成音频信号；所述的第三传感杆和第四传感杆将所述的低频高阻抗交变电流信号从矿井下的岩壁导入到地层中，或从所述矿井下的岩壁接收所述的低频高阻抗交变电流信号；音频输出单元，用于对放大后的音频信号进行广播。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的控制装置还包括：射频收发单元，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号进行射频处理，生成低频电磁波信号，将所述的低频电磁波信号从所述矿井上的地面导入到地层中；并从所述矿井上的地面接收所述的低频电磁波信号；

所述的中继装置还包括：射频收发单元，用于将所述的低频高阻抗交变电流信号进行射频处理，生成低频电磁波信号，将所述的低频电磁波信号从所述矿井下的岩壁导入到地层中；并从所述矿井下的岩壁接收所述的低频电磁波信号。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的中继装置还包括：

摄像机，用于对所述矿井下的图像进行拍摄，生成视频信号；

温度传感器，用于对所述矿井下的温度进行检测，生成温度数据信号；

瓦斯传感器，用于对瓦斯浓度进行检测，生成瓦斯浓度数据信号；

继电器电路，用于对矿井下的电器开关进行控制。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的中继装置还包括：

无线通信单元，用于与矿井下的无线通信终端进行通信；

有线通信单元，用于与矿井下的有线电话进行通信。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的控制装置还包括：

显示器，用于显示矿井下传来的图像、报警数据；

报警器，用于对矿井下传来的温度数据、瓦斯浓度数据进行报警；

控制指令输入单元，用于输入对矿井下的电器开关进行控制的指令。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的中继装置还包括：有线电源和电池。

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