公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统的制作方法

本发明涉及公路通讯定位技术领域，特别是指一种公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统。

背景技术：

公路隧道建设周期短、各工种交叉作业、施工人员的移动性及灾后抢险救灾效率等因素，采用无线电磁波技术实现隧道内人员的有效通讯和定位就十分重要。隧道内的实时通讯与透地定位由于工程环境情况复杂，施工阶段不适合永久通讯基站的设立等原因而难以实时。且公路隧道施工多工种同时作业，通讯网络的布设比较困难，且会对施工产生干扰。而目前人员定位技术也需在隧道内布设发射、接收装置，设备布设在工程区内，在隧道掘进过程中耗损严重。

透地定位一体化系统的发明对于提高地下以及隧道内的安全指标以及生产管理质量有着十分重要的意义：(1)实现了对地下工作人员的实时监测：地面管理人员可以实时查看工程进度以及施工人员所在位置坐标，可以指导地下施工工作。(2)较低的工程造价和较高的定位精度：定位系统无需电缆且传输线路不受地形、地质影响可穿透地层直达隧道内部，降低了系统成本。通过低频电磁波穿透大地能力强的特点，保证了高精度定位。(3)隧道检测，灾后救援：通过在隧道中设置发射机，地面上设置合理的接收机,有效地维持地面与地下的可靠通信。通过检测当前施工坐标来指导下一步。同时利用其穿透性，满足隧道施工发生意外灾害后的应急定位需求。所以研发一套方便携带，抗干扰能力强，防护性能好，性能可靠，定位精度高，实施起来简单且价格低廉的透地定位系统就显得十分迫切和需要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统。

该系统包括发射系统、接收系统和大地通信三部分，其中，发射系统包括甚低频电磁波发射天线、控制部分和驱动部分，接收系统包括接收装置、滤波电路、放大电路和计算机处理单元，控制部分为甚低频电磁波发射控制箱、驱动部分为甚低频电磁波发射驱动箱、接收装置包括甚低频电磁波接收天线；发射系统发射电磁波信号，通过大地通信进行传输，接收系统对电磁波信号进行接收。基于甚低频透地通讯技术，在接收通讯信号的同时可实现电磁波振幅的监测。根据电磁波振幅随距离而衰减的规律，可以计算地表发射天线与地下接收端距离。通过双点发射或三点发射定位，可以获取地下接收端的绝对坐标。距离衰减规律基于毕奥萨伐尔定律，构建距离与振幅关系公式，进行定位计算。

其中，甚低频电磁波发射天线呈单线圈状态布置在隧道上方地表处，接收天线由工作人员随身携带。

甚低频电磁波实现透地通讯，直接到达隧道内部接收系统，无需设置中继或其他无线设备，接收系统同时接收通讯信息和电磁波振幅数据。

甚低频电磁波发射驱动箱的甚低频电磁波发射驱动箱主体内设置驱动箱主体电压调节旋钮、驱动箱主体供电开关、驱动箱主体交流电源接口、驱动箱主体线圈接口和驱动箱主体光纤接口。

甚低频电磁波发射控制箱的甚低频电磁波发射控制箱主体内设置控制箱主体光纤接口和控制箱主体计算机接口。

甚低频电磁波发射驱动箱主体为金属外壳，可以防止静电避免安全隐患；甚低频电磁波控制箱主体和甚低频电磁波接受天线主体为塑料外壳，体积较小质量较轻，便于拆卸和搬运。

甚低频电磁波发射控制箱向逻辑控制电路提供控制信号，使得逻辑控制电路生成全桥控制信号，甚低频电磁波发射驱动箱产生3khz的交变电流，使交变电流通过发射天线向空间中发射交变电磁波。

甚低频电磁波接收天线的甚低频电磁波接收天线主体内设置接收天线主体计算机接口；甚低频电磁波接收天线从电磁场中获取电场与磁场能量并且转化为电压、电流信号送入接收系统进行后续处理。

甚低频电磁波发射天线采用铜芯线，使驱动模块产生的电流通过甚低频电磁波发射天线发射出去。

滤波电路用来滤掉设备周围的高频干扰噪声；放大电路能够增强接收端接收到的信号，区分有用信号与干扰信号。

计算机处理单元可对不同频段电磁波进行数据分析处理。根据毕奥萨伐尔定律和发射天线实际位置得到发射-接收相对距离，并根据多天线网络分析得到接收端绝对坐标，实现定位。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该系统可以避免隧道工程中，常规有线、无线通讯方法在工程建设阶段无法铺设或随进尺实时改线的问题，一次铺设实现隧道内外人员实时通讯和跟踪定位的功能，管理人员在隧道外可以随时对隧道内的工作人员进行及时通讯和定位，能及时掌握隧道里工作人员的分布及作业情况，进行人员的安全管理，当事故发生时能保证塌方区域和指挥系统的联系畅通并可准确定位人员被困位置，提高救援效率，从而达到科学化管理降低工程成本和风险。

附图说明

图1为本发明的公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统运行示意图；

图2为公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统定位示意图；

图3为公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统空间算法坐标示意图；

图4为公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统中甚低频电磁波发射驱动箱的结构示意图；

图5为公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统中甚低频电磁波发射控制箱的结构示意图；

图6为公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统中甚低频电磁波接收天线结构示意图；

图7为本发明实施例中定位分析流程示意图。

其中：1-甚低频电磁波发射驱动箱主体；2-驱动箱主体电压调节旋钮；3-驱动箱主体供电开关；4-驱动箱主体交流电源接口；5-驱动箱主体线圈接口；6-驱动箱主体光纤接口；7-甚低频电磁波发射控制箱主体；8-控制箱主体光纤接口；9-控制箱主体计算机接口；10-甚低频电磁波接收天线主体；11-接收天线主体计算机接口。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种公路隧道甚低频透地通讯—定位一体化系统。

如图1所示，该系统包括发射系统、接收系统和大地通信三部分，其中，发射系统包括甚低频电磁波发射天线、控制部分和驱动部分，接收系统包括接收装置、滤波电路、放大电路和计算机处理单元，控制部分为甚低频电磁波发射控制箱、驱动部分为甚低频电磁波发射驱动箱、接收装置包括甚低频电磁波接收天线；发射系统发射电磁波信号，通过大地通信进行传输，接收系统对电磁波信号进行接收。

如图4所示，甚低频电磁波发射驱动箱的甚低频电磁波发射驱动箱主体1内设置驱动箱主体电压调节旋钮2、驱动箱主体供电开关3、驱动箱主体交流电源接口4、驱动箱主体线圈接口5和驱动箱主体光纤接口6。

如图5所示，甚低频电磁波发射控制箱的甚低频电磁波发射控制箱主体7内设置控制箱主体光纤接口8和控制箱主体计算机接口9。

如图6所示，甚低频电磁波接收天线的甚低频电磁波接收天线主体10内设置接收天线主体计算机接口11。

该系统在实际应用过程中原理如下：

(1)选择3khz作为甚低频透地通讯频段，配置相关发射、接收设备。

根据电磁波穿透岩层特性，选择3khz频段作为发射、接收频率。根据此技术指标，确定发射设备为：发射控制部分采用ti公司生产的stm32f103zet6型号单片机，它是基于armcortex-m3核心的32位微控制器，采用lqfp-144封装，最高工作频率为72mhz，其cpu操作电压范围为2.0-3.6v；发射驱动部分采用自主研发的全桥电路，其可产生3khz的交变电流；甚低频电磁波发射天线由95mm²铜芯线电缆，电缆长度80m，即发射线圈半径为12.73m。发射信号采用自主研发的全桥电路产生3khz的交变电流，使之通过发射天线向空间中发射交变电磁波方式。接收设备为：接收天线采用自主研发的带铁氧体磁芯的磁棒天线，其工作频率为300-3khz，工作温度在-30℃到+70℃，可以满足在隧道内进行透地定位的要求；滤波电路的芯片采用maxim公司生产的有源滤波芯片max274aewi，其最大工作频率为10mhz，工作电压为+5v或±5v，中心频率范围是100hz～150khz。放大电路采用lt1028为放大电路中的芯片，其电源电压为±5v～±20v，转换速率为15v/ns，噪声密度为0.9nv；计算机处理单元采用creative声卡，将接收电路接收到的信号转化为音频信号由matlab进行采集。

(2)发射天线定位及布设

在隧道线路上选取3个天线发射点进行组网，发射间距可选为100米左右。采用全站仪测设并记录发射点位置，并采用水泥桩进行标记。

(3)信号标定

所定制设备透地信号可传输500米。通讯讯号标定可在已部分掘进硐室内进行或在相邻工程硐室内进行。首先调试通讯信号信噪比，筛选滤噪选项，获取清晰通讯信号。

接收器选用采用自主研发的带铁氧体磁芯的磁棒天线，其工作频率为300-3khz，工作温度在-30℃到+70℃，可以满足在隧道内进行透地定位的要求，标定时在隧道内部坐标已知测点上放置接收器。接收器顶端竖直向下，采用吊锤确保接收天线垂直度(其定位示意图见图2)，然后进行电磁波幅值强度的接收。然后根据定位算法，计算测点坐标和与发射天线相对误差。

(4)人员定位设备运行，人员进入隧道时佩戴接收终端。发射天线，设定信号发射间隔，接收端实时获取定位信号，并通过透地通讯信号传给控制室；

(5)控制室内定位分析系统根据传输回来的数字信号，计算人员接收器位置，并显示在隧道模型图中，定位信息实时更新。(定位分析流程见图7)

本系统中定位算法采用毕奥萨伐尔定律，采用3khz甚低频电磁波，甚低频电磁波的发射天线为通有交变电流的电流环，可以通过毕奥萨伐尔定律对其磁场分布进行求解。采用圆柱坐标进行计算，则电流环模型如图3：

设在半径为r的圆环中通过逆时针的电流i，在电流环上的a(r，α，0)点取一电流元，则其中空间中的p点坐标为空间中单位矢量为则p点相对于a点的位置矢量为：

根据上式可得电流元在p点产生的磁场为：

因此根据毕奥萨伐尔定律可以得出空间磁场的各分量：

对α进行在0到2π上的积分，得：

为了计算在柱坐标上下的积分，令则dα＝dγ，上式可转化为：

其中对进行换元处理，令γ＝π-θ，则dγ＝-dθ，则

其中积分区间是对称区间，被积函数是关于θ的奇函数，因此在电流环的远场区，由于ρ＞＞r，因此空间中的点p到电流环中心的距离远大于电流环的半径，因此

则：

圆柱坐标与直角坐标的转换公式为：

并将带入，得

上式就是甚低频电磁波在直角坐标系下的表达式，上式有利于我们定量分析空间各点的磁场强度，通过实验测定各方向的幅值，可以唯一确定空间中的点，对于透地定位系统有理论上的指导意义。

本系统适用的地域环境条件：平原、丘陵、山地、高原地带。适用的气象条件：阴天、刮风、小雨。适用的地质条件：无岩石等级强度要求，裂隙发育的岩石、含有地下水的岩层以及富含断层褶皱的岩层对本产品均无影响。

将该系统采用如下步骤安装应用：

一、将甚低频电磁波发射驱动箱、控制箱放置在平坦的地面上，严禁放置在有积水的地面上；

二、在隧道经过的岩层上方指定区域内将电缆线铺设成直径大约17m左右的圆圈(形状尽可能的接近圆形)，线圈的两端分别接在甚低频电磁波发射驱动箱接线口处，用扳手将其牢固的接好；

三、通过六根光纤把甚低频电磁波发射驱动箱和控制箱进行连接，切记光纤不能用力对折，严格按照接线口对应的编码a、b字样牢固的接好，以免造成接触不良影响信号的发射；

四、通过数据线将甚低频电磁波发射控制箱和计算机连接；

五、隧道上部设备安装完成后，有人员将甚低频电磁波接受天线带进隧道内，将接收天线和示波器连接好，由于天线结构细长要轻拿轻放；

六、在以上步骤完成后，将甚低频电磁波发射驱动箱和220v交流电源接通；

七、整套设备按步骤连接完成后，在计算机上调节好发送的频率，在甚低频电磁波发射驱动箱电压调节旋钮上调节好频率所对应的电压，隧道内的接受天线就可以接收到发射线圈发射的信号，达到隧道内人员定位的作用，通过语音文本的传送可以达到通讯的作用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。