基于旋转磁天线的低频透地通信设备和系统的制作方法

1.本发明属于矿井通信领域，具体涉及了一种基于旋转磁天线的低频透地通信设备和系统。


背景技术：

2.低频通信技术是利用无线电频谱中的低频谱段进行通信的技术，特点在于传输范围远，在各种介质中衰减小，能一定程度穿透地层和水体，在地下或海中传输。能够用于透地通信、抵制勘探、潜艇通信等领域。
3.机械天线是一种基于全新的无线低频信号发射机理，利用磁偶极子或电偶极子做机械运动来产生时变磁场，发射30khz以下的低频信号。目前，机械天线使用永磁体或驻极体作为辐射源，实现可以在水下100m、地下600m实现低频电磁波信号的传输，同时解决现有低频电天线体积庞大，功耗高的缺陷。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即传统的透地通信方法传输距离近、体积庞大、功耗高的问题，本发明提供了一种基于旋转磁天线的低频透地通信设备，包括：密封舱1、永磁体2、电机3、转轴4、第一外壳5、电源6、控制电路7、第二外壳8、绝缘填充材料9、控制导线10和供电导线11；
5.包括多个机械天线机构，每个机械天线机构包括：第一外壳5、电机3、转轴4和永磁体2；多个机械天线机构通过位置固定杆15连接；
6.所述第一外壳5和第二外壳8，为空心圆柱体的无磁外壳；
7.所述电机3，为变速旋转电机，通过转轴4与所述永磁体2连接；
8.所述永磁体2，为带有圆柱状空腔的圆柱形永磁体，转轴4由圆柱状空腔中穿过并固定；
9.所述电机3和永磁体2置于第一外壳5内；
10.所述电机3通过控制导线10穿过第一外壳5和第二外壳8与控制电路7连接；
11.控制电路7固定于第二外壳8内；
12.控制电路7通过供电导线11穿过第二外壳8与电源6连接；
13.所述绝缘填充材料9，填充于第一外壳5外部、第二外壳8外部和电源6外部，与密封舱1内部之间的空隙；
14.所述密封舱1，为金属空心圆柱体密封舱，包裹在所述永磁体2、电机3、转轴4、第一外壳5、电源6、控制电路7、第二外壳8、绝缘填充材料9、控制导线10和供电导线11外部；其中，第一外壳5设置于密封舱1的一端。
15.在一些优选的实施方式中，所述永磁体2，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为s极12，第二半圆柱部分为n极13。
16.在一些优选的实施方式中，通过绝缘填充材料9固定第一外壳5，使第一外壳5、永
磁体2、转轴4和密封舱1的轴心重合。
17.在一些优选的实施方式中，所述密封舱1，采用无磁碳钢制成。
18.在一些优选的实施方式中，第一外壳5和第二外壳8为无磁外壳。
19.在一些优选的实施方式中，所述基于旋转磁天线的低频透地通信设备还包括高精度磁传感器14，设置于密封舱1中与永磁体2相反的另一端，且在永磁体2的轴线延长线上。
20.本发明的另一方面，提出了一种基于旋转磁天线的低频透地通信系统，应用于上述的基于旋转磁天线的低频透地通信设备，所述系统包括：
21.信号输入模块，配置为用户通过控制端向基于旋转磁天线的低频透地通信设备输入通讯信号；
22.信号调制模块，配置为控制电路根据所述通讯信息进行数字通信调制编码，获得待发射控制信号；
23.感应信号生成模块，配置为电机根据待发射控制信号控制永磁体进行旋转速度，生成透地磁感应信号；
24.感应信号接收模块，配置为通过高精度磁传感器接收所述透地磁感应信号，并将所述透地磁感应信号解码获得通讯信号。
25.在一些优选的实施方式中，还包括机械天线选择模块，具体包括：
26.基于当前透地通信设备的位置，确定目标透地通信设备的相对距离，根据所述相对距离选定参与透地磁感应信号发射的机械天线机构或机械天线机构组，通过选定的机械天线机构或机械天线机构组，以预先分配的频段发射透地磁感应信号。
27.在一些优选的实施方式中，所述高精度磁传感器，包括设置于另一基于旋转磁天线的低频透地通信设备的高精度磁传感器、设置于地表终端的高精度磁传感器和设置于搜救设备的高精度磁传感器。
28.在一些优选的实施方式中，所述设置于搜救设备的高精度磁传感器，可根据计算高精度磁传感器与永磁体两点之间的顶角、倾角、方位角和工具面角，获得搜救设备钻头出三分量磁力仪和定位磁源之间的空间位置关系。
29.在一些优选的实施方式中，所述透地磁感应信号，的频率范围为：1-30khz，码率最低为3bps的超低频通信。
30.本发明的有益效果：
31.(1)本发明通过将永磁体旋转产生的生成的透地磁感应信号能够进行远距离透地传输且无需阻抗匹配，能量传输效率高，易于布设和安装；
32.(2)本发明通过采用永磁体产生磁感应信号，取代了现有技术的用驻磁体发生信号的方式，降低了功耗，使得通信设备能够在井下、水下正常工作，当井下巷道被堵塞使，依然可以不受影响的传输信号；
33.(3)本发明将通讯信号加载在低频磁场信号中，利用机械天线发射，抗干扰能力强，传输距离更远，提高了通讯设备的可靠性和稳定性；
34.(4)本发明通过通过设置多组机械天线机构，分别分配不同的频段，可实现针对目标透地通信设备的相对位置进行针对性的通信，并可同时传输互不干扰的多个信息，实现了能够同时对多个目标进行定位、传输信息和救援，同时还能进一步增加信号的传输距离。
附图说明
35.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
36.图1是本发明实施例中基于旋转磁天线的低频透地通信设备的结构示意图；
37.图2是本发明实施例中永磁体和驱动电机的结构示意图；
38.图3是本发明实施例中基于旋转磁天线的低频透地通信系统的原理示意图；
39.图4是本发明实施例中基于旋转磁天线的低频透地通信设备的布设示意图；
40.图5是本发明实施例中通过搜救设备的高精度磁传感器进行空间定位的原理示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
43.本发明提供一种基于旋转磁天线的低频透地通信设备，本设备通过将永磁体旋转产生的透地磁感应信号能够进行远距离透地传输。
44.为了更清晰地对本发明基于旋转磁天线的低频透地通信系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各功能模块展开详述。
45.本发明的一种基于旋转磁天线的低频透地通信设备，包括：密封舱1、永磁体2、电机3、转轴4、第一外壳5、电源6、控制电路7、第二外壳8、绝缘填充材料9、控制导线10和供电导线11；
46.包括多个机械天线机构，每个机械天线机构包括：第一外壳5、电机3、转轴4和永磁体2；多个机械天线机构通过位置固定杆15连接；所述位置固定杆用于确保所有的机械天线的轴线在同一平面上，以实现可通过同时以相同的旋转速度发射同频信号以实现发射增强透地磁感应信号的模式，固定杆长度大于或等于1m，避免多个天线机构之间的明显干扰，使多个信号在接收端能够清楚的分离。
47.所述第一外壳5和第二外壳8，为空心圆柱体的无磁外壳；无磁外壳起到了避免信号屏蔽的功能；
48.所述电机3，为变速旋转电机，通过转轴4与所述永磁体2连接；
49.所述永磁体2，为带有圆柱状空腔的圆柱形永磁体，转轴4由圆柱状空腔中穿过并固定；
50.所述永磁体2，如图2所示，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为s极12，第二半圆柱部分为n极13。当半径为r，高为h的永磁体作为天线以角速度ω旋转时，产生对应的透地磁感应信号。其中，永磁体2采用铷铁硼磁体构建。本实施例中优选半径为5cm，高度为10cm的永磁体即可实现永磁体磁场强度大于1t的状态下，通过控制发射透地磁感应信号的频率在10hz以下实现在1000米的范围以内建立通信。相较于现有技术的采用环形天线通过控制电流变化产生的电磁感应信号进行透地通信的方式，提高了磁场的强
度，更缩小了设备的体积，易于布设。
51.所述电机3和永磁体2置于第一外壳5内；
52.所述电机3通过控制导线10穿过第一外壳5和第二外壳8与控制电路7连接；
53.控制电路7固定于第二外壳8内；
54.控制电路7通过供电导线11穿过第二外壳8与电源6连接；
55.所述绝缘填充材料9，填充于第一外壳5外部、第二外壳8外部和电源6外部，与密封舱1内部之间的空隙；
56.所述密封舱1，为金属空心圆柱体密封舱，包裹在所述永磁体2、电机3、转轴4、第一外壳5、电源6、控制电路7、第二外壳8、绝缘填充材料9、控制导线10和供电导线11外部；其中，第一外壳5设置于密封舱1的一端。所述密封舱1，采用无磁碳钢制成。第一外壳5和第二外壳8为无磁外壳。
57.在本实施例中，通过绝缘填充材料9固定第一外壳5，使第一外壳5、永磁体2、转轴4和密封舱1的轴心重合。
58.在一些优选的实施方式中，所述基于旋转磁天线的低频透地通信设备还包括高精度磁传感器14，设置于密封舱1中与永磁体2相反的另一端，且在永磁体2的轴线延长线上。当本设备未进行主动发射透地磁感应信号任务时，若所述高精度磁传感器接收到来自其他透地通信设备的信号，自动将其转化相同的控制信号并通过永磁体2发射相同的透地磁感应信号。
59.本发明第二实施例的基于旋转磁天线的低频透地通信系统，应用于上述的基于旋转磁天线的低频透地通信设备，所述系统如图3所示，包括：
60.信号输入模块，配置为用户通过控制端向基于旋转磁天线的低频透地通信设备输入通讯信号；通讯信号为语音信号或文字信号；控制端可设置于基于旋转磁天线的低频透地通信设备外，可通过数据线或无线的方式对通信设备进行控制；在使用较高频率进行短距离通信时，也能通过ambe语音编码芯片对语音信号进行加密与解密，使用数字方法传输语音信号。
61.信号调制模块，配置为控制电路根据所述通讯信息进行数字通信调制编码，获得待发射控制信号；
62.感应信号生成模块，配置为电机根据待发射控制信号控制永磁体进行旋转速度，生成透地磁感应信号；在本模块中，电信号被转换为磁信号；
63.在本实施例中，所述透地磁感应信号，为永磁体旋转速度变化生成的能够在地层中传播的信号。
64.在本实施例中，所述透地磁感应信号，的频率范围为：1-30khz，码率最低为3bps的超低频通信。调制解调方式为2psk。
65.感应信号接收模块，配置为，通过高精度磁传感器接收所述透地磁感应信号，并将所述透地磁感应信号解码获得通讯信号。
66.在本实施例中，所述高精度磁传感器，包括设置于另一基于旋转磁天线的低频透地通信设备的高精度磁传感器、设置于地表终端的高精度磁传感器和设置于搜救设备的高精度磁传感器。
67.信号处理电路与上位机相连，根据用户要求控制磁场传感器，从而使磁场传感器
接收磁场信号，再通过解调获得所需的通讯信号。
68.在本实施例中，如图5所示，所述设置于搜救设备的高精度磁传感器，可根据计算高精度磁传感器与永磁体两点之间的顶角、倾角、方位角和工具面角，获得搜救设备钻头出三分量磁力仪和定位磁源之间的空间位置关系。根据空间位置指导矿难搜救的空气钻钻进到被困人员处，实现被困人员地面下精准定位，实现扩孔救援。
69.现有技术中，由于半波长谐振原理的天线尺寸至少需要为载波波长的1/4，并且，低频信号在透地、透海等介质中信号传输的特点，现有天线尺寸体积庞大、辐射效率低的问题。在的透地通信的实际应用中，尺寸庞大的低频天线使得设备在相对狭窄的地下空间中不便于安装。若为了方便携带和安装，缩小天线体积会导致发射效率降低，无法满足透地通信距离需求。线圈天线的磁矩与线圈电流和面积有关、与线圈形状无关。虽然可以增加匝数来降低线圈半径，但匝数增加会提高电阻，影响天线的效率，增加所需的发射功率。在相关实验中，磁耦合天线的发射功率不足，信号的透地传输距离有限，且天线在启动时会产生强磁，会影响电路元件的运行。
70.本发明所述的基于旋转磁天线的低频透地通信设备可设置为地表终端、应急硐室端和无线移动端；地表终端和应急硐室端由电缆供电，并配备有备用的蓄电池电源；如图4所示。
71.在本实施例中，还包括机械天线选择模块，具体包括：
72.基于当前透地通信设备的位置，确定目标透地通信设备的相对距离，根据所述相对距离选定参与透地磁感应信号发射的机械天线机构或机械天线机构组，通过选定的机械天线机构或机械天线机构组，以预先分配的频段发射透地磁感应信号。
73.所述基于旋转磁天线的低频透地通信设备的埋放方法为：于应急硐室的岩壁上凿出足以放入低频透地通信设备的坑洞，向内注入绝缘树脂，水平放入，并继续注入绝缘树脂直至将所述入低频透地通信设备完全封入岩壁中。
74.在本实施例中，可通过多个透地通信设备接力传递的方式将透地透地磁感应信号传输至地面终端；在信息传递前，低频透地通信设备会预先选定整个接力通信路线的目标透地通信设备，每次根据目标透地通信设备的位置选取适宜频段的机械天线机构发出透地磁感应信号。在本实施例中，设置为埋入最深的机械天线机构的透地磁感应信号为设定频带中的最低频，如10hz以下，埋入最浅的机械天线机构的透地磁感应信号为设定频带中的最高频，如20hz-30hz；通过限制信号的传输范围和划分不同的频带，避免了当地下多处事故有多位人员被困时的信号间的干扰；同时如果某一设备出现故障需要更换其他的透地通信设备进行接力传输时，也可将不同的信号在不同的频段编码，避免当某一设备本已进行信号传输时突然被选为接力传输的通信设备时，多种信号的扰乱；更进一步的，当目标通信设备的相对距离足够远时，可通过采用所有的机械天线机构以同频旋转的方式，进行信号增强，以实现最远距离的通信。所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
75.需要说明的是，上述实施例提供的基于旋转磁天线的低频透地通信系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实
施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
76.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
77.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
78.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
79.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
80.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。