CN112838913B - 一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法，利用低频地震波作为载波传输信息。首先设计求救和救援信息码表，将要传输的信息映射成二进制数据，然后进行纠错编码，接着设计两种码元信号分别表示码元“0”和“1”，对编码后的二进制数据进行调制，将调制后的信号作为电磁式可控震源的控制信号控制震源产生对应的地震波，地震波由地震检波器接收，用其中一种码元信号与接收地震波形进行互相关，对互相关结果进行阈值检测得到接收二进制数据，再进行纠错解码得到接收信息。经验证，该方法能够作为地下矿井应急通讯手段，解决了矿井救援地下远距离通讯的难题，实现了远距离通讯，具有可靠性高，成本低等优势。

Description

一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法

技术领域

本发明涉及一种地震波通讯，具体涉及到电磁式可控震源、地震波和通讯编码，尤其是矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法。

背景技术

地下矿井是事故多发的区域，由于环境复杂随时都有可能遇到坍塌、突水、瓦斯泄漏等灾难，严重威胁到矿井工人的生命安全。矿难的发生往往导致现有通讯手段无法正常发挥作用，使被困人员与外界失去联系，进而阻碍救援进度和危害人身安全。因此，为了更好保障矿井生产的安全性以及应急救援的有效性，需要建立可靠的用于井下与地面联络的地下通讯方法，实时掌握矿井内的遇险人员情况，辅助救援工作顺利进行，最大限度保障井下作业人员安全。

目前国内外已有的矿井通讯方式主要是有线电话、低频电磁波和泄漏电缆。有线电话通讯质量高，然而通讯电缆在矿井下很容易被腐蚀，发生坍塌事故时也很容易造成线路中断。低频电磁波通讯系统有澳大利亚镁思锑公司开发的PED应急指挥寻呼系统，单向通讯距离仅为800m，且该系统多为单向通讯，不能双向收发，且需要布设大尺寸天线，能量效率低。泄漏电缆是一种专门用于泄漏通讯的高频电缆，电缆外部金属屏蔽层开有泄漏槽，允许无线电信号进出电缆，沿电缆全长提供双向通信，每段电缆400m左右，电缆之间由中继放大器连接，由于泄漏电缆制造工艺复杂，成本高，所以泄漏电缆通讯系统应用场合受限。低频电磁波通讯系统和泄漏电缆通讯系统都还存在通讯距离短、通讯可靠性低的缺点。

CN101383663A公开了“一种透地通讯系统”，以大地作为传输信道，使用地耦合扬声器发送地震波进行透地通讯，验证了地震波用于通讯的可行性，但地耦合扬声器在低频段内的地震波能量损耗过大，通讯距离比较短。《振动波井下通讯技术》提出了一种振动波井下通讯技术，以采油套管作为传输信道，使用磁致伸缩换能器发送振动波进行分层注水控制，可以实现3000m以内井下通讯，但还达不到10Km的矿井救援要求通讯距离。地下矿井人员分散，通讯距离长，需要更大能量的震源来提升地震波的有效通讯距离。

电磁式可控震源采用小能量、长时间激发波来实现脉冲震源瞬时产生的大能量激发波，对矿井无破坏，电磁式可控震源常用的控制信号为线性扫描信号，存在旁瓣干扰过大的问题，伪随机扫描技术是压制旁瓣干扰的一种重要方式，伪随机信号有类似白噪声的某些统计特性，自相关函数具有明显的峰值，互相关函数峰值较低，具有良好的抗干扰能力。《浅析可控震源的扫描技术》提出伪随机信号具有良好的自相关函数。而现有的伪随机序列扫描采用相位调制技术，由于电磁式可控震源的机械特性，相位突变很难实现，如何解决这个问题是进一步发展伪随机序列扫描的关键。采用电磁式可控震源作为地震波发送单元，基于伪随机思路设计地震波码元信号可以有效降低地震波的传播损耗，提高通讯距离。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提出一种利用电磁式可控震源发送地震波来传输信息，作为地下矿井灾害救助通讯手段的矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法。

本发明的思想是：利用地震波作为载波来进行地下通讯，在固定的求救点和地表指挥中心安装电磁式可控震源和地震检波器，设计求救和救援信息码表，将要传输的信息映射成二进制数据，接着对其进行纠错编码，然后将编码后的二进制数据调制成二进制码元信号，用调制后的信号控制电磁式可控震源产生地震波，经地下介质传输，再由地震检波器接收，对接收到的地震信号进行降噪处理后，解调得到二进制数据再进行纠错解码，最后通过查询求救和救援信息码表得到传输的信息。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法，包括以下步骤：

a、在地下矿井设立若干应急求救点，一般选择在巷道中结构相对坚固的区域，同时在地表设立指挥中心，在求救点和指挥中心分别安放电磁式可控震源和地震波检波器，震源基板与大地刚性耦合，检波器按照地震勘探方法布置成接收阵列；

b、设计求救和救援信息码表，根据地下矿井灾难救助要求确定传输的信息数目，记为k，将这k个信息一一映射成k个等长的n位二进制数据S₁，S₂，…,S_k，记信息码表S＝[S₁，S₂，…，S_k]，从中任取一个信息S_j，j＝1，2，…，k；

c、对S_j进行卷积码编码，得编码后二进制数据B_j,设B_j的位数为l，记B_j从左数第x位二进制数为b_j(x)，其中x为位数编号，x＝1，2，…，l；

d、进行该区域二进制码元信号设计实验，两种码元信号M₀(t)和M₁(t)分别对应二进制数中的“0”和“1”，M₀(t)和M₁(t)的时间长度相同为T，频带范围相同为F＝[F₁，F₂]，F₁，F₂为码元信号的最低和最高频率，T的初始值为60，F初始范围为5～12Hz，用M_z(t)表示M₀(t)和M₁(t)，其中z为下标，z∈{0，1}，t为时间，0≤t≤T，分别令z＝0和1，两次执行步骤(e)；

e、将M_z(t)随机分成m段，m选取为10～15之间的随机整数值，每段的时间长度为t_i，其中i为分段编号，i＝1，2，...，m，t_i在满足条件下随机取值，定义M_z(t)的子信号集V_z＝{v_z，1(t)，v_z，2(t)，...，v_z，m(t)}，从左数第i个子信号为：

其中f_i-1，f_i为v_z，i(t)的起始频率和终止频率，v_z，i(t)是扫描时间为t_i，频率从f_i-1到f_i线性变化的扫频信号，这里第一段扫频信号的起始频率f₀＝5Hz，第i段扫频信号的终止频率f_i在频带范围F中随机取整数值，最后将V_z中的m段子信号首尾相连合并成M_z(t)；

f、判定M₀(t)和M₁(t)之间的独立性，计算M₀(t)和M₁(t)的互相关系数记为：

式中τ为延时，若R₀₁(τ)＜0.2，则定义M₀(t)和M₁(t)极弱相关，执行步骤(g)，若R₀₁(τ)≥0.2则说明M₀(t)和M₁(t)具有一定相关性，令z＝0和1，重复两次执行步骤e，直至P₀₁(τ)＜0.2；

g、对B_j进行调制，得到震源控制信号P_j(t)，定义P_j(t)的子信号集P_j＝{p_j，1(t)，p_j，2(t)，...，p_j，l(t)}，其中从左数第x个子信号为：

然后将P_j中的l段子信号首尾相连合并成P_j(t)，P_j(t)的时间长度为T′＝l×T，其中“×”表示乘法运算；

h、将P_j(t)输入给电磁式可控震源产生对应的地震波，地震波经地下信道传输再由地震检波器接收，对地震波接收信号进行简单叠加处理压制随机噪声，即震源在同一点多次激发，检波器在同一排列上多次接收，对得到的地震波信号进行叠加得到地震波接收信号Y_j(t)；

i、记M₁(t)与Y_j(t)的互相关系数为对R₁(τ)进行阈值检测，记R₁(τ)的最大值为MAX，取阈值A＝0.8×MAX，当(x-1.5)T≤τ＜(x-0.5)T时，记此区间内R₁(τ)的最大值为max(x)，记接收地震波编码数据为U_j，不妨设U_j的从左数第x位二进制数：

j、对U_j进行对应的纠错解码得到解码后二进制数据，再通过查询求救和救援信息码表获得对应的信息；

k、评价通讯效果，如果传输100次信息准确接收次数不低于98，则证明码元设计合理，满足该区域矿内应急地下通讯要求，此时M₀(t)和M₁(t)作为有效的二进制码元信号，否则修改二进制码元时间长度T和频带范围F，令T＝T+10，F＝[F₁-1，F₂+1]，重复步骤d～j，直到得到满足地下通讯要求的码元信号，当发生矿难事故后按照步骤h～j进行地下通讯。

有益效果：本发明提出的一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法，解决了矿井救援地下远距离通讯的难题，可用于地下矿井灾难救生定位和信息传递。通讯距离与震源出力有关，采用1000N的电磁式可控震源时该方法的有效通讯距离可达10Km，通讯质量高。

附图说明

图1两种二进制码元信号

(a)码元“0”，(b)码元“1”

图2互相关检测及解码结果

图3发送信息序列与接收信息序列对比图

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明

一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法，包括以下步骤：

a、在地下矿井设立固定的求救点，一般选择在地下结构相对坚固的区域和发生矿难人员被困的区域，在地表设立指挥中心，在求救点和指挥中心安放电磁式可控震源和地震波检波器，震源基板与大地刚性耦合，检波器按照地震勘探方法布置成接收阵列；

b、设计求救和救援信息码表，根据地下矿井灾难救助要求确定传输的信息数目，记为k，将这k个信息一一映射成k个等长的n位二进制数据S₁，S₂，…,S_k，记信息码表S＝[S₁，S₂，…，S_k]，从中任取一个信息S_j，j＝1，2，…，k，本例中用7位二进制数S_j＝“1001011”表示“有人被困”信息；

c、对S_j进行卷积码编码得编码后二进制数据B_j,设B_j的位数为l，设B_j的第x位二进制数为B_j(x)，其中x为位数编号，x＝1，2，…，l。本例中7位二进制数S_j＝“1001011”经过(2,1,3)卷积码编码后为14位二进制数B_j＝“11101111100001”,l＝14；

d、进行该区域二进制码元信号设计实验，两种码元信号M₀(t)和M₁(t)分别对应二进制数中的“0”和“1”，M₀(t)和M₁(t)的时间长度相同为T，频带范围相同为F＝[F₁，F₂]，F₁，F₂为码元信号的最低和最高频率，T的初始值为60，F初始范围为5～12Hz，用M_z(t)表示M₀(t)和M₁(t)，其中Z为下标，z∈{0，1}，t为时间，0≤t≤T，分别令z＝0和1，两次执行步骤(e)；

e、将M_z(t)随机分成m段，m选取为10～15之间的随机整数值，每段的时间长度为t_i，其中i为分段编号，i＝1，2，...，m，t_i在满足条件下随机取值，定义M_z(t)的子信号集V_z＝{v_z，1(t)，v_z，2(t)，...，v_z，m(t)}，从左数第i个子信号为：

其中f_i-1，f_i为v_z，i(t)的起始频率和终止频率，v_z，i(t)是扫描时间为t_i，频率从f_i-1到f_i线性变化的扫频信号，这里第一段扫频信号的起始频率f₀＝5Hz，第i段扫频信号的终止频率f_i在频带范围F中随机取整数值，最后将V_z中的m段子信号首尾相连合并成M_z(t)，本例中码元信号如图1所示，M₀(t)和M₁(t)的时间长度为T＝60s，频带范围为F＝[5，12]，各自随机分为10段，M₁(t)每段的时间长度t_i分别为[8.308,5.852,5.497,9.171,2.858,7.572,7.537,3.804,5.678,3.719]，每段扫频信号的终止频率f_i分别为[8,12,10,7,11,10,12,8,8,7]。第1段扫频信号时间长度为8.308s，起始频率为5Hz，终止频率为8Hz,第2段扫频信号时间长度为5.852s，起始频率为8Hz，终止频率为12Hz,第3段扫频信号时间长度为5.497s，起始频率为12Hz，终止频率为10Hz,依此类推；

f、判定M_o(t)和M₁(t)之间的独立性，计算M₀(t)和M₁(t)的互相关系数记为：

式中τ为延时，若R₀₁(τ)＜0.2，则定义M₀(t)和M₁(t)极弱相关，执行步骤(g)，若R₀₁(τ)≥0.2则说明M₀(t)和M₁(t)具有一定相关性，令z＝0和1，重复两次执行步骤e，直至R₀₁(τ)＜0.2，本例中R₀₁(τ)的最大值为0.137，说明M₀(t)和M₁(t)不相关；

g、对B_j进行调制，得到震源控制信号P_j(t)，定义P_j(t)的子信号集P_j＝{p_j，1(t)，p_j，2(t)，...，p_j，l(t)}，其中从左数第x个子信号为：

然后将P_j中的l段子信号首尾相连合并成P_j(t)，P_j(t)的时间长度为T′＝l×T，其中“×”表示乘法运算，本例中T′＝14×60s＝840s；

h、将P_j(t)输入给电磁式可控震源产生对应的地震波，地震波经地下信道传输再由地震检波器接收，对地震波接收信号进行简单叠加处理压制随机噪声，即震源在同一点多次激发，检波器在同一排列上多次接收，对得到的地震波信号进行叠加得到地震波接收信号Y_j(t)；

i、记M₁(t)与Y_j(t)的互相关系数为对R₁(τ)进行阈值检测，记R₁(τ)的最大值为MAX，取阈值A＝0.8×MAX，当(x-1.5)T≤τ＜(x-0.5)T时，记此区间内R₁(τ)的最大值为max(x)，记接收地震波编码数据为U_j，不妨设U_j的从左数第x位二进制数：

本例中取R₁(τ)的阈值为A＝2.3×10⁴，由图2可得U_j＝“11101111100001”；

j、对U_j进行对应的纠错解码得到解码后二进制数据，再通过查询求救和救援信息码表获得对应的信息,本例中接收信息U_j＝“11101111100001”经过纠错译码后为“1001011”,查询信息码表得知对应的信息为“有人被困”；

k、评价通讯效果，如果传输100次信息准确接收次数不低于98，则证明码元设计合理，满足该区域矿内应急地下通讯要求，此时M₀(t)和M₁(t)作为有效的二进制码元信号，否则修改二进制码元时间长度T和频带范围F，令T＝T+10，F＝[F₁-1，F₂+1]，重复步骤d～j，直到得到满足地下通讯要求的码元信号，当发生矿难事故后按照步骤h～j进行地下通讯。

Claims (1)

1.一种矿用电磁式可控震源低频抗干扰地震波通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在地下矿井设立若干应急求救点，一般选择在巷道中结构相对坚固的区域，同时在地表设立指挥中心，在求救点和指挥中心分别安放电磁式可控震源和地震波检波器，震源基板与大地刚性耦合，检波器按照地震勘探方法布置成接收阵列；

b、设计求救和救援信息码表，根据地下矿井灾难救助要求确定传输的信息数目，记为k，将这k个信息一一映射成k个等长的n位二进制数据S₁，S₂，…，S_k，记信息码表S＝[S₁，S₂，…，S_k]，从中任取一个信息S_j，j＝1，2，…，k；

c、对S_j进行卷积码编码，得编码后二进制数据B_j，设B_j的位数为l，记B_j从左数第x位二进制数为b_j(x)，其中x为位数编号，x＝1，2，…，l；

d、进行该区域二进制码元信号设计实验，两种码元信号M₀(t)和M₁(t)分别对应二进制数中的“0”和“1”，M₀(t)和M₁(t)的时间长度相同为T，频带范围相同为F＝[F₁，F₂]，F₁，F₂为码元信号的最低和最高频率，T的初始值为60，F初始范围为5～12Hz，用M_z(t)表示M₀(t)和M₁(t)，其中z为下标，z∈{0，1}，t为时间，0≤t≤T，分别令z＝0和1，两次执行步骤(e)；

e、将M_z(t)随机分成m段，m选取为10～15之间的随机整数值，每段的时间长度为t_i，其中i为分段编号，i＝1，2，...，m，t_i在满足条件下随机取值，定义M_z(t)的子信号集V_z＝{v_z，1(t)，v_z，2(t)，...，v_z，m(t)}，从左数第i个子信号为：

其中f_i-1，f_i为v_z，i(t)的起始频率和终止频率，v_z，i(t)是扫描时间为t_i，频率从f_i-1到f_i线性变化的扫频信号，这里第一段扫频信号的起始频率f₀＝5Hz，第i段扫频信号的终止频率f_i在频带范围F中随机取整数值，最后将V_z中的m段子信号首尾相连合并成M_z(t)；

f、判定M₀(t)和M₁(t)之间的独立性，计算M₀(t)和M₁(t)的互相关系数记为：

式中τ为延时，若R₀₁(τ)＜0.2，则定义M₀(t)和M₁(t)极弱相关，执行步骤(g)，若R₀₁(τ)≥0.2则说明M₀(t)和M₁(t)具有一定相关性，令z＝0和1，重复两次执行步骤e，直至R₀₁(τ)＜0.2；

g、对B_j进行调制，得到震源控制信号P_j(t)，定义P_j(t)的子信号集P_j＝{p_j，1(t)，p_j，2(t)，...，p_j，l(t)}，其中从左数第x个子信号为：

然后将P_j中的l段子信号首尾相连合并成P_j(t)，P_j(t)的时间长度为T′＝l×T，其中“×”表示乘法运算；

h、将P_j(t)输入给电磁式可控震源产生对应的地震波，地震波经地下信道传输再由地震检波器接收，对地震波接收信号进行简单叠加处理压制随机噪声，即震源在同一点多次激发，检波器在同一排列上多次接收，对得到的地震波信号进行叠加得到地震波接收信号Y_j(t)；

i、记M₁(t)与Y_j(t)的互相关系数为对R₁(τ)进行阈值检测，记R₁(τ)的最大值为MAX，取阈值A＝0.8×MAX，当(x-1.5)T≤τ＜(x-0.5)T时，记此区间内R₁(τ)的最大值为max(x)，记接收地震波编码数据为U_j，不妨设U_j的从左数第x位二进制数：

j、对U_j进行对应的纠错解码得到解码后二进制数据，再通过查询求救和救援信息码表获得对应的信息；

k、评价通讯效果，如果传输100次信息准确接收次数不低于98，则证明码元设计合理，满足该区域矿内应急地下通讯要求，此时M₀(t)和M₁(t)作为有效的二进制码元信号，否则修改二进制码元时间长度T和频带范围F，令T＝T+10，F＝[F₁-1，F₂+1]，重复步骤d～j，直到得到满足地下通讯要求的码元信号，当发生矿难事故后按照步骤h～j进行地下通讯。