1.2.1低频导引通信
低频导引通信工作在几百kHz 的低频段, 利用同轴电缆引导信号传输。为使电波向电缆外的巷道内辐射, 每隔几百米在电缆上装一个辐射器, 以实现井下的无线移动通信。系统结构如图1 所示。
图1 低频导引通信系统
由于频率低、电缆的传输损耗小(2 dB/ km～4 dB/ km) ,因而通信距离大。低频导引通信可直接覆盖10 km 左右来满足井下通信的要求, 如果加接中继器, 通信距离可继续扩大, 因此低频导引通信系统简单实用,造价最低。低频导引通信的主要弊端是存在井下的各种低频电磁干扰, 因此话音质量差, 数据误码率高, 可靠性低。但是由于价格低廉,仍是一些公司(如南非的GST) 致力研究和发展的一种井下通信系统。
1.2.2 短波漏泄通信
短波漏泄通信使用漏泄同轴电缆引导信号。在短波, 漏泄电缆比普通同轴电缆的传输损耗略大(约20 dB/ km～40 dB/km) ; 当频率更高时, 漏泄能量随频率升高急剧加大, 漏泄电缆的传输损耗比普通电缆大得多,因此为了远距离传输,漏泄通信的频率选在20 MHz～150 MHz 的短波和超短波低端, 为了弥补能量损失,每隔几百米加
图2 泄漏通信系统
一个中继双向放大器,以实现井下的远距离无线通信。系统结构如图2 所示。短波在隧道中传播条件最差,衰减最大,因此短波信号在矿井中产生和受到的干扰也最小, 是井下无线通信中最有利于抗干扰的频段。同时这个频段的地面通信设备和技术非常成熟，所以短波漏泄通信成为许多国家发展矿井无线通信的共同选择,如德国、英国、美国等。
1.2.3 微波通信
由于矿井隧道对微波频段在一定程度上相当于通道, 因此在许多情况下采用微波直接通信更为简便有利, 我们采用900MHz 频率在汾河公路隧道和平鲁煤矿中的试验也证明了这一点。微波通信适用于几百米～几千米的直巷道通信,如铁路、公路隧道和矿山主巷道等。通信距离同时取决于隧道的断面尺寸、频率和通信天线的型式等多种因素。微波频段没有工业设备的电磁干扰, 对于抗环境电磁干扰极为有利。同时电缆对微波信号的传输损耗很大, 因此不能采用微波导引方式。这说明微波是一个有利于通信的频段, 但其通信距离被严格限制。微波通信还未在矿井通信中投入实用。鉴于它的特点, 发展微波—短波组合的通信方式可望使矿井(包括工作面在内) 的无线通信更加完善。
1.3矿井隧道无线通信的技术发展
随着通信技术的高速发展, 许多地面通信中的技术正进入矿井与隧道。
(1) 采用多层电路板和大规模集成电路技术, 使电路简单化、性能稳定、可靠性提高,设备的体积和重量也得以减小。
(2) 采用DTMF 编解码技术实现寻呼功能。
(3) 采用多信令形式提高系统的灵活性和抗干扰能力。
(4) 通过交换机与地面通信网互联。
(5) 采用导频技术抑制噪声。
(6) 采用音频压缩和扩展技术改善通话质量。
(7) 研制各种高效天线,减小尺寸,提高通信效率。
(8) 研制多系统合路技术, 使各种井下专用通信系统共网
建设。
(9) 加速井下数字通信系统的发展,改善井下通信质量。
1.4 结束语
矿井隧道对无线电波呈高通特性, 矿井隧道无线通信作为通信行业的一个新领域已进入实用阶段, 理论研究和技术开发上有极大的发展潜力,随着数字通信技术的发展,矿井隧道无线通信将进入一个新的发展阶段。随着通讯技术的发展, 无线移动通信呈现以下发展趋势: (1) 向更高频率方向发展, 应用频率范围从50～ 150MHz 频段转变到450～ 1800MHz 频段, 通讯容量更大; (2) 向高品质线路方向发展: 数字传输, 高码速传输⋯ (3) 朝人口密度相对集中的市区和限定区域发展: 如隧道、半埋高速公路、地下停车场、矿井等; (4) 特殊的场合通信的特殊要求: 如军事管制区、监狱、金库的防盗报警系统的通信. 电磁波在这些区域传播时产生多效应并被吸收, 在此区域用天线来传播信号通常非常困难, 而泄漏电缆恰巧可以解决这一问题. 无论传播信号的环境本身的质量如何, 泄漏电缆均能确保通信的可靠性.泄漏电缆是一种屏蔽不完善的特种通讯电缆, 它既具有传输线的特性又具有无线电发射天线的性质. 即一方面它可以导引电信号沿电缆轴向传输, 另一方面又向电缆径向周围辐射电磁波信号. 泄漏的电磁波信号可以被电缆沿线与电缆有一定距离的接收设备接收; 或进行相反的过程, 即移动发射机发射信号, 电波馈进泄漏电缆传输到固定接收机. 泄漏同轴电缆是利用辐射场的传输线, 能量沿电缆传输过程中一部分能量以辐射波的形式沿线均匀地发射出去, 这些辐射波的发射方向是垂直于传输方向的. 大部分能量仍沿电缆内传输. 根据泄漏电缆这种既能传输信号, 又能辐射信号的独特性质, 所以它可解决无线电无法传输信息区域的信息传输问题.
第二章 矿井无线通信系统的频率选择
2.1 影响频率的因素
与地面相比,井下地质和生产环境对通信频率影响较大的因素有:(1) 衰减与频率的关系。矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段、低频、中频的低端,随频率增大;衰减增大,在中频高端、高频频段,衰减达到最大,30 MHz 电波的衰减最大,最不利于传输;进入甚高频后,衰减随频率上升而减小。(2) 衰减与曲率的关系。衰减随着巷道曲率增大而增大,如900 MHz ,对于同样巷道壁、截面大小一样的巷道,平直时,传输距离可达600 m 左右;当巷道弯曲90°时,传输距离只有300 m。又如频率为415 MHz 时,直线传输距离可以达380 m ,而遇到拐角时只能达到127 m ,可见有拐角的传输距离一定小于直线的传输距离。对于平直而不受阻挡的巷道而言,频率越高传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差,拐角处的损耗增大,传输距离减小。(3) 衰减与粗糙度、倾斜率的关系。当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将引起电波损耗。根据有关文献的理论分析和实验可知,当频率较低时,粗糙所引起的损耗较大;当频率较高时,倾斜所引起的损耗较大。(4) 导体对无线传输的影响。由于纵向导体的导波作用,当巷道内存在动力电缆、通信电缆、信号电缆、电机车架空线、铁轨、绞车钢丝绳、水管等纵向导体时,矿井无线传输的衰减将减小,并且纵向导体与巷道的绝缘性能越好,越位于巷道中央传输衰减越小[ 3 ] 。在中频、低频段纵向导体的导波作用较大,中频段传输距离可达2 500 m ,随着频率的增高,纵向导体的作用越来越小。在特高频及其以上频段,纵向导体的作用可以忽略不计。(5) 衰减与巷道断面的关系。根据理论分析和实验可知,巷道断面大比断面小对通信更有利。(6) 井下设备对无线传输的影响。井下设备较多、较复杂而且形状不一致,无论是理论分析还是试验验证都较困难。目前较一致的结论是:机车对无线传输的不利影响较大;木制风门对无线传输的不利影响较小,钢木混合风门对无线传输的不利影响较大,而钢制风门可以阻断无线传输;临时性风墙对无线传输的不利影响小,永久性风墙对无线传输的不利影响大,并且随着频率的增高损耗增大;感应线对低频较为敏感,当频率低于10 MHz 时,感应传输距离比自由传播大很多;当频率大于100 MHz 时,两者相差