[发明专利]一种采用地电场检测技术的透地双向数字信息通信装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用地电场检测技术的透地双向数字信息通信装置，尤其是适用于“矿难”事故时的应急“透地”数字与信息通信，同时又能实现地下半空间和湖泊、海洋中的无线远程双向通信和遥控遥测的功能。

背景技术

“矿难”（特别是煤矿）发生时，一些幸存者经常被困在地下。常规有线通信设施在矿山灾害中遭到破坏时，往往造成井下与地面抢救中心的及周边地区通信瘫痪；即使是采用无线电电磁波辐射技术的“透地”通信系统同样也受到地下环境和电磁波天线技术瓶颈的影响，目前，其实际应用也仅限在“下行”工作状态（仅地面向地下传送信号），很难做到“上行”即地下矿井人员向地面抢险救灾指挥中心发送信息。因此，地面救护人员不能对地下被困人员和险情的信息进行准确的了解，这给抢险救援工作造成了极大的困难。目前，安装在地下矿井避难硐室和安全仓内的通信系统仍然是以有线通信系统为主。提供一种在“矿难”发生时，有效的保障地面与地下相互通信的“透地通信”技术装置，为“矿难”抢险救灾提供决策信息、提高抢险救灾效率，极大的减少抢险救灾人员与矿工的伤亡、减少经济损失，在“矿难”抢险救灾领域中具有现实意义。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中，在发生“矿难”时，目前尚没有一种有效的通信方法和技术装置来满足“矿难”时地面与地下灾区的信息双向沟通即“应急透地通信”的需求，本发明提供一种采用地电场检测技术的“透地”双向数字信息通信装置，用于“矿难”抢险救灾中的应急“透地”数字与信息通信。它不仅适用于矿山的“透地”数字与信息通信，而且适应于在不宜建立有线和无线电磁波通信环境中有效的实施通信，能满足在地下半空间、湖泊、海洋环境中的双向远程通信与远程双向遥控遥测的功能。

本发明是通过以下技术原理实现的：

以地下三维空间中的电性偶极矩为研究对象，A表示地下空间某处的电势，研究表明，地下三维空间在电性偶极矩的作用下其电场强度分布如下列公式所示：

              （1）

式中E_θ为地下某空间的电性偶极矩所产生的电场强度；P为地下某空间电性偶极矩矩的长度；δ为特定三维空间的介电常数；θ为地下某空间A点与地下某空间的电性偶极矩形成的夹角；r为地下某空间电性偶极矩的中心到A点的距离；地下三维空间在电性偶极矩的作用下其电场强度等值线分布。根据这一原理，本发明设计了一种采用地电场检测技术的“透地”数字通信装置。本装置的核心是：在地下半空间（或水下）安装一种电性偶极矩天线和地下通信装置（电场信号发射装置），通过在地面上建立的接地电性偶极矩天线和地面通信装置，对地下通信装置经电性偶极矩天线发送的数字信号电场变化量进行有效检测和接收，经数字信号的调制与解调，实现“透地”通信的“上行”和“下行”功能，同时实现地下半空间中的无线远程双向遥控遥测的功能。地下通信装置还可设于水下，水下的通信装置经电性偶极矩天线发送的数字信号电场变化量进行有效检测和接收，经数字信号的调制与解调和编解码，实现在水中的双向远程通信与远程双向遥控遥测的功能。

物理学/电磁学理论研究证明：只要电性偶极矩的电能量一定时，在电场分布范围内均可有效的检测和接收电场信息。有效检测和接收电场信息的作用距离为公式1中的r（单位为米）。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 

一种采用地电场检测技术的透地双向数字信息通信装置，由地下装置、地面装置组成； 

所述地下装置由相互电连接的地下通信装置和地下电性偶极矩(收/发)天线组成。地下通信装置安装在地下矿井（避难硐室）或隧道中，地下电性偶极矩(收/发)天线埋入地下矿井或隧道地质体内；地下矿井或隧道的地质体为半导电体。地下装置和地面装置之间通过所述半导电体构成地质体“信道”进行双向数字通信或遥控遥测。

所述地面装置由相互电连接的地面通信装置和地面电性偶极矩（收/发）天线组成。地面通信装置安装在地面上，地面电性偶极矩（收/发）天线埋入地表浅层。

地下电性偶极矩(收/发)天线、地面电性偶极矩（收/发）天线用于进行数字信号发送与接收；地下通信装置、地面通信装置均为采用伪随机编码调制与解调的通信装置。

所述地下电性偶极矩(收/发)天线、地面电性偶极矩（收/发）天线，有别于磁性天线，磁性天线的几何尺寸与通信信号频率相关，本发明所述地下电性偶极矩(收/发)天线、地面电性偶极矩（收/发）天线的几何尺寸与通信信号频率无关。