一种基于距离感应的透地通信方法和通信装置

1.本发明涉及透地通信技术领域，尤其涉及一种基于距离感应的透地通信方法和通信装置。


背景技术：

2.目前电极透地通信技术被应用于采矿、隧道救援等场合。电极透地通信技术采用甚低频或者低频频段，将电极插入土层之中，利用土层作为电介质，一端电极发送的信号会透过土层中在另一端电极上产生感应，从而传递信息，但由于电极透地通信技术在通信过程中由于埋地电极深度和方向的不固定、会造成传播信号能量衰减，提高透地通信过程中的传输效率是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于距离感应的透地通信方法和通信装置，基于埋地电极设置用于通信信号传输的通信电场和屏蔽电场，可以提高透地通信的信号传输效率和质量。
4.本发明提供了一种基于距离感应的透地通信方法，包括：
5.s1：获取用于发送的目标信息，并转换为透地通信信号；
6.s2：基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；
7.s3：利用透地通信信号接收装置接收透地通信信号，转换获得目标信息。
8.进一步地，所述屏蔽电极对的埋地电极之间的电压保持稳定；所述透地通信信号的载波频率处于甚低频或低频频段。
9.进一步地，s1包括：
10.s101：利用软件编程的方法完成对目标信息的编码、扩频调制，生成扩频调制信息；
11.s102：利用单片机将扩频调制信息调制为宽带脉冲波形后，利用脉冲成形电路转换为透地通信信号。
12.进一步地，s101中扩频调制为：根据预设的一条原型pn码，对原型pn码循环移位，生成m个相互正交的pn码，对种类数量为m的符号进行逐个扩频。
13.进一步地，s2包括：
14.s201：根据预设的通信传输标准，获取透地信道电磁参数；
15.s202：根据透地信道电磁参数中的导电率值，计算获得透地土壤层的深度；
16.s203：根据所述深度，确定埋地电极的第一埋地深度。
17.进一步地，s2包括：
18.s204：基于预设的电极阻抗模型，获取电极阻抗值与电极埋地深度值之间的关系；
19.s205：根据预设的通信传输标准，获取电极阻抗值，根据电极阻抗值，计算获得埋
地电极的第二埋地深度；
20.s206：将第一埋地深度和第二埋地深度加权求和计算后取平均值，得到埋地电极的埋地深度；
21.s207：根据埋地电极的埋地深度，对埋地电极进行埋地配置。
22.进一步地，s3包括：
23.s301：采用加较长同步头的方法对接收到的通信信号进行捕获，获得捕获信号；
24.s302：对捕获信号进行下采样，获得承载通信信号；
25.s303：基于承载通信信号，获取码片长度为l的扩频信号进行fft变换，然后与原型pn码的频域数值相乘，获得第一变换序列；
26.s304：对第一变换序列进行ifft变换，获得长度为l的序列，根据所述序列峰值的位置，对承载通信信号进行解扩，获得解扩信号；
27.s305：对解扩信号进行rs译码，获得目标信息。
28.进一步地，还包括s4，对透地通信信号的通信干扰进行抑制：
29.s401：将接收到的透地通信信号按照预设的点数进行截取处理，获得截取后的透地通信信号；
30.s402：采用多相滤波技术，通过高阶滤波器对截取后的透地通信信号进行滤波处理；
31.s403：将滤波处理后的通信信号进行fft计算，获得高于预设门限的干扰信号频率；
32.s404：利用时域自适应陷波器，将干扰信号频率值作为初始值，进行时域窄带干扰抑制。
33.进一步地，还包括s5，检测信号衰减情况并进行补偿；
34.s501：设定正常衰减情况下、透地通信信号接收端与发送端的固定电势差值；
35.s502：测量接收端接收到透地通信信号后产生的电势差值，计算所述电势差与固定电势差值的第一差值；
36.s503：根据预设的衰减补偿量与第一差值绝对值的量值对照表，确定第一差值所对应的衰减补偿量；
37.s504：当所述第一差值为正值时，按照衰减补偿量进行增加操作；当所述第一差值为负值时，按照衰减补偿量进行减少操作。
38.本发明提供了一种基于距离感应的透地通信装置，包括：
39.透地通信信号获取模块，用于获取要发送的目标信息，并转换为透地通信信号；
40.透地通信装置设置模块，用于基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；
41.透地通信信号接收模块，用于利用透地信号接收装置接收透地通信信号，并转换为目标信息。
42.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
43.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
44.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
45.图1为本发明的一种基于距离感应的透地通信方法步骤示意图；
46.图2为本发明的一种基于距离感应的透地通信方法接收透地通信信号方法步骤示意图；
47.图3为本发明一种基于距离感应的透地通信装置结构示意图。
具体实施方式
48.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
49.本发明提供一种基于距离感应的透地通信方法，如图1所示，包括：
50.s1：获取用于发送的目标信息，并转换为透地通信信号；
51.s2：基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；
52.s3：利用透地通信信号接收装置接收透地通信信号，转换获得目标信息。
53.上述技术方案的工作原理为：通过埋设多对电极，构建用于通信信号传输的通信电场和屏蔽电场，可以保证透地通信信号的正常传输；本实施例获取用于发送的目标信息，并转换为透地通信信号；基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；利用透地通信信号接收装置接收透地通信信号，转换获得目标信息。
54.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过基于距离感应而科学的设置电极埋地深度，可以提高透地通信的信号传输效率和质量。
55.在一个实施例中，所述屏蔽电极对的埋地电极之间的电压保持稳定；所述透地通信信号的载波频率处于甚低频或低频频段。
56.上述技术方案的工作原理为：屏蔽电极对的埋地电极之间的电压保持稳定；所述透地通信信号的载波频率处于甚低频或低频频段。
57.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过设置屏蔽电极对地电压和透地通信信号的载波频率，以保证透地通信装置地正常工作。
58.在一个实施例中，s1包括：
59.s101：利用软件编程的方法完成对目标信息的编码、扩频调制，生成扩频调制信息；
60.s102：利用单片机将扩频调制信息调制为宽带脉冲波形后，利用脉冲成形电路转换为透地通信信号。
61.上述技术方案的工作原理为：透地通信地实现过程分为接收和发射两部分，两部
分都由硬件部分和软件部分组成，对于发射端和接收端硬件部分结构，用单片机控制来实现；利用软件编程的方法完成对目标信息的编码、扩频调制，生成扩频调制信息；利用单片机将扩频调制信息调制为宽带脉冲波形后，利用脉冲成形电路转换为透地通信信号。
62.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过软件系统和单片机硬件设备可以更好地将目标信息转换为透地通信信号。
63.在一个实施例中，s101中扩频调制为：根据预设的一条原型pn码，对原型pn码循环移位，生成m个相互正交的pn码，对种类数量为m的符号进行逐个扩频。
64.上述技术方案的工作原理为：为了更好地实现编码增益，采用扩频和编码相结合的方式，根据m取值的增加，可以改善误比特率性能；具体为：根据预设的一条原型pn码，对原型pn码循环移位，生成m个相互正交的pn码，对种类数量为m的符号进行逐个扩频。
65.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过扩频与编码相结合的方式，可以提高编码增益，降低计算复杂度。
66.在一个实施例中，s2包括：
67.s201：根据预设的通信传输标准，获取透地信道电磁参数；
68.s202：根据透地信道电磁参数中的导电率值，计算获得透地土壤层的深度；
69.s203：根据所述深度，确定埋地电极的第一埋地深度。
70.上述技术方案的工作原理为：土壤作为透地通信传播的介质，其电磁参数，如电导率、介电常数、磁导率等影响并决定着通信信号在土壤中的传播，其中电导率反映土壤中土层传导电流的能力，随着土壤土层深度的增加，结构变得越来越紧密，且湿度降低，导电率相对较低，随着深度的持续增加，相应的地层温度升高，导电率随着温度又开始升高；根据这一变化，设置透地电极土壤层的深度；具体为：根据预设的通信传输标准，获取透地信道电磁参数；根据透地信道电磁参数中的导电率值，计算获得透地土壤层的深度；根据所述深度，确定埋地电极的第一埋地深度。
71.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过导电率获得埋地电极的深度，可以提供一个有效的参考数据。
72.在一个实施例中，s2包括：
73.s204：基于预设的电极阻抗模型，获取电极阻抗值与电极埋地深度值之间的关系；
74.s205：根据预设的通信传输标准，获取电极阻抗值，根据电极阻抗值，计算获得埋地电极的第二埋地深度；
75.s206：将第一埋地深度和第二埋地深度加权求和计算后取平均值，得到埋地电极的埋地深度；
76.s207：根据埋地电极的埋地深度，对埋地电极进行埋地配置。
77.上述技术方案的工作原理为：当电极插入地下时，与地面会形成一定的空隙，从而产生一定的电容值；电极的阻抗与包围它的介质的盐度、湿度、温度、导电率等以及它本身的材质、长度、直径、形状等有着密切的关系。通过增大电极和大地的接触面积可以有效降低阻抗，即电极埋入地下越深，其电极阻抗的值越小；根据这一理论，也计算出复合要求的埋地电极深度；具体为：基于预设的电极阻抗模型，获取电极阻抗值与电极埋地深度值之间的关系；根据预设的通信传输标准，获取电极阻抗值，根据电极阻抗值，计算获得埋地电极的第二埋地深度；将第一埋地深度和第二埋地深度加权求和计算后取平均值，得到埋地电
极的埋地深度；根据埋地电极的埋地深度，对埋地电极进行埋地配置。
78.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过电极阻抗模型计算得到的第二埋地深度，并结合第一埋地深度计算出综合的电极埋地深度，可以保证埋地深度设置的科学合理，有利于透地通信信号的高效传输。
79.在一个实施例中，如图2所示，s3包括：
80.s301：采用加较长同步头的方法对接收到的通信信号进行捕获，获得捕获信号；
81.s302：对捕获信号进行下采样，获得承载通信信号；
82.s303：基于承载通信信号，获取码片长度为l的扩频信号进行fft变换，然后与原型pn码的频域数值相乘，获得第一变换序列；
83.s304：对第一变换序列进行ifft变换，获得长度为l的序列，根据所述序列峰值的位置，对承载通信信号进行解扩，获得解扩信号；
84.s305：对解扩信号进行rs译码，获得目标信息。
85.上述技术方案的工作原理为：本实施例采取基于变换域的解扩方案，具体步骤为：
86.s301：采用加较长同步头的方法对接收到的通信信号进行捕获，获得捕获信号；
87.s302：对捕获信号进行下采样，获得承载通信信号；
88.s303：基于承载通信信号，获取码片长度为l的扩频信号进行fft变换，然后与原型pn码的频域数值相乘，获得第一变换序列；
89.s304：对第一变换序列进行ifft变换，获得长度为l的序列，根据所述序列峰值的位置，对承载通信信号进行解扩，获得解扩信号；
90.s305：对解扩信号进行rs译码，获得目标信息。
91.判断接收到的通信信号是否被捕获到有两种方法：门限法和寻找最大值的方法。门限法为每计算出一个相关值，便和设定的门限进行比较，大于门限则为捕获成功进入信号跟踪，小于门限则滑动一位即改变相位重新计算相关值。寻找最大值的方法为每个周期找一个最大值，若最大值位置周期出现，或者大于设定门限值，则为捕获到。门限法虚警概率大于最大值法，但漏检概率小于最大值法。同时最大值法需要更长的捕获时间且占用的硬件资源也更多；本发明结合门限法和最大值法，改进捕获算法，具体步骤为：
92.步骤1：对通信信号进行多路并行接收，分别与本地pn码进行滑动相关，在每多个采样时间间隔内得到多个相关值，将每隔两路的相关值相减再取绝对值，将它们比较大小后保留绝对值最大者作为判决量，并记下其相对位置；
93.步骤2：将判决量与预设的第一门限阈值比较，若小于第一门限阈值，则接收通信信号滑动一位后再重复步骤1，若判决量大于第一门限阈值，进入步骤3；
94.步骤3：接收信号每滑动一位，进行一次步骤1，重复一个预设周期值的次数，在计算出的与周期值数量相等的最大值中找到最大值并保存其位置，为了降低漏检概率，在找到最大值的同时保存接收信号所有大于第二门限阈值的位置，第二门限阈值高于第一门限阈值；
95.步骤4：接收通信信号继续滑动，看与步骤3找到的最大值位置相差一个周期的位置是否大于第二门限阈值，若大于第二门限阈值，则信号捕获到进入跟踪。若没有达到第二门限阈值，则继续滑动找到这一周期的最大值以及暂时保存下大于第二门限阈值的值，然后在与上一周期的值进行比较，判断与最大值相差一个周期的位置是否大于第二门限阈
值，若大于第二门限阈值，则捕获到，若小于第二门限阈值，则继续步骤3。
96.基于以上步骤得到，捕获通信信号的过程中，捕获门限的计算对于捕获性能有直接关系；
[0097][0098]
上式为根据噪声分布函数得到的虚警概率的计算公式，其中pf为虚警概率值，s为捕获门限值，β2为信号噪声的方差，k为独立高斯随机变量的个数,i为位于从s至无穷大区间上的数值，s≤i《∞；当捕获门限较低时，捕获的虚警概率较大；当捕获门限较大时，捕获虚警概率降低，根据这一关系，可以选择合适的捕获门限值。
[0099]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过基于变换域的解扩可以有效地实现对信号的译码，获得准确的目标信息；通过基于门限法和最大值法改进的捕获算法对通信信号进行捕获，可以在保证原有虚警概率的条件下，设置合适的捕获门限值，从而提高捕获概率。
[0100]
在一个实施例中，还包括s4，对透地通信信号的通信干扰进行抑制：
[0101]
s401：将接收到的透地通信信号按照预设的点数进行截取处理，获得截取后的透地通信信号；
[0102]
s402：采用多相滤波技术，通过高阶滤波器对截取后的透地通信信号进行滤波处理；
[0103]
s403：将滤波处理后的通信信号进行fft计算，获得高于预设门限的干扰信号频率；
[0104]
s404：利用时域自适应陷波器，将干扰信号频率值作为初始值，进行时域窄带干扰抑制。
[0105]
上述技术方案的工作原理为：透地通信过程中，有各种各样的干扰，接收端接收电压与距离大小存在衰减关系，所以随着通信距离增大，接收到的电压值迅速衰减；因透地通信干扰是窄带干扰，需要有效的抑制窄带干扰的方法，时域窄带干扰抑制技术能有效抑制干扰，但是收敛速度慢，频域窄带干扰抑制技术工程实现简单，能抑制多个窄带干扰，但会使处理时间增长，延时增大；本发明将时域和频域窄带干扰抑制算法相结合进行信号的干扰抑制，具体为：
[0106]
s401：将接收到的透地通信信号按照预设的点数进行截取处理，获得截取后的透地通信信号；
[0107]
s402：采用多相滤波技术，通过高阶滤波器对截取后的透地通信信号进行滤波处理；
[0108]
s403：将滤波处理后的通信信号进行fft计算，获得高于预设门限的干扰信号频率；
[0109]
s404：利用时域自适应陷波器，将干扰信号频率值作为初始值，进行时域窄带干扰抑制。
[0110]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过对透地通信信号的干扰抑制，可以提高透地通信信号接收端接收信号的灵敏度。
[0111]
在一个实施例中，还包括s5，检测信号衰减情况并进行补偿；
[0112]
s501：设定正常衰减情况下、透地通信信号接收端与发送端的固定电势差值；
[0113]
s502：测量接收端接收到透地通信信号后产生的电势差值，计算所述电势差与固定电势差值的第一差值；
[0114]
s503：根据预设的衰减补偿量与第一差值绝对值的量值对照表，确定第一差值所对应的衰减补偿量；
[0115]
s504：当所述第一差值为正值时，按照衰减补偿量进行增加操作；当所述第一差值为负值时，按照衰减补偿量进行减少操作。
[0116]
上述技术方案的工作原理为：由于信号传输过程中引起的衰减，会影响到通信信息传输的质量，有必要对信号衰减情况进行检测并进行补偿；本发明具体步骤为：
[0117]
s501：设定正常衰减情况下、透地通信信号接收端与发送端的固定电势差值；
[0118]
s502：测量接收端接收到透地通信信号后产生的电势差值，计算所述电势差与固定电势差值的第一差值；
[0119]
s503：根据预设的衰减补偿量与第一差值绝对值的量值对照表，确定第一差值所对应的衰减补偿量；
[0120]
s504：当所述第一差值为正值时，按照衰减补偿量进行增加操作；当所述第一差值为负值时，按照衰减补偿量进行减少操作。
[0121]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过检测衰减情况并进行补偿，可以有效地补偿信号的衰减，保证信号传输的质量。
[0122]
本发明提供一种基于距离感应的透地通信装置，如图3所示，包括：
[0123]
透地通信信号获取模块，用于获取要发送的目标信息，并转换为透地通信信号；
[0124]
透地通信装置设置模块，用于基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；
[0125]
透地通信信号接收模块，用于利用透地信号接收装置接收透地通信信号，并转换为目标信息。
[0126]
上述技术方案的工作原理为：通过设置透地通信信号获取模块、透地通信装置设置模块和透地通信信号接收模块，构建透地通信信号的发射接收装置；具体为：透地通信信号获取模块，用于获取要发送的目标信息，并转换为透地通信信号；透地通信装置设置模块，用于基于预设的多对埋地电极，配置信号发送电极对和屏蔽电极对；所述信号发送电极对通过电极对之间的电压变化形成通信电场，用于发送透地通信信号；所述通信电场承载所述透地通信信号；所述屏蔽电极对构造屏蔽电场；透地通信信号接收模块，用于利用透地信号接收装置接收透地通信信号，并转换为目标信息。
[0127]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过基于埋地电极设置用于通信信号传输的通信电场和屏蔽电场，可以提高透地通信的信号传输效率和质量。
[0128]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。