專利名稱：地下生命呼叫系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線通信系統，特別涉及ー種地下生命呼叫系統。
背景技術：
目前國內外研究的透地無線通信采用的方法技術主要是利用電磁波穿透大地的無線通信原理，采用甚低頻(very low frequency, VLF) (3k 30kHz)或超低頻(ultralow frequency, ULF) (300 3k Hz)電磁波進行透地通信。在中國，在2000年由多家公司合作研發(fā)出采用泄漏電纜作為信息通道的“礦井多功能移動與救災通信系統”屬于半無線通信；西部礦業(yè)股份有限公司2008年研究了井下雙向語音直擴透地通信系統及方法，其在地面和地下都設有收發(fā)器和手持終端，地面環(huán)形天線和井下環(huán)形天線之間設置直接序列擴頻直通信系統，其處理增益受限，因而抗干擾能力受限，多址能力受限；江蘇半徑電子科技有限公司2009年研究了一種礦山用透地無線電通信系統，其為地面發(fā)送地下接收的單向通信；西安電子科技大學2010年研究了ー種超寬帶巖層通信系統，它通過偶極子電極以巖層為傳輸媒質形成電流場無線信道進行通信；E-光譜技術公司2011年研究了一種便攜式無線透地通信系統，使用極低頻電流來收發(fā)文本數據?？梢?，國內已有的電磁波透地通訊系統大都采用接地電極收發(fā)電流信號，在高電阻圍巖地區(qū)不便使用，而地下電場干擾相對較大，若電流信號太微弱，信噪比將會很低，而如果電流信號太強，又容易引起安全隱患，且現有的通信方法信道容量小，受電磁干擾較大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定可靠的地下生命呼叫系統。本發(fā)明提供的這種地下生命呼叫系統，包括若干呼叫器，每個呼叫器包括若干寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、復合磁偶極子天線、功率驅動模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊；計算與控制模塊通過功率驅動模塊控制復合磁偶極子天線發(fā)出磁場信號，寬頻磁傳感器接收其他呼叫器中復合磁偶極子天線發(fā)出的磁場信號，并將該信號傳至信號調理與采集模塊進行寬頻信號處理后，再傳至計算與控制模塊進行信號分析與處理;UPS電源模塊用于給寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊供電。所述信號調理與采集模塊包括前置放大器、エ頻濾波器、可編程增益放大器PGA、低通濾波器和模數轉換器，前置放大器與寬頻磁傳感器相連，用于將由該傳感器接收的音頻信號進行信號放大、音調調整和音量控制；エ頻濾波器與前置放大器相連，用于讓エ頻50HZ信號通過，干擾信號濾除；可編程增益放大器PGA與エ頻濾波器相連，用于調節(jié)放大倍數；低通濾波器與可編程增益放大器PGA相連，用于讓低于截止頻率的信號通過，而高于截止頻率的信號不能通過；模數轉換器與低通濾波器相連，用于將模擬信號轉換成數字信號后傳至計算與控制模塊的MCU。所述功率驅動模塊包括電源逆變模塊、主變壓器、電壓切換模塊、整流濾波模塊、發(fā)送模塊和控制模塊，整流濾波模塊包括整流模塊和濾波模塊，控制模塊包括MCU ；電源逆變模塊與直流電源以及控制模塊相連，用于將直流電逆變成交流電；主變壓器與電源逆變模塊相連，用于將交流電進行升壓；電壓切換模塊與主變壓器的副邊線圈以及控制模塊相連，用于進行變壓器升壓值檔位的切換以及確保發(fā)送機整體工作效率；整流模塊與電壓切換模塊以及主變壓器相連，用于將升壓交流電整流成直流電；濾波模塊與整流模塊相連，用于直流電的濾波；發(fā)送模塊與濾波模塊以及控制模塊相連，用于形成發(fā)送信號；復合磁偶極子天線與發(fā)送模塊相連，用于將放大后的信號發(fā)出。所述電源逆變模塊包括場效應管Q1、場效應管Q2、場效應管Q3和場效應管Q4 ;所述電壓切換模塊包括多路選擇開關；所述濾波模塊采用LC-Ji型濾波器，包括電容Cl、電感LI和電容C2 ;所述發(fā)送模塊包括場效應管Q5、場效應管Q6、場效應管Q7和場效應管Q8 ;場效應管Ql的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q2的漏極相連，同時與主變壓器的原邊A端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q2的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；場效應管Q3的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q4的漏極相連，同時與主變壓器的原邊X端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q4的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；主變壓器副邊的多路抽頭分別與電壓切換模塊的多路選擇開關的輸入連接端相連；該多路選擇開關的控制端與控制模塊中的MCU相連，用于從不同電壓檔位中選擇ー檔電壓傳輸至整流模塊，該多路選擇開關的輸出端與整流模塊的相連；LC-ji型濾波器的電容Cl接于整流模塊的直流正極端與負極端之間，該正極端串聯電感LI后分別與場效應管Q5和場效應管Q6的漏極相連，該負極端還分別與場效應管Q6和場效應管Q8的源極相連；場效應管Q5的源極與場效應管Q6的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q6的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q7的源極與場效應管Q8的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q8的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連。所述復合磁偶極子天線用于發(fā)送特定頻率的長波電磁波信號，該信號的頻率范圍是(TlOkHz。所述復合磁偶極子天線的復合組合方式是各方向磁偶極子相互正交，其相位差在(Tji之間可調。所述寬頻磁傳感器采用寬頻帶磁場測量方式接收磁場信號；并且采用XYZ三個坐標維度全方位接收信號。所述計算與控制模塊采用頻分多址方法區(qū)分發(fā)出的無線信號，用于實現通過信號本身分辨信號源的地址；同時，該模塊還采用單頻時間頻譜分析方法分析接收的無線信號。所述復合磁偶極子天線以及寬頻磁傳感器均不需要接地。本發(fā)明與現有技術相比，有如下優(yōu)點:
1.采用多相正交的磁偶極子天線進行信號發(fā)送，確保信號的多向性，擴大了信號的覆蓋范圍，避免了現有方法使用電極發(fā)送信號在高阻圍巖地區(qū)效果不好的問題，極大提高了信號的可靠性；
2.采用若干寬頻磁傳感器XYZ三向同時接收信號，有效增大了接收信號的頻譜范圍，從而擴大了系統通信的地址范圍，解決了目前已有技術中使用窄帶天線頻譜范圍過小、通信地址范圍過小的問題以及因使用單向線圈或者電極接收信號所面臨的異向信號過弱的問題，極大提高了系統的可靠性； 3.本發(fā)明包含發(fā)射系統和接收系統，任意兩個設備之間能夠同時進行全雙エ通信，解決了目前只能進行單向通信或者半雙エ通信的問題；且發(fā)射系統和接收系統都不需要接地，解決了以往方法中電極接地的問題，便于在復雜的地下工程中使用；
4.本發(fā)明包含大功率UPS不間斷電源，能夠在真正災難發(fā)生時，在失去外部供電的情況下繼續(xù)工作，避免了目前現有設備中自帶電源不足，在斷電后不能進行持續(xù)呼救的問題；
5.本發(fā)明可以實現在地下與地下、地下和地面的“ー發(fā)多收”或“多發(fā)ー收”的通信模
式；
6.本發(fā)明產生的信號以電磁波的方式穿透巖層，避免電流流經巖層引發(fā)瓦斯爆炸等危險事故，安全性更高。


圖1是本發(fā)明的系統結構框圖。圖2是本發(fā)明的信號調理與采集模塊原理框圖。圖3是本發(fā)明的功率驅動模塊的電路原理圖。圖4是本發(fā)明的復合磁偶極子天線的組合方式示意圖。圖5是本發(fā)明的頻分多址方法的示意圖。圖6是本發(fā)明的單頻時間頻譜方法分析信號示意圖。圖7是本發(fā)明的具體實施方式
之一的信號傳遞示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進ー步的說明。如圖1所示，本發(fā)明包括若干呼叫器，每個呼叫器包括功率驅動模塊、復合磁偶極子天線、若干寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊；計算與控制模塊通過功率驅動模塊控制復合磁偶極子天線發(fā)出磁場信號，寬頻磁傳感器接收其他呼叫器中復合磁偶極子天線發(fā)出的磁場信號，并將該信號傳至信號調理與采集模塊進行寬頻信號處理，再傳至計算與控制模塊進行信號分析與處理;UPS電源模塊用于給寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊供電。本發(fā)明發(fā)送端的信號源采用磁偶源，接收端采用寬頻磁傳感器接收磁場信號，發(fā)送端與接收端都無需接地，無論高電阻區(qū)域或低電阻區(qū)域均易實施，而且可該磁傳感器采用寬頻帶磁場測量方式接收磁場信號，能有效避開地下人工電場的干擾。本發(fā)明產生的磁場信號的電流被束縛在寬頻磁傳感器的磁偶極線圈中。本發(fā)明產生的信號以電磁波的方式穿透巖層，避免電流流經巖層引發(fā)瓦斯爆炸等危險事故，安全性更高。在發(fā)送信號時，本發(fā)明采用特定的長波電磁波來負載信息，該電磁波的頻率范圍是(TlOkHz。本發(fā)明在XYZ三個方向上均可接收由復合磁偶極子天線發(fā)出的磁場信號，實現全方位接收信號。如圖2所示，信號調理與采集模塊包括前置放大器、エ頻濾波器、可編程增益放大器PGA、低通濾波器和模數轉換器，前置放大器與寬頻磁傳感器相連，用于將由該傳感器接收的音頻信號進行信號放大、音調調整和音量控制；エ頻濾波器與前置放大器相連，用于讓エ頻50HZ信號通過，干擾信號濾除；可編程增益放大器PGA與エ頻濾波器相連，用于調節(jié)放大倍數；低通濾波器與可編程增益放大器PGA相連，用于讓低于截止頻率的信號通過，而高于截止頻率的信號不能通過；模數轉換器與低通濾波器相連，用于將模擬信號轉換成數字信號后傳至計算與控制模塊的MCU。如圖3所示，功率驅動模塊包括電源逆變模塊、主變壓器、電壓切換模塊、整流濾波模塊、發(fā)送模塊和控制模塊，整流濾波模塊包括整流模塊和濾波模塊，控制模塊包括MCU，電源逆變模塊與直流電源以及控制模塊相連，用于將直流電逆變成交流電；主變壓器與電源逆變模塊相連，用于將交流電進行升壓；電壓切換模塊與主變壓器的副邊線圈以及控制模塊相連，用于進行變壓器升壓值檔位的切換以及確保發(fā)送機整體工作效率；整流模塊與電壓切換模塊以及主變壓器相連，用于將升壓交流電整流成直流電；濾波模塊與整流模塊相連，用于直流電的濾波；發(fā)送模塊與濾波模塊以及控制模塊相連，用于形成發(fā)送信號；復合磁偶極子天線與發(fā)送模塊相連，用于將放大后的信號發(fā)出。電源逆變模塊包括場效應管Ql、場效應管Q2、場效應管Q3和場效應管Q4 ；電壓切換模塊包括多路選擇開關；濾波模塊采用LC-Ji型濾波器，包括電容Cl、電感LI和電容C2 ；發(fā)送模塊包括場效應管Q5、場效應管Q6、場效應管Q7和場效應管Q8 ;場效應管Ql的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q2的漏極相連，同時與主變壓器的原邊A端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q2的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；場效應管Q3的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q4的漏極相連，同時與主變壓器的原邊X端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q4的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；主變壓器副邊的多路抽頭分別與電壓切換模塊的多路選擇開關的輸入連接端相連；該多路選擇開關的控制端與控制模塊中的MCU相連，用于從不同電壓檔位中選擇ー檔電壓傳輸至整流模塊，該多路選擇開關的輸出端與整流模塊的相連；LC-ji型濾波器的電容Cl接于整流模塊的直流正極端與負極端之間，該正極端串聯電感LI后分別與場效應管Q5和場效應管Q6的漏極相連，該負極端還分別與場效應管Q6和場效應管Q8的源極相連；場效應管Q5的源極與場效應管Q6的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q6的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q7的源極與場效應管Q8的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q8的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連。主變壓器的副邊含有多路抽頭，能夠產生不同檔位的電壓值，不同的電壓檔位對應不同的抽頭，這些抽頭分別與電壓切換模塊中多路選擇開關的不同輸入端相連，用于選擇ー檔電壓檔位為后續(xù)相連模塊供電。如圖4所示，本發(fā)明的信號源采用多方向組合的復合磁偶極子天線，其組合方式包括XY方向組合、XZ方向組合、YZ方向組合以及XYZ方向組合。各方向磁偶極子相互正交，相位差在之間可調。這樣的配置方式擴大了信號的覆蓋范圍及信號的多向性，保證了任意地點與方向都能接收到信號。
如圖5所示，本發(fā)明的計算與控制模塊采用頻分多址方法來處理發(fā)出的信號，不同的地址發(fā)送不同頻率信號，從而實現通過信號本身來分辨信號源的地址。接收端的若干寬頻磁傳感器接收到這些信號后，將其通過信號調理與采集模塊再傳至計算與控制模塊，從而可根據接收信號分辨出信號源的地址。如圖6所示，本發(fā)明對接收信號的分析采用單頻時間頻譜分析方法，連續(xù)采樣，對采樣序列分時段進行頻譜變換，然后提取各時段的目標頻點頻譜值進行時間頻譜分析，信號發(fā)送時段里的頻譜將明顯高于未發(fā)送時段里的頻譜，如此可以大大提高弱信號分辨率。
下面結合附圖以及具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步的說明。如圖7所示，本發(fā)明在具體使用時，可按照如下步驟進行:
步驟1，調研現場工作環(huán)境，獲得圍巖電阻率資料，地下工程避難硐室分布及尺寸資料，獲取相鄰硐室的最大垂直距離和最大水平距離，及最淺硐室距離地面垂直距離。步驟2，根據現場調研資料，調制磁偶源的尺寸及其發(fā)送頻率、發(fā)送功率，對不同位置的磁偶源設置不同頻率信號，作為信號來源位置的識別特征。步驟3，每個硐室配置一個呼叫器，形成星型網絡連接，所有的地下呼叫器均與地面呼叫器進行無線通信。如果呼叫器離地面過遠時，可使用較近的呼叫器作為中繼，把信號傳遞到地面呼叫器。礦井正常工作情況下，該通訊系統可作為礦井的附加通訊設備；礦井中發(fā)生事故，有線通訊遭遇破壞情況下，該通訊系統作為應急通訊設備。
權利要求
1.一種地下生命呼叫系統，其特征在于，包括若干呼叫器，每個呼叫器包括若干寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、復合磁偶極子天線、功率驅動模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊；計算與控制模塊通過功率驅動模塊控制復合磁偶極子天線發(fā)出磁場信號，寬頻磁傳感器接收其他呼叫器中復合磁偶極子天線發(fā)出的磁場信號，并將該信號傳至信號調理與采集模塊進行寬頻信號處理后，再傳至計算與控制模塊進行信號分析與處理；UPS電源模塊用于給寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊供電。
2.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述信號調理與采集模塊包括前置放大器、エ頻濾波器、可編程增益放大器PGA、低通濾波器和模數轉換器，前置放大器與寬頻磁傳感器相連，用于將由該傳感器接收的音頻信號進行信號放大、音調調整和音量控制；エ頻濾波器與前置放大器相連，用于讓エ頻50HZ信號通過，干擾信號濾除；可編程増益放大器PGA與エ頻濾波器相連，用于調節(jié)放大倍數；低通濾波器與可編程增益放大器PGA相連，用于讓低于截止頻率的信號通過，而高于截止頻率的信號不能通過；模數轉換器與低通濾波器相連，用于將模擬信號轉換成數字信號后傳至計算與控制模塊的MCU。
3.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述功率驅動模塊包括電源逆變模塊、主變壓器、電壓切換模塊、整流濾波模塊、發(fā)送模塊和控制模塊，整流濾波模塊包括整流模塊和濾波模塊，控制模塊包括MCU ；電源逆變模塊與直流電源以及控制模塊相連，用于將直流電逆變成交流電；主變壓器與電源逆變模塊相連，用于將交流電進行升壓；電壓切換模塊與主變壓器的副邊線圈以及控制模塊相連，用于進行變壓器升壓值檔位的切換以及確保發(fā)送機整體工作效率；整流模塊與電壓切換模塊以及主變壓器相連，用于將升壓交流電整流成直流電；濾波模塊與整流模塊相連，用于直流電的濾波；發(fā)送模塊與濾波模塊以及控制模塊相連，用于形成發(fā)送信號；復合磁偶極子天線與發(fā)送模塊相連，用于將放大后的信號發(fā)出。
4.根據權利要求3所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述電源逆變模塊包括場效應管Q1、場效應管Q2、場效應管Q3和場效應管Q4 ;所述電壓切換模塊包括多路選擇開關；所述濾波模塊采用LC-型濾波器，包括電容Cl、電感LI和電容C2 ;所述發(fā)送模塊包括場效應管Q5、場效應管Q 6、場效應管Q7和場效應管Q8 ;場效應管Ql的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q2的漏極相連，同時與主變壓器的原邊A端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q2的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；場效應管Q3的漏極接直流電源正極，其源極與場效應管Q4的漏極相連，同時與主變壓器的原邊X端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q4的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連，其源極與直流電源負極相連；主變壓器副邊的多路抽頭分別與電壓切換模塊的多路選擇開關的輸入連接端相連；該多路選擇開關的控制端與控制模塊中的MCU相連，用于從不同電壓檔位中選擇ー檔電壓傳輸至整流模塊，該多路選擇開關的輸出端與整流模塊的相連；LC-ji型濾波器的電容Cl接于整流模塊的直流正極端與負極端之間，該正極端串聯電感LI后分別與場效應管Q5和場效應管Q6的漏極相連，該負極端還分別與場效應管Q6和場效應管Q8的源極相連；場效應管Q5的源極與場效應管Q6的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入端相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q6的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q7的源極與場效應管Q8的漏極相連，同時與復合磁偶極天線的輸入相連，其柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連；場效應管Q8的柵極與控制模塊中MCU的驅動控制管腳相連。
5.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述復合磁偶極子天線用于發(fā)送特定頻率的長波電磁波信號，該信號的頻率范圍是(TlOkHz。
6.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述復合磁偶極子天線的復合組合方式是各方向磁偶極子相互正交，其相位差在(T 之間可調。
7.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述寬頻磁傳感器采用寬頻帶磁場測量方式接收磁場信號；并且采用XYZ三個坐標維度全方位接收信號。
8.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述計算與控制模塊采用頻分多址方法區(qū)分發(fā)出的無線信號，用于實現通過信號本身分辨信號源的地址；同時，該模塊還采用單頻時間頻譜分析方法分析接收的無線信號。
9.根據權利要求1所述的地下生命呼叫系統，其特征在于，所述復合磁偶極子天線以及寬頻磁傳感器均 不需要接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地下生命呼叫系統，包括若干呼叫器，每個呼叫器包括功率驅動模塊、復合磁偶極子天線、若干寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊；計算與控制模塊通過功率驅動模塊控制復合磁偶極子天線發(fā)出磁場信號，寬頻磁傳感器接收其他呼叫器中復合磁偶極子天線發(fā)出的磁場信號，并將該信號傳至信號調理與采集模塊進行寬頻信號處理，再傳至計算與控制模塊進行信號分析與處理；UPS電源模塊用于給寬頻磁傳感器、信號調理與采集模塊、計算與控制模塊和UPS電源模塊供電。本發(fā)明采用全雙工通信方式，其信號傳輸采用磁場信號，不受巖層環(huán)境影響，且信號覆蓋范圍廣，安全可靠，配備后備電源，確保持續(xù)呼救。
文檔編號H04B13/00GK103095381SQ201310022850
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權日2013年1月22日
發(fā)明者席振銖, 黃龍, 宋剛, 周勝, 薛軍平, 張道軍, 龍霞, 侯海濤 申請人:長沙五維地科勘察技術有限責任公司