矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统及方法技术领域：
本发明涉及监测预警系统及方法，具体涉及一种矿用三分量磁波双
向透地监测预警指挥系统及方法。
技术背景：
煤炭是我国的主体能源，2013年全国原煤产量达到了37亿吨，比
2005年增长76.2％；“十一五”期间全国累计生产煤炭139亿吨，为国
民经济和社会发展提供了重要支撑。由于我国煤矿矿层埋藏较深，适合
于露天开采的储量仅占4％，多数为井工开采。复杂的地质条件导致了有
毒有害气体、粉尘、透水、火灾、顶板等灾害频发。近年来实现了安全
生产形势持续稳定好转，但是，安全生产领域仍然存在一些问题，还有
很大差距，事故起数和死亡人数仍处于高位，安全生产形势依然严峻。
据不完全统计，2008年至2012年，煤矿发生生产事故74起，被困人数
多达800多人，涉及煤矿瓦斯、火灾、水灾、顶板等各种灾害事故。
我国煤矿安全生产问题频发的原因很多，其中安全生产科技装备相
对落后，尚不能为安全生产提供足够的技术支撑和保障是其原因之一，
因此，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》“公
共安全”领域的“重大生产事故预警与救援”优先主题中，明确提出
“重点研究开发矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术，开发燃
烧、爆炸、毒物泄漏等重大工业事故防控与救援技术及相关设备”。在
《安全生产“十二五”规划》中，也将“加强安全生产科学技术研究”、
“推广应用先进适用技术与装备，提高安全保障能力”列为六大任务的
重要内容。同时在2013年国办发〔2013〕99号国务院办公厅《关于进
一步加强煤矿安全生产工作的意见》中也明确指出要加强煤矿应急救援
设备的建设。
由于目前常用的无线电通讯系统无法有效穿透地层，因此现有解决
方案中一般采用的是有线通信，而一次坍塌或者爆炸就可以摧毁有线电
缆致使如人员定位网络、通讯网络瘫痪，在灾害事故发生后井下遇险人
员无法与地面救援人员建立联系，同时地面人员无法掌握事故发生后人
员分布情况，导致救援的盲目性和营救效率低下。
上世纪九十年代中期开始，国外美国与澳大利亚研制成功了“PED
井下无线急救寻呼系统”，但是该系统只能从井上向井下人员发送单向
信息，井下工作人员无法向井上传递信息；美国LockheedMartin公司
研制的MagneLink透地通讯装置、美国StrataWorldWide公司的
RockPhone透地通讯装置、加拿大VitalAlert公司研制的Canary透
地通讯装置，国内天地(常州)自动化股份有限公司、山西浩宇龙晟电
子科技有限公司、山西地宝科技股份有限公司晋中分公司通过自主或与
国外几家公司合作研发透地通讯装置，但通讯距离较短。2013年我国煤
矿平均开采深度已经超过600m，最深已达1500m，并以每年10-20m速
度递增，现有技术不能适应大部分煤矿实际情况；同时不具有对灾害发
生后人员分布情况掌握、环境参数监测、分析及预警的能力及与煤矿现
有网络不兼容，容易形成信息孤岛等缺点，导致目前还未能在煤矿得到
推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供矿用三分量磁波双向透地监测
预警指挥系统及方法。
为了解决上述问题，本发明的第一个技术方案是，矿用三分量磁波
双向透地监测预警指挥系统，包括地面装置和井下装置，地面装置和井
下装置通过电磁波穿透地层实现参数的监测和预警指挥；所述地面装置
包括第一处理终端、第一发射机、第一接收机、第一发射天线和第一接
收天线；所述井下装置包括井下中继基站装置和若干个井下便携式装
置；所述井下中继基站装置包括第二处理终端、第二发射机、第二接收
机、第一环境参数采集模块、第二发射天线和第二接收天线；井下便携
式装置包括第三处理终端、第一发射接收机、第二环境参数采集模块和
第一天线；其特点是：
第一处理终端：用于向第一发射机发射编码数据流，并且用于对第
一接收机传送来的信息进行解码、分析及预警；
第一发射机：用于接收第一处理终端输出的编码数据流，将编码数
据流转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第一发射天线；
第一接收机：用于处理第一接收天线送来的信号，并将处理好的信
号发送至第一处理终端；
第一发射天线：用于将第一发射机发送来的信号发射出去；
第一接收天线：用于将接收到的信号发送至第一接收机；
第二处理终端：用于向第二发射机发射编码数据流，且用于对第二
接收机传送来的信息进行解码，还用于对第一环境参数采集模块送来的
数据进行处理；
第二发射机：用于接收第二处理终端输出的编码数据流，将编码数
据流转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第二发射天线；
第二接收机：用于处理第二接收天线上传送来的信号，并将处理好
的信号发送至第二处理终端；
第一环境参数采集模块：用于采集井下环境参数，并将采集到的数
据发送至第二处理终端；
第二发射天线：用于将第二发射机发送来的信号发射出去；
第二接收天线：用于将接收到的信号发送至第二接收机；
第三处理终端：用于向第一发射接收机发送编码数据流，并且用于
对第一发射接收机传送来的数据流解码；还用于对第二环境参数采集模
块送来的数据进行处理；
第一发射接收机：用于接收来自第一天线的信号，对该信号进行处
理，将处理后的信号发送至第三处理终端；并且用于将第三处理终端送
来的数据流转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第一天线；
第二环境参数采集模块：用于采集井下环境参数，并将采集到的数
据发送至第三处理终端；
第一天线，用于将接收到的信号发送至第一发射接收机，并且用于
将第一发射接收机送来的信号发射出去。
根据本发明所述的矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统的
优选方案，所述第一处理终端、第二处理终端和第三处理终端均包含语
音输入输出单元，语音压缩编解码单元、收发开关控制单元，处理器单
元，隔离板单元和人机接口单元；其中：
语音输入输出单元：拾取外界的语音信号并将其输出到语音压缩编
解码单元；接收语音压缩编解码单元输出的信号，处理后输出；
语音压缩编解码单元：接收语音输入输出单元输出的语音信号，并
进行压缩编码后输出到处理器单元；接收处理器单元输出的信号，并压
缩解码后输出到语音输入输出单元；
处理器单元：接收人机接口单元输出的信号，对收到的信号进行处
理后输出到语音压缩编解码单元；接收语音压缩编解码单元输出的信
号，对收到的信号进行处理后输出到人机接口单元；
隔离板单元：将处理器单元与收发开关控制单元进行隔离；
收发开关控制单元：对发射与接收模式进行切换，控制信号流入第
一发射机或者从第一接收机输出；
人机接口单元，用于文本信息输入及显示，将输入信息传输至处理
器单元。
根据本发明所述的矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统的
优选方案，所述第一发射机和第二发射机均包含控制单元、变频单元、
功率谐振放大单元和测量单元；其中：
控制单元：接收处理终端输出的指令，生成对变频单元的控制信号，
并将相关信息反馈给处理终端；
变频单元：接收控制单元输出的控制信号，生成发射信号输出到功
率谐振放大单元；
功率谐振放大单元：接收变频单元输出的信号，进行功率放大、处
理后输出到第一发射天线和测量单元；
测量单元：对功率谐振放大单元放大处理的信号进行回测，并将结
果返回到控制单元。保证发射信号准确，并且用于对测量电压、电流、
温度等参数并反馈给控制单元进行故障诊断。
根据本发明所述的矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统的
优选方案，所述第一接收机和第二接收机均包含选频单元、微弱信号处
理单元、A/D单元和矿用本安型电源单元；其中：
选频单元：接收第一接收天线输出的信号，进行选频处理后输出到
微弱信号处理单元；
微弱信号处理单元：对选频单元输出的信号进行滤波、自适应放大
处理，并将处理完后的信号送输出到A/D单元；
A/D单元：对微弱信号处理单元输出的信号进行模数转换，并将转
换后的结果输出到处理终端；
矿用本安型电源：为接收机的各个单元及接收天线提供电源。
根据本发明所述的矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统的
优选方案，所述第二接收天线包含三分量磁棒线圈单元、第二选频单元
和差分放大单元，其中：
三分量磁棒线圈单元：用于感应X，Y，Z方向微弱电磁波信号，将
感应信号输出到第二选频单元；
第二选频单元：接收三分量磁棒线圈单元输出的信号，进行处理，
选出有用信号，并压制噪声，并将处理后的信号输出到差分放大单元；
差分放大单元：将选频单元输出的信号进行差分放大后，输出到第
二接收机。
矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统进行监测预警指挥的
方法，该方法包括如下步骤：
将地面装置的发射和中继基站装置的接收设置为同一频率；
将中继基站装置与井下便携式装置的发射信道设置为不同的频
率，地面装置接收中继基站装置的信号；
灾害事故发生时，井下中继基站装置和搜救人员使用的井下便
携式装置的收发开关控制单元设置为发射模式，遇险人员使用的井
下便携式装置收发开关控制单元设置为接收模式；
井下便携式装置将采集到的环境参数发送给井下中继基站装
置；
井下中继基站装置通过第二接收天线接收磁波信号,并送入第
二接收机处理,产生数据流送入第二处理终端；第二处理终端对数据
流进行处理，将处理后信号送入第二发射机；第二发射机将第二处
理终端输出的信号转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第二
发射天线；第二发射天线将信号发射出去；
地面装置的收发开关控制为接收模式时：
地面装置通过第一接收天线接收磁波信号，并将其送入第一接
收机；
第一接收机将上述信号输入选频单元选频放大；将选频放大后的
信号通过微弱信号处理单元处理；将微弱信号处理后的信号送至A/D
单元；将A/D转换后的信号送至第一处理终端进行软滤波和解码，
得到数据流，再通过解码得出灾区人员位置、环境参数信息；然后
通过第一GPRS数据收发信机发送至第二地面装置，第二GPRS数据
收发信机接收数据后传送至数据处理监测预警指挥服务器对数据流
进行综合分析；
地面装置的收发开关控制单元设置为发射模式时：
地面装置的第二GPRS数据收发信机将预警指挥信息发送至地面
装置，地面装置的第一GPRS数据收发信机接收信息后，传送到第一
处理终端，第一处理终端将收到的信息处理后，通过第一发射机和
第一发射天线将预警指挥信息发送至井下中继基站装置，通过井下
中继基站装置将信息传送至井下便携式装置。
采用与井下装置相同的发射过程将预警指挥信息发送至井下装置；
井下中继装置和井下便携式装置之间利用上述方式进行通信，井下中继
基站装置也可作为二级救援指挥预警终端平台。
本发明所述的矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统和方法
的有益效果是：本发明利用能够穿透长距离煤岩层的三分量磁波建立有
效的双向通讯信道，不但能够实现地面人员与井下遇险人员进行双向穿
透煤岩层通信，而且能够对井下灾害环境参数进行采集分析监测预警，
将井下灾害环境、遇险人员、救援人员信息传输到地面进行综合分析决
策，同时将预警信息、地面指令传输到井下遇险人员和救援人员，实现
灾害事故发生后的救援决策预警指挥一体化，极大地提高了营救效率，
能够在GB3836.1-2010～GB3836.4-2010所述爆炸性环境中使用；具有强
大的抗毁性，可广泛应用在煤矿、非煤矿山等领域。
附图说明
图1为本发明所述的矿用三分量磁波双向长距离透地通讯预警指挥
系统原理框图。
图2是地面装置第一处理终端框图。
图3是地面装置第一发射机框图。
图4是地面装置第一接收机框图。
图5是井下装置第一环境参数采集模块框图。
图6是井下装置第二接收天线框图。
具体实施方式
如图1所示，矿用三分量磁波双向长距离透地通讯预警指挥系统包
括地面装置A、第二地面装置A2及井下中继基站装置B1和若干个井下
便携式装置B2，地面装置A和井下中继基站装置B1通过电磁波穿透地
层实现参数的监测和预警指挥；该系统中所有装置采用半双工不对称通
信方式，这种通信机制避免了多台地面/井下装置同时处于发射状态，
互相干扰导致无法正常通信。数据可以双向传输，但同一时刻只允许单
向传输。
地面装置A包括第一处理终端A10，第一发射机A20，第一接收机
A30，第一发射天线A40、第一接收天线A50和第一GPRS数据收发信机
A60。
第一处理终端A10用于向第一发射机A20发射编码数据流，并且用
于对第一接收机A30传送来的数据流进行解码、分析及预警；并且，第
一处理终端A10还通过第一GPRS数据收发信机A60向第二地面装置A2
发送数据，也通过第一GPRS数据收发信机A60接收第二地面装置A2发
送的数据。
所述第一处理终端A10的工作过程是：从第一接收机A30采集调制
信号，进行去噪整形滤波，再进行解码，解码后的数据包为包含应用协
议信息在内的原始通信数据包，该数据包通过数据解包处理后按应用协
议进行数据分发；数据分发包括进行本地应用数据发送、GPRS转发数据；
本地应用数据发送为在处理终端上直接输出交互信息，如语音、文字、
图片等。GPRS转发数据为按应用需求通过第一GPRS数据收发信机A60
进行发送。从第一GPRS数据收发信机A60采集的信号或者通过本地应
用数据接口接收的操作人员的输入信息，按应用协议规范进行打包，打
包后的通信报文进行编码，编码后的信息通过第一发射机A20进行发送。
第一处理终端A10包括语音输入输出单元A101、语音压缩编解码单
元A102、收发开关控制单元A106、处理器单元A104、隔离板单元A105
和人机接口单元A103；如图2所示。
所述第一处理终端A10、第二处理终端和第三处理终端均包含语音
输入输出单元A101，语音压缩编解码单元A102、收发开关控制单元
A106，处理器单元A104，隔离板单元A105和人机接口单元A103；其中：
语音输入输出单元A101：拾取外界的语音信号并将其输出到语音压
缩编解码单元A102；接收语音压缩编解码单元A102输出的信号，进行
处理后输出；
语音压缩编解码单元A102：接收语音输入输出单元A101输出的语
音信号，进行压缩编码后输出到处理器单元A104；接收处理器单元A104
输出的信号，压缩解码后输出到语音输入输出单元A101；
处理器单元A104：接收人机接口单元A103输出的信号，对收到的
信号进行处理后输出到语音压缩编解码单元A102；接收语音压缩编解码
单元A102输出的信号，进行处理后输出到人机接口单元A103；处理器
单元A104用于对信号的采集、编解码处理、信号软滤波处理等，并将
结果发送至语音压缩编解码单元A102和人机接口单元A103，以及隔离
板单元A105；
隔离板单元A105：将处理器单元A104与收发开关控制单元A106
进行隔离；隔离板单元A105可用于将处理器A104的USB端口、串口、
网口等接口与收发控制单元A106进行隔离；
收发开关控制单元A106：在发射与接收模式之间进行切换，控制信
号流入第一发射机A20或者将第一接收机A30的信号输出至隔离板单元
A105。
人机接口单元A103：用于文本信息输入及显示，将输入信息传输至
处理器单元A104。
第一发射机A20用于接收第一处理终端A10输出的编码数据流，将
编码数据流转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第一发射天线
A40进行发射；
第一发射机A20包括了控制单元A201、变频单元A202、功率谐振
放大单元A203和测量单元A204，如图3所示。
控制单元A201：接收第一处理终端A10输出的指令，生成对变频单
元A202的控制信号；并将相关信息反馈给第一处理终端A10；
变频单元A202：接收控制单元A201输出的控制信号，生成发射信
号输出到功率谐振放大单元A203；
功率谐振放大单元A203：接收变频单元A202输出的信号，进行功
率放大，将其放大至所需的功率，并将处理后的信号输出到第一发射天
线A40和测量单元A204；
测量单元A204：对功率谐振放大单元A203放大处理的信号进行回
测，并将结果返回到控制单元A201。测量单元A204用于保证发射信号
准确，对功率谐振放大单元放大处理的信号进行回测，并将结果返回到
控制单元A201进行故障诊断。
第一接收机A30：用于处理第一接收天线A50送来的信号，并将处
理好的信号发送至第一处理终端A10进行解码、分析；
第一接收机A30包括了选频单元A301、微弱信号处理单元A302、
A/D单元A303和矿用本安电源单元A304，如图4所示。
选频单元A301：接收第一接收天线A50输出的信号，进行选频处理
后输出到微弱信号处理单元A302；
微弱信号处理单元A302：对选频单元A301输出的信号进行滤波、
自适应放大处理，并将处理后的信号输出到A/D单元A303；
A/D单元A303：对微弱信号处理单元A302输出的信号进行模数转
换，并将转换后的结果输出到第一处理终端A10；
矿用本安电源：为第一接收机A30的各个单元及第一接收天线A50
提供电源。
第一发射天线A40，用于将第一发射机A20的发送来的信号发射出
去；
第一接收天线A50，用于将接收到的信号发送至第一接收机A30；
第一发射天线为几千米长的环形天线，第一接收天线为几十米长的
环形天线，第二接收天线为三分量磁棒天线，第一天线为几米长收发一
体环形天线。
如图1所示，井下中继基站装置B1为矿用隔爆型一体化透地中继
基站，具备参数采集、人员位置数据收集及通信中继功能。包括了第二
处理终端B10、第二发射机B20、第二接收机B30、第一环境参数采集
B40、第二发射天线B50、第二接收天天线B60和人员位置信息接口B70。
其中：
第二处理终端B10用于向第二发射机发射编码数据流，且用于对第
二接收机传送来的信息进行软解码，还用于对第一环境参数采集模块送
来的数据进行处理；第二处理终端B10与地面装置A中的第一信息处理
终端A10的结构相同；不同的是第二处理终端位于隔爆腔体内；
第二发射机B20用于接收第二处理终端输出的编码数据流，将编码
数据流转换为模拟信号，再进行放大处理后发送至第二发射天线；第二
发射机B20与地面装置A中的第一发射机A20的结构相同，不同的是第
二发射机位于隔爆腔体内。
用于处理第二接收天线上传送来的信号，并将处理好的信号发送至
第二处理终端；第二接收机B30与地面装置A中的第一接收机A30的结
构相同，不同的是第二接收机位于隔爆腔体内。
第一环境参数采集模块B40，用于采集井下环境参数，如甲烷、一
氧化碳、氧气、温度等，并将采集到的数据发送至第二处理终端B10；
第一环境参数采集模块B40包含了矿用无线AP单元B401、矿用无
线WIFI串口单元B402和矿用参数采集单元B403，如图5所示。
矿用无线AP单元B401，用于将矿用无线WIFI串口单元B402传输
过来的信号进行中转，并将其传输至第二处理终端B10；矿用无线WIFI
串口单元B402用于将参数采集单元的数据传输至矿用无线AP单元
B401；矿用参数采集单元B403用于采集灾害发生后的环境参数，如甲
烷、一氧化碳、二氧化碳、温度等参数，并将其传输到矿用无线WIFI
串口单元B402。
第二发射天线B50，用于将第二发射机B20发送来的信号发射出去；
第二接收天线B60，用于将接收到的信号发送至第二接收机B30；
第二接天线B60，包含了三分量磁棒线圈单元B601、第二选频单元
B602和差分放大单元B603，如图6所示；
三分量磁棒线圈单元B601用于感应X，Y，Z方向微弱磁波信号，
将感应信号送入第二选频单元B602；
第二选频单元B602用于接收三分量磁棒线圈单元B601输出的信
号，进行处理，选出有用信号，并压制噪声，并将处理后的信号输出到
差分放大单元B603；
差分放大单元B603用于将第二选频单元B602送过来的信号进行差
分放大，并送入第二接收机B30。
井下便携式装置B2为矿用本安型一体化透地仪器，包括了第三处
理终端B70、第一发射接收机B80、第二环境参数采集模块B90和第一
天线B100，其中：
第三处理终端B70用于向第一发射接收机B80发送编码数据流，并
且用于对第一发射接收机传送来的数据流解码；还用于对第二环境参数
采集模块B90送来的数据进行处理；第三处理器B70与地面装置A中的
第一信息处理终端A10的结构相同；
第一发射接收机B80，用于接收来自第一天线B100的信号，对该信
号进行处理，将处理得到的信号发送至第三处理终端B70，并且用于接
收来自第三处理终端B70的数据流并转换为模拟信号，对该模拟信号进
行放大处理后发送至第一天线B100进行发射；
第一发射接收机B80包含了第一发射机A20与第一接收机A30的全
部单元，并增加了矿用本安电源单元。
在具体实施过程中，第二地面装置A2安装在监控室内，地面装置
A2中的数据处理监测预警指挥服务器A70通过第二GPRS数据收发信机
A80向地面装置A1接收或发送信息，地面装置A1可以为多个。第一GPRS
收发信机A60与第二GPRS收发信机A80双向通讯，并从第二GPRS收发
信机A80接收来相关信息，并传输给第一处理器终端A10，第一处理器
终端向井下装置B1发射控制命令，地面装置A1一般安装在矿井口，
地面装置A1中的第一天线A40采用几千米长的环形天线；井下装置
一般安装在矿井下的避难硐室内，根据避难硐室的数量决定井下装置的
数量，还可以根据具体情况和实际需要在特定位置安装井下装置；第二
天线B40采用几十米长的环形天线。
数据处理监测预警指挥服务器A70的作用是：通过第二GPRS数据
收发信机A80接收数据，对收到的数据进行分析处理，在终端显示器上
进行交互显示，分析结果可通过第二GPRS数据收发信机A80再发送出
去。操作人员输入的数据通过处理后，交由第二GPRS数据收发信机A80
进行发送。
利用矿用三分量磁波双向透地监测预警指挥系统进行监测预警指
挥的方法，该方法包括如下步骤：
该方法包括如下步骤：
将地面装置A1的发射和中继基站装置B1的接收设置为同一频
率；
将中继基站装置B1与井下便携式装置B2的发射信道设置为不
同的频率，地面装置A1接收中继基站装置B1的信号；
灾害事故发生时，井下中继基站装置和搜救人员使用的井下便
携式装置的收发开关控制单元设置为发射模式，遇险人员使用的井
下便携式装置收发开关控制单元设置为接收模式；
井下便携式装置将采集到的环境参数发送给井下中继基站装
置；
井下中继基站装置通过第二接收天线B60接收磁波信号,并送入
第二接收机B30处理,产生数据流送入第二处理终端B10；第二处理
终端B10对数据流进行处理，将处理后信号送入第二发射机B20；第
二发射机B20将第二处理终端输出的信号转换为模拟信号，再进行
放大处理后发送至第二发射天线B50；第二发射天线B50将信号发射
出去；
地面装置A1的收发开关控制为接收模式时：
地面装置A1通过第一接收天线A50接收磁波信号，并将其送入
第一接收机A30；
第一接收机A30将上述信号输入选频单元A301选频放大；将选频
放大后的信号通过微弱信号处理单元A302处理；将微弱信号处理后
的信号送至A/D单元A303；将A/D转换后的信号送至第一处理终端
A10进行软滤波和解码，得到数据流，再通过解码得出灾区人员位置、
环境参数信息；然后通过第一GPRS数据收发信机A60发送至第二地
面装置A2，第二GPRS数据收发信机A80接收数据后传送至数据处理
监测预警指挥服务器A70对数据流进行综合分析；
地面装置A1的收发开关控制单元设置为发射模式时：
地面装置A2的第二GPRS数据收发信机A80将预警指挥信息发
送至地面装置A1，地面装置A1的第一GPRS数据收发信机A60接收
信息后，传送到第一处理终端A10，第一处理终端A10将收到的信息
处理后，通过第一发射机A20和第一发射天线A40将预警指挥信息
发送至井下中继基站装置B1，通过井下中继基站装置B1将信息传送
至井下便携式装置B2。
本发明上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明
的权利要求进行限制，其它的任何未背离本发明的技术方案而所做的改
变及等效置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。