Прием СДВ-сигнала аварийного оповещения в шахте

Внедрение: 2020 г.

Данная статья [1] направлена на изучение эффективного приема электромагнитных волн СДВ диапазона с частотной манипуляцией в подземных горных выработках для проверки возможности организации низкочастотного оповещения о чрезвычайных ситуациях и личного вызова горняков. Анализ будет основан на переносных RFID-метках для приема сигналов индивидуальных и экстренных вызовов. Определение минимальной чувствительности RFID-метки будет основано на расчетной напряженности магнитного поля в точке измерения и измерениях электромагнитного шума в различных точках рудника медно-цинковой руды.

Измерения проводились в нескольких точках шахтного производства с использованием специальных приемных устройств в виде ферритовой антенны (медная катушка на 6000 витков с ферритовым сердечником (рисунок 1b)), подключенной к крейту LTR‑CEU‑1‑4 в конфигурации с модулем АЦП высокого разрешения LTR24 (рисунок 1а).

Рисунок 1. Блок-схема и фото для регистрации электромагнитных помех от приемной антенны: а – блок-схема и фото схемы регистрации; б – 3D-модель приемной ферритовой антенны.

Регистрация электромагнитных помех производилась в шахте по добыче медно-цинковых руд. Карта шахты представлена на рисунке 2, она имеет глубину 850 м и длину до 5000 м. По всей шахте расположены 11 точек, где было проведено несколько измерений длительностью 60 с.

Рисунок 2. Схема расположения точек измерения в шахте.

Электромагнитные помехи регистрировались с помощью приемной антенны и АЦП LTR24 в виде файлов на портативном компьютере для дальнейшей обработки и использования.  

Результаты измерений электромагнитных помех на руднике в дальнейшем будут использованы при разработке приемной RFID-метки для приема полезного сигнала и ее интеграции в общую телекоммуникационно-диспетчерскую сеть шахтного предприятия. Для анализа эффективности приема полезного сигнала в точках измерения шума при чувствительности приемника 5 мкВ был смоделирован полезный сигнал с частотной модуляцией (f₁ = 966 Гц, f₂ = 984 984 Гц) и суммирован с шумом, зарегистрированным в шахте после усиления (усиление 7500), рисунок 3.

Рисунок 3. Временная реализация и спектральная характеристика математической модели сигнала и шума, зарегистрированного в шахте.

Для регистрации полезного сигнала авторами была разработана схема компактного индивидуального приемника сигналов с частотной манипуляцией (ЧМн), рисунок 4. 

Рисунок 4. Функциональная схема приемника сигналов ЧМн без поиска. BPF₀ – первичный фильтр, BPF₁, BPF₂ – дополнительные фильтры для разделения сигналов на частоты модуляции; QR – детекторы, DD – узел формирования битовой последовательности.

На рисунке 5 показан результат обработки суммы смоделированного входного сигнала и зарегистрированного в шахте электромагнитного шума (сигнал + шум) на выходе усилителя приемника. После первичной фильтрации в BPF₀ сигнал проходит дополнительную фильтрацию в BPF₁ и BPF₂, чтобы изолировать сигналы на частотах модуляции. Сигналы после фильтрации проходят процесс выпрямления в QR и суммирования. Полученный суммарный сигнал интегрируется, после чего можно получить битовую последовательность в блоке DD.

Рисунок 5. Процесс преобразования сигнала в приемнике сигнала ЧМн.

В выводах статьи авторы отмечают, что в точках измерения горных выработок интенсивность электромагнитных помех находится ниже порога чувствительности приемника 5 мкВ. Это указывает на чрезвычайно благоприятную интерференционную ситуацию в шахте, позволяющую добиться большого отношения сигнал/шум и вероятности ошибки при передаче бит не хуже 10^–3. Минимальное значение напряженности магнитного поля излучающей антенны в точке измерения должно обеспечить пороговое напряжение не менее 5 мкВ, что соответствует напряжённости H=1,05·10^–4 А/м.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 18‑79‑00137).

Источник:

D S Kudinov et al 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 862 032111

Разработчик: Кудинов Д.С., Майков О.А., Кохонкова Е.А., Потылицын В.С. (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск)