专利名称：一种透地通信系统的制作方法
技术领域：
本发明属于透地通信技术领域，尤其涉及利用弹性波进行透地通信的通信系统。
背景技术：
我国是煤矿矿难和其他矿井灾害多发的国家之一，爆炸、透水、冒顶、火灾等灾害每年 造成巨大人员和财产损失。很多矿山灾害发生时，井下与地面就会失去一切联系手段，地面 人员无法获知井下人员的位置和情况，无法制定最合适的救援方案，这必然会大大影响救灾 效率。低频透地通信系统以大地介质作为传播媒质。由于此媒质的信道特性不受井下灾害事 故的影响，该系统被认作是最可靠的应急通信手段。
透地信息获取或信息传输的方法主要有电场、磁场、电磁波和弹性波等多种，但真正能 够满足通信带宽实际需要的只有电磁波和弹性波信道。低频电磁波对岩土层的穿透效果较好， 利用电磁波进行透地信息获取的探地雷达目前能够探测深度达几十米。但低频电磁波发射所 需的巨型地耦合天线尺寸制约了探地雷达的透地深度。目前正在研究的透地通信方式也都是 釆用大功率电磁波和巨型环形天线的方式，除频率之外，电磁波的穿透深度与大地介质的电 导率也有很大的关系。弹性波在各向同性的弹性介质中有良好的传输特性，但地层中的砂岩 层和十.层并不是弹性介质，对地震波的研究结果表明，低频和中频弹性波在地层中的传输衰 减较小，高频弹性波并不适合地层中传输。
在弹性波透地通信中，传播衰减和界面反射是造成信号能量损失的两大主要原因。普通 扬声器靠空气振动发出声音，因空气介质和大地介质的声阻抗差别非常大，声波信号能量传 递到达地层面将不可避免地在界面处产生在产生强反射，大部分能量无法保真地传输到大地 介质中，而大地介质紧密耦合的扬声器不仅能够提高能量的利用率，降低发射声阻，大大提 高声音的保真度，减小因松耦合引起的声波功率谱的非线性改变和附加噪声。
由于地层介质结构复杂，有的地层对弹性波的吸收非常明显，因此弹性波信号在地层中 传播的衰减非常大，限制了弹性波的传播距离。目前，如何在弹性波透地通信中延长信号传
输距离仍是一个非常重要的研究课题。本发明中，对原始信号使用扩频调制方式可以使弹性 波信号得到额外的扩频增益，借此抵消传播中的衰减，起到了延长弹性波信号在地层中的传 输距离的作用。
发明内容
本发明的任务在于提供一种透地通信系统，该透地通信系统在地层中能够延长信号传输距离。
其技术解决方案是
一种透地通信系统，包括地耦合扬声器和地耦合拾音器，地耦合扬声器与地耦合拾音器 之间为地层介质；在信号输入端设有编码器，编码器连接扩频调制与功率放大器，扩频调制 与功率放大器连接地耦合扬声器，地耦合扬声器位于发射端一侧的地层上或地层内；在信号 输ll',端，地耦合拾音器位于接收端一侧的地层上或地层内，信号被地耦合拾音器接收，地耦 合拾音器连接低噪声放大与选频滤波器，低噪声放大与选频滤波器连接扩频解调器，由扩频 解调器输出还原信号。
上述地耦合扬声器和地耦合拾音器均嵌入地层内。 上述扩频调制与功率放大器采用直接序列扩频方式。 上述扩频凋制与功率放大器采用正交频分复用(OFDM)扩频方式。
上述透地通信系统，在信号输入端，待传送的原始信号先由编码器完成数字编码，编码 后的数字信号进入到扩频调制和功率放大器完成对信号的放大、扩频和调制，将编码信号变 成.lf.弦波振动信号，正弦波振动信号输入到地耦合扬声器中，由地耦合扬声器完成从电信号 到机械振动波信号的转换，地耦合扬声器将机械振动波信号高效地耦合到地层介质中去，并 在地层介质中以弹性波的方式传播；当弹性波到达接收端时，地耦合拾音器的微震检测单元 检测到地层中的弹性波振动信号，将机械振动信号转变成相应的电流信号，该电信号经低噪 声放大与选频滤波器处理后，送至扩频解调器，完成扩频的解调以及对编码的解码，还原成 原始信号。
有益技术效果是
本发明是利用地耦合扬声器和地耦合拾音器完成弹性波到地层介质的高效耦合。由于地 耦合扬声器和地耦合拾音器都是嵌入地层中工作的，它们产生的机械振动可以直接耦合到地 层介质中去，避免地层/空气界面的反射能量损失。
本发明是利用大地介质来实现弹性波信号通信的系统，首先将传输信号经过扩频调制， 扩频调制的目的是增加信号的抗干扰能力，此外还可以获得相应的扩频增益，扩频调制的方 式口T以在不增大发射功率的前提下，提高接收信号的增益，扩频后的电信号再经过地耦合扬 声器转换成可在地层介质中传输的弹性波信号；在接收端，地耦合拾音器接收弹性波信号并 将其转变为电信号。由于扩频通信系统的扩频增益，本发明的系统实际上提高了接收信号的 增益，相应地延长了信号在地层中的传输距离。同时，本发明使用适合在地层中传输的弹性 波作为透地通信系统信息的载体，利用地耦合扬声器和地耦合拾音器完成弹性波的发送和接 收，利用扩频调制技术对信号进行调制，增强信号的抗干扰性能。本发明中所使用的地耦合 扬声器嵌入到地层介质中，其振动直接耦合到地层介质中去，没有空气-大地界面反射的能量 损失，地耦合拾音器也嵌入地层介质中工作，将地层振动高效地耦合到拾音器上。
图1为本发明一种实施方式的原理示意框图。
图2为本发明中扩频调制器与功率放大器一种实施方式的原理示意框图。
下面结合附图对本发明进行说明
具体实施例方式
结合图1及图2， 一种透地通信系统，在信号输入端，设有编码器l，编码器l连接扩频 调制与功率放大器2，扩频调制与功率放大器2连接地耦合扬声器3，地耦合扬声器3位于发 射端一侧的地层上或地层内如优选方式为将地耦合扬声器3嵌入地层内。在信号输出端，地 耦合拾音器5位于接收端一侧的地层上或地层内如优选方式为将地耦合拾音器5嵌入地层内。 地耦合扬声器3与地耦合拾音器5之间为地层介质4。弹性波信号被地耦合拾音器5接收， 地耦合拾音器5连接低噪声放大与选频滤波器6，低噪声放大与选频滤波器6连接扩频解调 器7，扩频解调器7输出还原信号。上述地耦合拾音器和地耦合扬声器嵌入地层中以实现与
地层介质的高效耦合。
下面对有关内容作进一步说明
待传送信号先由编码器完成编码，编码后的数字信号进入到扩频调制和功率放大器部 分，完成对信号的放大、扩频和QPSK调制，将编码信号又变成正弦波振动信号。正弦波信 号输入到地耦合扬声器中，由地耦合扬声器完成从电信号到机械振动波信号的转换，地耦合 扬声器将机械振动波信号高效地耦合到地层介质中去，并在地层介质中以弹性波的方式传播。
当地耦合拾音器检测到地层中的弹性波信号时，地耦合拾音器的微震检测单元将振动信 号转变成电信号，此信号经低噪声放大与选频滤波器(LNA)进行放大等处理后，送至扩频 解调器，扩频解调部分完成扩频的解调和对编码的解码，形成还原信号。
系统的扩频调制部分对信号可使用直接序列扩频方式，伪随机码发生器产生伪码序列对 发送数字信号进行扩频，扩频以后的信号再由QPSK调制，送至地耦合扬声器。
上述扩频调制与功率放大器2包含扩频调制器201、伪随机序列发生器202、时钟部 分203、 QPSK调制器204、载波部分205和放大器206。本发明中的信号采用扩频调制，扩 频调制可以使用户得到扩频增益，其结果会使信号的传输距离大大延长。例如采用码分多址 (CDMA)方式，假如使用扩频码序列长度为1024，要传送信号的每一 bit都被1024码片长 的扩频码调制，其数据传输速率会增加1024倍，由此得到的扩频增益可以达
10*lg(Ns/Nb)= 10*lg(1024)=30dB
这可以弥补大地信道传输的部分衰减，延长弹性波信号的传播距离。换句话说，在接收 条件不变的情况下，传输相同的距离，使用扩频技术将允许发送功率降低30dB，意味着设备 的功率和体积的减小。
使用正交频分复用方式扩频，所要传输信号调制到多个正交的子载波上，所有子载波被 同一个信号调制，分别在地层介质信道中传输。在信号接收端，所有接收子载波信号进行分 集接收，以此提高接收增益。
权利要求
1、一种透地通信系统，特征是包括地耦合扬声器和地耦合拾音器，地耦合扬声器与地耦合拾音器之间为地层介质；在信号输入端设有编码器，编码器连接扩频调制与功率放大器，扩频调制与功率放大器连接地耦合扬声器，地耦合扬声器位于发射端一侧的地层上或地层内；在信号输出端，地耦合拾音器位于接收端一侧的地层上或地层内，信号被地耦合拾音器接收，地耦合拾音器连接低噪声放大与选频滤波器，低噪声放大与选频滤波器连接扩频解调器，由扩频解调器输出还原信号。
2、 根据权利要求1所述的透地通信系统，其特征在于所述地耦合扬声器和地耦合拾音器均 嵌入地层内。
3、 根据权利要求1所述的透地通信系统，其特征在于所述扩频调制与功率放大器采用直接 序列扩频方式。
4、 根据权利要求1所述的透地通信系统，其特征在于所述扩频调制与功率放大器采用正交 频分复用扩频方式。
5、 根据权利要求1所述的透地通信系统，其特征在于所述透地通信系统，在信号输入端， 待传送信号先由编码器完成编码，编码后的数字信号进入到扩频调制和功率放大器完成对信 号的放大、扩频和调制，将编码信号变成正弦波振动信号，正弦波信号输入到地耦合扬声器 中，由地耦合扬声器完成从电信号到机械振动波信号的转换，地耦合扬声器将机械振动波信 号高效地耦合到地层介质中去，并在地层介质中以弹性波的方式传播；当地耦合拾音器检测 到地层中的弹性波信号时，地耦合拾音器的微震检测单元将振动信号转变成电信号，该电信 号经低噪声放大与选频滤波器处理后，送至扩频解调器，完成扩频的解调与对编码的解码， 形成还原信号。
全文摘要
本发明公开一种透地通信系统，包括地耦合扬声器和地耦合拾音器，地耦合扬声器与地耦合拾音器之间为地层介质；在信号输入端设有编码器，编码器连接扩频调制与功率放大器，扩频调制与功率放大器连接地耦合扬声器，地耦合扬声器位于发射端一侧的地层上或地层内；在信号输出端，地耦合拾音器位于接收端一侧的地层上或地层内，信号被地耦合拾音器接收，地耦合拾音器连接低噪声放大与选频滤波器，低噪声放大与选频滤波器连接扩频解调器，由扩频解调器输出还原信号。该透地通信系统具有在地层中能够延长信号传输距离，及抗干扰能力强等特点。
文档编号H04B1/69GK101383663SQ200810158220
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者吕常智, 吕文红, 浩 孙, 孙红雨, 徐春阳, 李殿涛, 王凤瑛, 王正杰, 穆卫涛, 郝建军, 郭银景 申请人:山东科技大学