[发明专利]便携式无线透地通信系统

说明书

本发明为原创性的实用型专利申请，并要求获得第61/387,875号美国临时专利申请的优先权。该申请于2010年9月29日提交。

技术领域

本发明大体上涉及极低频通信系统。更明确地说，本发明涉及一种便携式无线透地双向通信系统。该系统提供了由于被土壤或其他物质实体上分隔而不能由传统的露天通信系统进行通信的人们之间的无线通信。使用本发明，就不再需要用电流环路天线、磁通耦合或漏泄馈线电缆来达到透地通信的目的。本系统采用极低频电场，从而穿透土壤发射更长的距离，并建立了一个无线双向通信系统，用于发送和接收文本消息或预定义的数据编码的信标。

背景技术

现有技术中存在的透地通信系统利用电磁波和环路天线，在地面和地下部件之间来发射和接收音频和数字数据。不过，这种系统的特点是透地范围有限。此外，这种系统需要天线之间的磁场耦合。为实现最大发射距离，地面和地下的环路天线必须严格对准。在这些系统中，为了增加发射距离，可能会使用较大的环路天线，如在煤矿内，用电线环绕着一个煤柱。

但是，在一些地下紧急情况发生时，比如塌方或爆炸，以上的调整是不实用或根本不可能实行的。通过增加环路内的电流流动来增加发射距离通常是不可行的，因为安全起见，大多数地下环境中能量的发射必须限于一定范围，以避免火花引燃爆炸性气体的可能性。因此，这些系统只能实现很短的透地发射距离，远小于灾难发生时与被困人员通信，以帮助拯救他们的所需距离。

此外，现有技术中还包括使用“漏泄馈线”用作辐射发射线的无线通信系统。然而，这些系统需要辐射发射线铺设在矿内或地下区域，要求其在爆炸和/或塌方时也不至破坏，这在许多地下险情发生时几乎难以做到。因此，漏泄馈线系统在地下险情发生时并不可靠。

发明内容

本发明有别于现有技术。本发明提供无线透地通信系统，而不需要使用电流环路天线或漏泄电缆来进行透地发射。本发明允许地面人员和地下人员之间进行双向通信，即使所有的电气设施损坏或失效，即使在地下有限的空间里也能实现。

本发明的通信系统采用极低电频率来实现透地通信。本发明包括一个和地面接收器、地面发射器进行无线或串行通信的地面控制器。地面控制器包括一个普通的具备无线和串行连接能力的计算机。在一个实施例中，地面控制器包括一个具备中央处理器、无线和串行连接端口、硬盘驱动器以及适合的操作系统来执行软件的笔记本或膝上型计算机。地面控制器加载后提供地面控制器应用软件的运行时间平台。地面控制器应用软件为地面用户提供用户接口，并包含解调模块，用来解调传入的极低频相位调制的载有信号数据的电载波。地面控制器应用软件还可以控制和管理通信系统的所有通信。

地面接收器和地面发射器连接到多个地面电极。地面电极插入到地面，一旦上面有数据包、遥测数据和/或二进制数据，便发射极低频相位调制的电载波。在优选实施例中，地面接收器和地面发射器连接到两组地面电极。然而，也可将多于或少于两组地面电极连接到地面接收器和地面发射器。如果需要的话，可为地面接收器中可被监视或用于消除噪声的额外的信号调节信道建造和配置额外的地面电极。

本发明的地面发射器使用极低频相位调制电载波，通过地面电极与地下收发器进行通信和介接。在一个实施例中，地下收发器通过至少两个用作地下电极的导电夹子，与矿井内基础设施的金属相连接。在另一个实施例中，地下收发器通过导电连接器连接到多个伸入矿内的土壤中的钢管，这些钢管用作地下电极。地下收发器使用极低频相位调制电载波，通过地下电极与地面接收器进行通信和介接。

本发明的通信系统由地面控制器应用软件来控制。地面控制器应用软件包括一个包含预定义数据信标的模块，所述数据信标包含和组织在用户接口菜单中供用户选择。预定义的信标在地面控制器的用户接口上显示为预设的文本消息。

一旦用户选定，预定义的信标由数字数据转换为模拟数据，并由地面控制器应用软件配置成命令数据包，然后发送到地面发射器。地面控制器应用软件调制通过地面电极被驱动透地的电流。在一个实施例中，使用QPSK调制法来调节电流。然而，其他调制法也可使用。

地面发射器把命令数据包转换成相位调制的电载波，然后将此电载波通过由地面电极产生的电场电流发射到地下收发器。地面发射器的输出驱动器与主板上的连接器匹配，然后连接到地面电极。输出驱动器将相位调制的电载波驱动到地面电极，然后地面电极再透地发射到地下电极。