專利名稱：便攜式無線透地通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及極低頻通信系統(tǒng)。更明確地說，本發(fā)明涉及一種便攜式無線透地雙向通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了由于被土壌或其他物質(zhì)實體上分隔而不能由傳統(tǒng)的露天通信系統(tǒng)進行通信的人們之間的無線通信。使用本發(fā)明，就不再需要用電流環(huán)路天線、磁通耦合或漏泄饋線電纜來達到透地通信的目的。本系統(tǒng)采用極低頻電場，從而穿透土壌發(fā)射更長的距離，并建立了一個無線雙向通信系統(tǒng)，用于發(fā)送和接收文本消息或預定義的數(shù)據(jù)編碼的信標。
背景技術：
現(xiàn)有技術中存在的透地通信系統(tǒng)利用電磁波和環(huán)路天線，在地面和地下部件之間來發(fā)射和接收音頻和數(shù)字數(shù)據(jù)。不過，這種系統(tǒng)的特點是透地范圍有限。此外，這種系統(tǒng)需要天線之間的磁場耦合。為實現(xiàn)最大發(fā)射距離，地面和地下的環(huán)路天線必須嚴格對準。在這些系統(tǒng)中，為了增加發(fā)射距離，可能會使用較大的環(huán)路天線，如在煤礦內(nèi)，用電線環(huán)繞著 ー個煤柱。但是，在ー些地下緊急情況發(fā)生吋，比如塌方或爆炸，以上的調(diào)整是不實用或根本不可能實行的。通過增加環(huán)路內(nèi)的電流流動來增加發(fā)射距離通常是不可行的，因為安全起見，大多數(shù)地下環(huán)境中能量的發(fā)射必須限于一定范圍，以避免火花引燃爆炸性氣體的可能性。因此，這些系統(tǒng)只能實現(xiàn)很短的透地發(fā)射距離，遠小于災難發(fā)生時與被困人員通信，以幫助拯救他們的所需距離。此外，現(xiàn)有技術中還包括使用“漏泄饋線”用作輻射發(fā)射線的無線通信系統(tǒng)。然而，這些系統(tǒng)需要輻射發(fā)射線鋪設在礦內(nèi)或地下區(qū)域，要求其在爆炸和/或塌方時也不至破壞，這在許多地下險情發(fā)生時幾乎難以做到。因此，漏泄饋線系統(tǒng)在地下險情發(fā)生時并不可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明有別于現(xiàn)有技木。本發(fā)明提供無線透地通信系統(tǒng)，而不需要使用電流環(huán)路天線或漏泄電纜來進行透地發(fā)射。本發(fā)明允許地面人員和地下人員之間進行雙向通信，即使所有的電氣設施損壞或失效，即使在地下有限的空間里也能實現(xiàn)。本發(fā)明的通信系統(tǒng)采用極低電頻率來實現(xiàn)透地通信。本發(fā)明包括ー個和地面接收器、地面發(fā)射器進行無線或串行通信的地面控制器。地面控制器包括ー個普通的具備無線和串行連接能力的計算機。在一個實施例中，地面控制器包括一個具備中央處理器、無線和串行連接端ロ、硬盤驅(qū)動器以及適合的操作系統(tǒng)來執(zhí)行軟件的筆記本或膝上型計算機。地面控制器加載后提供地面控制器應用軟件的運行時間平臺。地面控制器應用軟件為地面用戶提供用戶接口，并包含解調(diào)模塊，用來解調(diào)傳入的極低頻相位調(diào)制的載有信號數(shù)據(jù)的電載波。地面控制器應用軟件還可以控制和管理通信系統(tǒng)的所有通信。地面接收器和地面發(fā)射器連接到多個地面電極。地面電極插入到地面，一旦上面有數(shù)據(jù)包、遙測數(shù)據(jù)和/或二進制數(shù)據(jù)，便發(fā)射極低頻相位調(diào)制的電載波。在優(yōu)選實施例中，地面接收器和地面發(fā)射器連接到兩組地面電極。然而，也可將多于或少于兩組地面電極連接到地面接收器和地面發(fā)射器。如果需要的話，可為地面接收器中可被監(jiān)視或用于消除噪聲的額外的信號調(diào)節(jié)信道建造和配置額外的地面電極。本發(fā)明的地面發(fā)射器使用極低頻相位調(diào)制電載波，通過地面電極與地下收發(fā)器進行通信和介接。在一個實施例中，地下收發(fā)器通過至少兩個用作地下電極的導電夾子，與礦井內(nèi)基礎設施的金屬相連接。在另一個實施例中，地下收發(fā)器通過導電連接器連接到多個伸入礦內(nèi)的土壤中的鋼管，這些鋼管用作地下電極。地下收發(fā)器使用極低頻相位調(diào)制電載波，通過地下電極與地面接收器進行通信和介接。本發(fā)明的通信系統(tǒng)由地面控制器應用軟件來控制。地面控制器應用軟件包括一個包含預定義數(shù)據(jù)信標的模塊，所述數(shù)據(jù)信標包含和組織在用戶接口菜單中供用戶選擇。預定義的信標在地面控制器的用戶接口上顯示為預設的文本消息。一旦用戶選定，預定義的信標由數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)，并由地面控制器應用軟件配置成命令數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到地面發(fā)射器。地面控制器應用軟件調(diào)制通過地面電極被驅(qū)動透地的電流。在一個實施例中，使用QPSK調(diào)制法來調(diào)節(jié)電流。然而，其他調(diào)制法也可使用。地面發(fā)射器把命令數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成相位調(diào)制的電載波，然后將此電載波通過由地面電極產(chǎn)生的電場電流發(fā)射到地下收發(fā)器。地面發(fā)射器的輸出驅(qū)動器與主板上的連接器匹配，然后連接到地面電極。輸出驅(qū)動器將相位調(diào)制的電載波驅(qū)動到地面電極，然后地面電極再透地發(fā)射到地下電極。在一個實施例中，地面電極由多個手動嵌入到地下的鋼管組成。然而，任何適合于建立低阻抗的接地連接，有利于透地產(chǎn)生/接收極低頻電場的材料都可以加以利用。至少有兩組地面電極相互間隔預定義的距離，利用其間的土壤作為傳導介質(zhì)以產(chǎn)生電流。地面電極提供極低頻透地電流，且用于將相位調(diào)制的電載波發(fā)射到地下收發(fā)器，同時也可反向接收。在配置地面電極時，使用四極法測量土壤電阻率。4個接地棒排成一排插入地下。 通過外面的兩個接地棒產(chǎn)生已知的電流，量出里面兩個接地棒之間的電壓電位降。然后將接地棒轉(zhuǎn)向90度，重復這個過程，取電阻率測量的平均值。一旦土壤電阻率確定，所需地面電極的尺寸和走向可以從預先確定的數(shù)據(jù)集中選取。應盡量減少地面電極之間的電阻。在優(yōu)選實施例中，至少有兩組地面電極經(jīng)配置以在其間提供極低頻電流，并在地面發(fā)射和接收信號。本發(fā)明通過測量電壓差，來檢測通過電場進行的發(fā)射。地面電極組之間的電壓差產(chǎn)生電流。分布在地面電極組之間建立電流分布。地面接收器測量電場之間的電壓差。接收器通過測量電壓差可以檢測到從地下收發(fā)器傳來的信號。地下收發(fā)器優(yōu)選是由電池供電的單元，包含CPU，控制器，數(shù)據(jù)采集模塊，用于信號調(diào)節(jié)的信號調(diào)節(jié)器，和輸出驅(qū)動器。地下收發(fā)器使用CPU來執(zhí)行發(fā)射和接收功能。在一個實施例中，所述CPU是ー個擁有至少4MB電路內(nèi)可重新編程閃存的7核32位ARM處理器。 然而也可以使用其他規(guī)格的CPU。在優(yōu)選實施例中，地下收發(fā)器和至少兩組地下電極相連。 在一個實施例中，地下電極由多個嵌入到土壌的鋼管組成，類似于地面電極的配置。地下電極產(chǎn)生電流，以實現(xiàn)相位調(diào)制電載波的發(fā)射，類似于地面電極的方式。在替代實施例中，可通過將ー套夾具夾在礦井內(nèi)現(xiàn)有的金屬基礎設施上來當做電極。在這個實施例中，這些夾具上附接著一組組合電連接，連接到地下收發(fā)器。地下收發(fā)器的數(shù)據(jù)采集模塊通過測量地下電極的電壓電位差來檢測傳入消息。地下收發(fā)器的CPU解調(diào)相位調(diào)制的電載波，并通過數(shù)據(jù)采集模塊采集其中的數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)器將模擬信號調(diào)節(jié)成數(shù)字格式，并將數(shù)字信號通過文本消息的形式顯示在收發(fā)器的用戶接ロ 上。收發(fā)器配有用戶接口裝置，如控制器或小鍵盤，其允許用戶選擇預定義的，與預定義信標菜單中的文本消息相對應的數(shù)據(jù)信標。另外，文本消息也可由用戶使用小鍵盤輸入。一旦用戶發(fā)送信標或消息，接收器的CPU就將數(shù)據(jù)從數(shù)字格式轉(zhuǎn)換成模擬格式，將信號調(diào)制成極低頻電載波，并將其發(fā)送到收發(fā)器的輸出驅(qū)動器。該收發(fā)器的輸出驅(qū)動器通過地下電極經(jīng)由電場，將信號發(fā)送到地面接收器，在地面接收器中解調(diào)信號，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，并以文本消息的形式顯示在地面控制器上，這一切都是通過地面控制器應用軟件來實現(xiàn)。


圖IA為本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的設備安裝的側(cè)視圖IB為本發(fā)明的替代實施例中的設備安裝的側(cè)視圖2為本發(fā)明中地面接收器構成部件的框圖3為本發(fā)明中地面發(fā)射器構成部件的框圖4為本發(fā)明中地面控制器應用軟件的相位同步檢測執(zhí)行的流程圖
圖5為本發(fā)明中地下收發(fā)器構成部件的框圖6為本發(fā)明中地下電極的透視圖；以及
圖7為本發(fā)明中地下電極的透視圖。
具體實施例方式參看圖1A，圖中掲示了優(yōu)選實施例中通信系統(tǒng)10的典型設備安裝。通信系統(tǒng)10 使用極低頻電波與地下，如礦井，里面的人員進行透地通信。優(yōu)選實施例中的通信系統(tǒng)10 的地面部分包括ー個地面控制器12，ー個地面接收器20，ー個地面發(fā)射器30和多于ー組的地面電極70。如本文中展示和描述，地面接收器20和地面發(fā)射器30是獨立的単元。然而， 地面接收器20和地面發(fā)射器30可組合在同一外殼內(nèi)，形成單個單元，用以執(zhí)行地面接收器 20和地面發(fā)射器30兩者的功能。在優(yōu)選實施例中，地面控制器12包括帶有中央處理器(未顯示)，無線和串行連接端ロ(未顯示)，硬盤驅(qū)動器(未顯示)，以及合適的用來執(zhí)行軟件(未顯示)的操作系統(tǒng) (未顯示)的筆記本或膝上型計算機。地面控制器12包括小鍵盤(未顯示)或鍵盤(未顯示)和為通信系統(tǒng)10提供地面用戶接ロ的監(jiān)視器14。地面控制器12加載后為地面控制器應用軟件(未顯示)提供運行時間平臺。地面控制器應用軟件為整個通信系統(tǒng)10提供中央控制。地面控制器12通過無線方式或USB端口 21c與地面接收器20介接。參看圖2，圖中揭示了地面接收器20構成部件的框圖。地面接收器20包括含有接收器模塊21a、系統(tǒng)控制模塊21b和USB端口 21c的處理單元21。USB端口 21c提供地面接收器20和地面控制器12之間的接口 22。地面控制器12與地面接收器20介接，且地面控制器應用軟件與地面接收器20中的數(shù)字控制模塊M和數(shù)據(jù)采集模塊23進行通信。如圖2所示，地面接收器包括多個信道27、觀和四。這三個信道27、觀和四僅作為示例顯示出來。應理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，接收器20上可能存在多于或少于此數(shù)量的信道。此外，信道27、28、四可能無需全部使用。每個信道27、28、四通過一組電極連接器沈連接到地面電極70。每個信道27、 28,29與調(diào)節(jié)器25進行通信，調(diào)節(jié)器25在接收到從地面電極70傳來的信號后，執(zhí)行數(shù)/模信號調(diào)節(jié)。地面接收器20包括數(shù)字控制模塊M和數(shù)據(jù)采集模塊23，這兩個模塊皆與處理單元21進行通信，處理單元21通過地面控制器/地面接收器的接口 22與地面控制器應用軟件進行通信。數(shù)字控制模塊M通過處理單元21，從地面控制應用軟件接受增益調(diào)整命令。 數(shù)字信號增益優(yōu)選能逐步調(diào)整。附接到多個信道27 J8和四的調(diào)節(jié)器25進行帶通濾波， 以濾除通信系統(tǒng)10所采用的極低頻范圍以外的傳入頻率，并使極低頻調(diào)制波得以通過。數(shù)據(jù)采集模塊23將從地下收發(fā)器50傳入的信號中的模擬波形數(shù)字化成二進制字。二進制字被發(fā)送到地面接收器20中的數(shù)據(jù)采集模塊23，地面接收器20通過接口 22將數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)降孛婵刂破?2。數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)然后由地面控制應用軟件中的集成模塊(未顯示)和解調(diào)模塊(未顯示)進行處理。參看圖3，圖中揭示了地面發(fā)射器30構成部件的框圖。在優(yōu)選實施例中，地面發(fā)射器30將來自地面控制器10的預定義信息信標發(fā)射到地下收發(fā)器50。地面發(fā)射器30包括交流輸入32，其將電力34供應到地面發(fā)射器30中的輸出驅(qū)動器37。地面發(fā)射器30通過地面控制器/地面發(fā)射器接口 33與地面控制器12進行通信。在優(yōu)選實施例中，接口 33是通過串行連接建立。然而USB，無線或藍牙接口也是可行的。地面控制器12的用戶(未顯示)可以從地面控制器應用軟件的預定義消息菜單中選擇一個預定義的文本消息，這和二進制數(shù)據(jù)形式的消息信標相對應。地面控制器應用軟件將所選的預定義數(shù)字文本消息轉(zhuǎn)換為模擬二進制數(shù)據(jù)。二進制數(shù)據(jù)以命令包的形式從地面控制器12發(fā)射到地面發(fā)射器30中的處理單元31。處理單元31將命令包轉(zhuǎn)換成相位調(diào)制的載波，并通過脈寬調(diào)制模塊35將這些波發(fā)射到輸出驅(qū)動器37。PWM模塊35對模擬載波進行編碼，且輸出驅(qū)動器37通過電極接口 39將載波發(fā)射到地面電極70，如圖IA所示。載波通過地面電極70產(chǎn)生的極低頻電流發(fā)射到地下收發(fā)器50。因為土壤是有損導體，所以使用極低頻發(fā)射可以最大限度地減少地面發(fā)射器30和地下收發(fā)器50之間的損耗。地面控制器應用軟件實施基于命令的協(xié)議(未顯示)，其允許所有所需的功能和錯誤處理都能由地面控制器12存取。地面發(fā)射器30具有多個用戶選擇的電源設置，并能夠有效驅(qū)動0. 25-5000hm的負載。參看圖5，圖中揭示了地下收發(fā)器50的構成部件。地下收發(fā)器50優(yōu)選由電池供應
1器51用電池供電。地下收發(fā)器50包括顯示器53a和輸入裝置53b，如鍵盤(未顯示)或小鍵盤(未顯示)，CPU 52，數(shù)據(jù)采集模塊M，PWM模塊55，輸出驅(qū)動器56，調(diào)節(jié)器57，安全隔離層58和至少一組地下電極連接器59。在一個實施例中，地下收發(fā)器50的所有構成部件都容納于單個外殼(未顯示)里，該外殼適合用于消除高瓦斯礦井環(huán)境下的爆炸危險。地下收發(fā)器50的CPU 52執(zhí)行地下收發(fā)器50的發(fā)射和接收功能。一旦地下電極 80接收到相位調(diào)制載波，信號便通過安全隔離層58發(fā)送到調(diào)節(jié)器57。調(diào)節(jié)器57執(zhí)行帶通濾波，濾除通信系統(tǒng)所采用的極低范圍以外的傳入頻率。數(shù)據(jù)采集模塊M將從地面發(fā)射器 30傳入的信號的模擬波形數(shù)字化為二進制字，這些字然后被流式傳輸?shù)紺PU 52。數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)然后由由CPU 52處理和解調(diào)，且作為文本消息或文本數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器53a。地下收發(fā)器50的地下用戶可使用輸入裝置5 從存儲在CPU 52上的預定義信標菜單中選擇一預定義信標，或可使用輸入裝置5 創(chuàng)建文本消息以發(fā)送到地面接收器20。 CPU 52控制PWM 55模塊以將數(shù)字二進制字轉(zhuǎn)換為模擬形式，將相位調(diào)制載波連同其上的模擬信號一起發(fā)送到輸出驅(qū)動器56，輸出驅(qū)動器56通過地下電極80產(chǎn)生的極低頻電流將信號發(fā)射到地面接收器20。在本發(fā)明的一個方面中，在通過地面發(fā)射器30與地下收發(fā)器50進行通信時，地面控制應用軟件包含監(jiān)控模塊(未顯示)，該模塊通過使用下行鏈路查詢命令(未顯示)向地下收發(fā)器50查詢以請求關于地下收發(fā)器50的預定義參數(shù)的數(shù)據(jù)。地下收發(fā)器50在接收到查詢命令后，即刻經(jīng)由上行鏈路發(fā)射返回請求的數(shù)據(jù)。監(jiān)控模塊查詢的參數(shù)的實例為電池功率/電壓，地下收發(fā)器50和地下電極80之間的阻抗，最后接收到的下行鏈路發(fā)射的 RMS電壓以及地下收發(fā)器50的溫度。在本發(fā)明的另一個方面中，地面控制應用軟件提供校正模塊(未顯示)來執(zhí)行錯誤校正算法(未顯示)。在數(shù)據(jù)字節(jié)被發(fā)射到地面發(fā)射器30之前，校正模塊計算出所述數(shù)據(jù)字節(jié)的“校驗和”。校驗和的計算為至少三步驟過程，借此將數(shù)據(jù)字節(jié)倒置以創(chuàng)建檢驗和字節(jié)，校驗和字節(jié)經(jīng)位反轉(zhuǎn)，然后與原始數(shù)據(jù)字節(jié)進行“異或”運算以產(chǎn)生最終的校驗和。此后，校正模塊發(fā)送出冗余數(shù)據(jù)包，其可包含相同數(shù)據(jù)的多達8份副本(數(shù)據(jù)集為一個字節(jié)加上其校驗和)，其被發(fā)送到地面接收器20。然而，也可發(fā)送超過或少于8份數(shù)據(jù)副本。地面接收器20然后執(zhí)行位平均操作，該操作中，每個數(shù)據(jù)集中的位被取平均值用以編譯“組合”字節(jié)，該組合字節(jié)中的位是所有接收到的8個字節(jié)的平均值。以這種方式， 創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)和檢驗和的組合字節(jié)。這些字節(jié)接著將被添加到包中，且用作第9對來進行校驗和的比較。每個數(shù)據(jù)字節(jié)，包括組合字節(jié)，與校驗和字節(jié)進行比較。如果在從數(shù)據(jù)字節(jié)計算校驗和后，能夠找到有效的匹配，則保存該數(shù)據(jù)/校驗和對。每個數(shù)據(jù)字節(jié)將與剩余的校驗和字節(jié)進行核對?？赡艹霈F(xiàn)的情況是(在高誤差的情況下可能性很大)，在錯誤的數(shù)據(jù)字節(jié)中將發(fā)現(xiàn)多個有效的校驗和。出于這個原因，校正模塊執(zhí)行一個算法，來計算發(fā)現(xiàn)的每個有效數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。然后將出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)據(jù)字節(jié)值和預定義的閾值相比較。如果這個數(shù)據(jù)字節(jié)出現(xiàn)的次數(shù)超過閾值，并且該數(shù)據(jù)進一步滿足“信任因數(shù)”，于是生成有效的接收消息。一旦數(shù)據(jù)字節(jié)確定后，還得采取額外的步驟來驗證錯誤校正后的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)。這個信任因數(shù)是基于錯誤校正后的數(shù)據(jù)的理論包和實際接收到的數(shù)據(jù)之間的相關性。如果接收數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的相關性比所定義的最低值高，該數(shù)據(jù)被認為是有效的。
參看圖4，圖中顯示了地面控制器應用軟件的相位檢測算法40。相位檢測算法40 檢測和恢復上行鏈路信號數(shù)據(jù)或傳入信號41，且基于QPSK調(diào)制方案，將輸入信號轉(zhuǎn)換為輸入向量42。接著計算這些向量的輸入相位角43，以確定角是否匹配44。匹配意味著，在接收到的信號中，可能已發(fā)現(xiàn)相位同步標頭，然后該數(shù)據(jù)被傳送到解調(diào)模塊，解調(diào)模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成和信標、文本或其他數(shù)據(jù)相對應的有意義的符號。參看圖6和圖7，圖中掲示了地下電極的兩個不同實施例。參看圖6和圖1B，在一個實施例中，地下電極60提供了特殊的連接裝置，實現(xiàn)與礦井內(nèi)金屬基礎設施66的快速連接。大多數(shù)煤礦的頂板結構是由金屬頂板螺栓68、頂板帶(未顯示)和類似的東西來支撐。 使用電極60，通過擰緊螺紋桿62使得基礎設施金屬被緊緊夾在桿62的頭部63與電極60 的臂64之間，來建立接地連接。桿62的頭部63也可以使用各種不同的表面設計，以幫助穿透腐蝕層，確保獲得足夠的導電性。連接器61附接到電極60，并連接到地下收發(fā)器50中。參看圖7和圖1A，在優(yōu)選實施例中，由多個鋼管組成地下電極80。地下電極80有縱向狹縫82用來擴展地下電極80的長度。電極80的一端為錐形端84，它可幫助電極80 插入地下并在其中驅(qū)動電極80。在電極80插入到地下吋，狹縫82允許電極80折疊，從而建立與周圍土壤的緊密連接。連接器59由螺母和螺栓86或任何其他合適的附接機制連接到電極80。然后連接器59連接到地下收發(fā)器80。參看圖1A，本發(fā)明涵蓋以下情況地下電極80在礦內(nèi)某些預先確定的區(qū)域(通常是預先指定的緊急室或區(qū)域)插入到地下。地下收發(fā)器50同樣存儲在礦內(nèi)預先指定區(qū)域內(nèi)接近地下電極的地方。在操作本通信系統(tǒng)10吋，地下用戶通過將地下電極連接器59連接到地下電極80來建立地下發(fā)射器50。在地面上，地面部件的用戶首先將地面電極70連接到地面接收器20和地面發(fā)射器30，并通過接ロ 22建立地面控制器與地面接收器20的連接，和通過接ロ 33建立地面控制器與地面發(fā)射器30的連接。然后配置地面電極70以測量土壤的電阻率，并用上面描述的四極法來確定地面電極70的正確對準。地面電極正確對準后，極低頻電流C便在地面電極70之間建立。在操作中，地面用戶可從地面控制器的監(jiān)視器14上的預定義的信標菜單中選擇預定義的文本數(shù)據(jù)信標以發(fā)送到地下收發(fā)器50。此外，地面用戶可使用鍵盤(未顯示)或小鍵盤(未顯示)，創(chuàng)建定制的文本消息發(fā)送到收發(fā)器。預定義的文本數(shù)據(jù)信標對應于呈ニ 進制數(shù)據(jù)形式的信息的信標。所選的預定義的數(shù)字文本消息通過地面控制器應用軟件轉(zhuǎn)換為模擬的ニ進制信標數(shù)據(jù)。ニ進制數(shù)據(jù)以命令包的形式從地面控制器12發(fā)射到地面發(fā)射器30的處理單元31。處理單元31向脈寬調(diào)制(PWM)模塊35提供一組命令(模塊35將命令包轉(zhuǎn)換成相位調(diào)制載波)并將這些波通過PWM模塊35發(fā)射到輸出驅(qū)動器37。PWM模塊35對模擬載波進行編碼，且輸出驅(qū)動器37從處理単元31接收ー組命令，并通過電極連接器39將載波發(fā)射到地面電極70。載波通過地面電極70產(chǎn)生的極低頻電流C發(fā)射到地下收發(fā)器50。因為土壤是有損導體，因此極低頻發(fā)射可將地面發(fā)射器30和地下收發(fā)器50之間的損耗降到最低。一旦地下電極80接收到相位調(diào)制載波，信號便通過安全隔離層58發(fā)送到地下收發(fā)器50的調(diào)節(jié)器57。調(diào)節(jié)器57執(zhí)行帶通濾波，濾除通信系統(tǒng)所采用的極低范圍以外的傳入頻率。數(shù)據(jù)采集模塊M將來自傳入信號的模擬波形數(shù)字化，然后將其流式傳輸?shù)紺PTO2。 數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)然后由CPU 52處理和解調(diào)，且作為文本消息或文本數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示 53 ο地下收發(fā)器50的用戶可使用輸入裝置5 從存儲在CPU 52上的預定義信標菜單中選擇一預定義信標，或可使用輸入裝置5 創(chuàng)建文本消息以發(fā)送到地面接收器20。CPU52 控制PWM模塊55，以將數(shù)字二進制字轉(zhuǎn)換為模擬形式，將相位調(diào)制載波連同其上的模擬信號一起發(fā)送到輸出驅(qū)動器56，輸出驅(qū)動器56通過地下電極80產(chǎn)生的極低頻電流將信號發(fā)射到地面接收器20。當?shù)孛骐姌O70接收到從地下收發(fā)器50傳入的信號時，模擬信號通過電極連接器 26發(fā)射到地面接收器20中的調(diào)節(jié)器25。調(diào)節(jié)器25與處理單元21進行通信，處理單元21 為調(diào)節(jié)器25提供一組命令，來調(diào)節(jié)傳入的信號。調(diào)節(jié)器25執(zhí)行帶通濾波，濾除通信系統(tǒng)所采用的極低頻范圍以外的傳入頻率。數(shù)字控制模塊M與處理單元21進行通信，并從那里接收到一組命令，來執(zhí)行來自地面控制器應用軟件中的放大模塊的增益調(diào)節(jié)命令。然后二進制字被發(fā)送到地面接收器20的數(shù)據(jù)采集模塊23，地面接收器通過接口 22將數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)降孛婵刂破?2。數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)接著由地面控制應用軟件的集成模塊(未顯示)和解調(diào)模塊(未顯示)處理后，以文本數(shù)據(jù)的形式顯示在地面控制器的監(jiān)視器14上。雖然參考了具體實施例來描述本發(fā)明，但此描述并不意圖以有限的意義來解釋。 所屬領域的技術人員在參考本發(fā)明的描述后，可容易對所揭示的實施例進行各種修改，或提出本發(fā)明的替代實施例。因此，應了解，所附的權利要求書將包含屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)的此類修改。
權利要求
1.一種便攜式透地通信系統(tǒng)，其使用極低頻調(diào)制電載波與地下人員通信，所述系統(tǒng)包括地面控制單元；第一組地面電極和第二組地面電極，其彼此隔開，且放置于地面內(nèi)，所述第一組和所述第二組地面電極在其之間建立極低頻電流，以透地發(fā)射所述極低頻調(diào)制電載波；地面接收器，用于從所述第一和第二組地面電極接收所述極低頻調(diào)制電載波，所述地面接收器連接到所述第一和第二組地面電極，且與所述地面控制單元通信；地面發(fā)射器，用于將所述極低頻調(diào)制電載波透地發(fā)射到地下收發(fā)器，所述地面發(fā)射器連接到所述第一和第二組地面電極，且與所述地面控制單元通信；其中所述地下收發(fā)器連接到至少ー組地下電極，且與所述地面發(fā)射器通信，用于接收所述極低頻調(diào)制載波；其中所述地下收發(fā)器與所述地面接收器和所述地面控制單元通信，以將所述極低頻調(diào)制電載波透地發(fā)射到所述地面接收器；且其中所述至少ー個地下電極放置于地面下的土壌內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的通信系統(tǒng)，其中所述地面控制單元包括監(jiān)視器和提供用戶接 ロ的鍵盤，和地面控制器應用軟件，其中所述地面控制單元執(zhí)行所述地面控制器應用軟件， 以與所述地面發(fā)射器、所述地面接收器和所述地下收發(fā)器通信。
3.根據(jù)權利要求2所述的通信系統(tǒng)，其中所述地面接收器通過多個電極連接器連接到所述第一組和所述第二組地面電極，且所述地面接收器包括至少ー個輸入信道，其與所述多個電極連接器通信以接收所述極低頻調(diào)制電載波，所述至少ー個輸入信道與至少ー個調(diào)節(jié)器通信；處理單元，其與所述至少一個調(diào)節(jié)器通信，且為所述至少一個調(diào)節(jié)器提供一組命令，以從所述至少ー個輸入信道接收所述極低頻調(diào)制電載波，并執(zhí)行對所述極低頻調(diào)制電載波的模/數(shù)信號調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集；以及所述處理単元與數(shù)據(jù)采集模塊通信，且為所述數(shù)據(jù)采集模塊提供一組命令，以與所述至少ー個調(diào)節(jié)器通信以接收所述數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集，并通過接ロ將所述數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集發(fā)射到所述地面控制器，使得所述地面控制器與所述地面接收器通信。
4.根據(jù)權利要求3所述的通信系統(tǒng)，其中所述地面控制器應用軟件向所述地面控制器應用軟件的解調(diào)模塊提供一組命令，以解調(diào)所述數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集，且其中所述地面控制器應用軟件向所述地面控制器應用軟件的集成模塊提供一組命令， 以文本形式在所述地面控制器的所述監(jiān)視器上顯示所述解調(diào)后的數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集。
5.根據(jù)權利要求4所述的通信系統(tǒng)，其中所述地面控制器應用軟件包括信標菜単，所述信標菜單包括供顯示在所述地面控制器的所述監(jiān)視器上的一組預定義的數(shù)字文本消息， 和對應于所述組預定義的數(shù)字文本消息的一組預定義的模擬ニ進制信標數(shù)據(jù)；且其中所述地面控制器應用軟件提供將所述模擬ニ進制信標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應命令包的 ー組命令。
6.根據(jù)權利要求5所述的通信系統(tǒng)，其中所述地面發(fā)射器通過多個電極連接器連接到所述第一組和所述第二組地面電極，且所述地面發(fā)射器包括處理單元，其與所述地面控制器通信，以接收所述命令包中的至少ー者；所述處理單元將所述命令包轉(zhuǎn)換為極低頻調(diào)制電載波，且將所述波發(fā)射到所述地面發(fā)射器的脈寬調(diào)制模塊；所述處理單元為所述脈寬調(diào)制模塊提供一組命令，以對所述極低頻調(diào)制電載波進行編碼，且將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地面發(fā)射器的輸出驅(qū)動器；所述處理單元與所述輸出驅(qū)動器通信，且為所述輸出驅(qū)動器提供一組命令，以將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述第一組和所述第二組的所述地面電極；且其中所述第一組和所述第二組地面電極將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述至少一組地下電極。
7.根據(jù)權利要求6所述的通信系統(tǒng)，其中所述地下收發(fā)器包括多個地下電極連接器， 用以連接到所述至少一組地下電極，所述至少一組地下電極從所述第一組和所述第二組地面電極接收所述極低頻調(diào)制電載波，且所述地下收發(fā)器包括中央處理單元，其連接到顯示單元和輸入裝置；所述中央處理單元與所述地下收發(fā)器的調(diào)節(jié)器通信，且為所述調(diào)節(jié)器提供一組命令， 以從所述至少一組地下電極接收所述極低頻調(diào)制電載波，且執(zhí)行對所述極低頻調(diào)制電載波的模/數(shù)信號調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集；所述中央處理單元與所述地下收發(fā)器的數(shù)據(jù)采集模塊通信，且為所述數(shù)據(jù)采集模塊提供一組命令，以與所述調(diào)節(jié)器通信以接收所述數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集，解調(diào)所述數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集，且將所述解調(diào)后的數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集以文本形式顯示在所述地下收發(fā)器的所述顯示器上；且其中所述地下收發(fā)器連接到電池。
8.根據(jù)權利要求7所述的通信系統(tǒng)，其中所述地下收發(fā)器的所述中央處理單元包括信標菜單，所述信標菜單包括供顯示在所述顯示器上的一組預定義的數(shù)字文本消息，和對應于所述組預定義的數(shù)字文本消息的一組預定義的模擬二進制信標數(shù)據(jù)；其中所述中央處理單元提供一組命令，以將所述模擬二進制信標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應命令包；且其中所述組預定義的數(shù)字文本消息對應于所述地面控制器應用軟件的所述組預定義的數(shù)字文本消息。
9.根據(jù)權利要求8所述的通信系統(tǒng)，其中所述中央處理單元將所述命令包轉(zhuǎn)換為極低頻調(diào)制電載波，且將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述地下收發(fā)器的脈寬調(diào)制模塊；所述中央處理單元為所述脈寬調(diào)制模塊提供一組命令，以對所述極低頻調(diào)制電載波進行編碼，且將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地下收發(fā)器的輸出驅(qū)動器；所述中央處理單元與所述輸出驅(qū)動器通信，且為所述輸出驅(qū)動器提供一組命令，以將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到至少一組地下電極；且其中所述至少一組地下電極將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述第一組和所述第二組地面電極。
10.一種通過極低頻電流使用極低頻調(diào)制電載波與地下人員通信的方法，所述方法包括使用土壤作為所述極低頻電流的傳導介質(zhì)，透過地面建立所述極低頻電流； 建立地面發(fā)射器和所述極低頻電流之間的通信；建立地面接收器和所述極低頻電流之間的通信； 建立所述地面發(fā)射器和地面控制單元之間的通信； 建立所述地面接收器和所述地面控制單元之間的通信； 建立地下收發(fā)器和所述極低頻電流之間的通信； 從所述地面控制器的監(jiān)視器選擇文本消息并發(fā)送所述文本消息； 利用所述地面控制器的地面控制器應用軟件，將所述文本消息轉(zhuǎn)換為所述極低頻調(diào)制電載波；利用所述地面發(fā)射器，通過所述極低頻電流，將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述地下收發(fā)器；利用所述地下收發(fā)器，將所述極低頻調(diào)制電載波轉(zhuǎn)換為文本消息； 在所述地下收發(fā)器的顯示器上顯示所述文本消息；且其中所述顯示器上的所述文本消息對應于選自所述地面控制器的所述文本消息。
11.根據(jù)權利要求10所述的與地下人員通信的方法，其進一步包括以下步驟 從所述地下收發(fā)器的所述顯示器選擇文本消息并發(fā)送所述文本消息； 利用所述地下收發(fā)器，將所述文本消息轉(zhuǎn)換為所述極低頻調(diào)制電載波；利用所述地下收發(fā)器，通過所述極低頻電流，將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述地面接收器；利用所述地面接收器，將所述極低頻調(diào)制電載波轉(zhuǎn)換為所述文本消息； 將所述文本消息發(fā)送到所述地面控制器；以及在所述地面控制器的所述監(jiān)視器上顯示所述文本消息；其中在所述監(jiān)視器上顯示的所述文本消息對應于選自所述地下收發(fā)器的所述顯示器的所述文本消息。
12.根據(jù)權利要求10所述的與地下人員通信的方法，其包括 將第一組地面電極插入地面；將第二組地面電極插入地面，使其與所述第一組地面電極隔開； 將所述第一組和所述第二組地面電極連接到所述地面接收器；以及將所述第一組和所述第二組地面電極連接到所述地面發(fā)射器； 其中所述第一組和所述第二組地面電極建立所述極低頻電流。
13.根據(jù)權利要求11所述的與地下人員通信的方法，其包括 將第一組地面電極插入地面；將第二組地面電極插入地面，使其與所述第一組地面電極隔開； 將所述第一組和所述第二組地面電極連接到所述地面接收器；以及將所述第一組和所述第二組地面電極連接到所述地面發(fā)射器； 其中所述第一組和所述第二組地面電極建立所述極低頻電流。
14.根據(jù)權利要求13所述的與地下人員通信的方法，其包括 將第一組地下電極插入地面下的土壤；將第二組地下電極插入地面下的土壤，使其與所述第一組地下電極隔開；以及將所述第一組和所述第二組地下電極連接到所述地下收發(fā)器；其中所述第一組和所述第二組地下電極通過所述極低頻電流與所述第一組和所述第ニ組地面電極通信，以發(fā)射和接收所述極低頻調(diào)制電載波；且其中所述第一組和所述第二組地面電極通過所述極低頻電流與所述第一組和所述第 ニ組地下電極通信，以發(fā)射和接收所述極低頻調(diào)制電載波。
15.根據(jù)權利要求14所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地面控制器的地面控制器應用軟件轉(zhuǎn)換所述文本消息的步驟包括在所述地面控制器應用軟件上執(zhí)行一組命令，將所述文本消息轉(zhuǎn)換為模擬ニ進制數(shù)據(jù)集；在所述地面控制器應用軟件上執(zhí)行一組命令，將所述模擬ニ進制數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為命令包；將所述命令包發(fā)送到所述地面發(fā)射器； 所述地面發(fā)射器接收所述命令包；以及在所述地面發(fā)射器內(nèi)執(zhí)行一組命令，以將所述命令包轉(zhuǎn)換為所述極低頻電載波。
16.根據(jù)權利要求15所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地面發(fā)射器進行發(fā)射的步驟包括在所述地面發(fā)射器內(nèi)執(zhí)行一組命令，以對所述極低頻調(diào)制電載波進行編碼；將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地面發(fā)射器內(nèi)的輸出驅(qū)動器；執(zhí)行一組命令，以將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述第一組和所述第二組地面電扱；其中所述第一組和所述第二組地面電極通過所述極低頻電流，將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述地下電極。
17.根據(jù)權利要求16所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地下收發(fā)器轉(zhuǎn)換所述極低頻調(diào)制電載波的步驟包括所述第一組和所述第二組地下電極接收所述極低頻調(diào)制電載波； 將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地下收發(fā)器；在所述地下收發(fā)器的中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以執(zhí)行對所述極低頻調(diào)制電載波的模/數(shù)信號調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集；在所述中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以解調(diào)所述數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集；以及以所述文本消息的形式，將所述解調(diào)后的數(shù)字化的ニ進制數(shù)據(jù)集發(fā)送到所述地下收發(fā)器的所述顯示器。
18.根據(jù)權利要求17所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地下收發(fā)器轉(zhuǎn)換所述文本消息的步驟包括在所述地下收發(fā)器的所述中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以將所述文本消息轉(zhuǎn)換為模擬ニ進制數(shù)據(jù)集；在所述地下收發(fā)器的所述中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以將所述模擬ニ進制數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為所述命令包；以及在所述地下收發(fā)器的所述中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以將所述命令包轉(zhuǎn)換為所述極低頻調(diào)制電載波。
19.根據(jù)權利要求18所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地下收發(fā)器進行發(fā)射的步驟包括在所述地下收發(fā)器的所述中央處理單元內(nèi)執(zhí)行一組命令，以對所述極低頻調(diào)制電載波進行編碼；將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地下收發(fā)器的輸出驅(qū)動器；執(zhí)行一組命令，以將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述第一組和所述第二組地下電極；其中所述第一組和所述第二組地下電極通過所述極低頻電流，將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)射到所述地面電極。
20.根據(jù)權利要求19所述的與地下人員通信的方法，其中所述利用所述地面接收器進行轉(zhuǎn)換的步驟包括所述第一組和所述第二組地面電極接收所述極低頻調(diào)制電載波； 將所述極低頻調(diào)制電載波發(fā)送到所述地面接收器；在所述地面控制器應用軟件內(nèi)執(zhí)行一組命令，以執(zhí)行對所述極低頻調(diào)制電載波的模/ 數(shù)信號調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集；在所述地面控制器應用軟件內(nèi)執(zhí)行一組命令，以解調(diào)所述數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集；以及以所述文本消息的形式，將所述解調(diào)后的數(shù)字化的二進制數(shù)據(jù)集發(fā)送到所述地面控制器的所述監(jiān)視器。
全文摘要
本申請案涉及一種便攜式無線透地通信系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種便攜式無線雙向透地通信系統(tǒng)，用于利用地層作為傳導介質(zhì)，使用極低頻電流來發(fā)送和接收文本數(shù)據(jù)。地面控制器執(zhí)行應用軟件，其控制所述系統(tǒng)的通信功能。地面接收器和地面發(fā)射器連接到多組提供電流的電極，并與所述地面控制器通信。文本數(shù)據(jù)被編碼成數(shù)據(jù)包，調(diào)制成極低頻電載波，然后通過地面電極透地發(fā)射到地下收發(fā)器。所述地下收發(fā)器將傳入信號解調(diào)、轉(zhuǎn)換和顯示為文本消息。所述地下收發(fā)器具有用戶接口，以允許地下人員將文本數(shù)據(jù)提交給所述地面接收器。所述收發(fā)器將所述文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)包，將所述包調(diào)制為極低頻載波，然后將信號發(fā)射到所述地面接收器。
文檔編號H04B13/02GK102594462SQ20111023638
公開日2012年7月18日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權日2010年9月29日
發(fā)明者丹尼爾·P·伯里斯, 克里斯托弗·R·特里普, 托馬斯·D·豪斯巴赫, 約翰·P·魏布倫, 馬克·A·厄爾克費茲 申請人:E-光譜技術公司