1.本发明涉及透地通信技术领域，尤其涉及用于透地通信定向装置和方法。
背景技术：2.目前电极透地通信技术被应用于采矿、隧道救援等场合；电极透地通信技术采用甚低频或者低频频段，将电极插入土层之中，利用土层作为电介质，一端电极发送的信号会透过土层中在另一端电极上产生感应，从而传递信息。
3.透地通信信号由于电场分布的特点，存在定向性的特征，可以根据信号强度对发送装置进行定向，从而确定发送装置所在方向，或调整接收方向以提高接收性能；然而在一个较大的范围内进行定向操作，会影响定向操作的效率。
技术实现要素：4.本发明提供了用于透地通信定向装置和方法，通过对埋地电极对的位置调整，可以准确高效地实现对透地通信信号的定向，提高了定向操作的效率。
5.本发明提供了用于透地通信定向装置，包括：
6.定向范围设置模块，用于设置信号发送的定向范围；
7.透地通信装置设置模块，用于将一对或多对埋地电极设置为收发电极对；所述收发电极对用于接收多个透地通信信号；
8.机械控制模块，用于在定向范围内，调整收发电极对的位置；
9.接收信号处理模块，用于测量多个接收信号，确定多个接收信号强度值，基于所述多个接收信号强度值，获得对应的收发电极对所处的目标位置。
10.进一步地，所述定向范围根据不同的工作场景地域被设定为不同的目标方位角值，所述目标方位角值小于180度。
11.进一步地，所述机械控制模块包括：在预设的时间周期内，按照固定时间间隔自动调整所述收发电极对的位置。
12.进一步地，所述接收信号处理模块包括信号强度确定单元、收发电极对位置确定单元；
13.所述信号强度确定单元，用于测量多个接收信号，获得接收信号的平均信噪比，根据所述平均信噪比确定接收信号强度值；
14.所述收发电极对位置确定单元，用于比较所述多个接收信号强度值，将接收信号强度值最大的数值对应的收发电极对所处的第一位置，确定为收发电极对所处的目标位置。
15.进一步地，所述收发电极对位置确定单元还包括对所述第一位置进行校正：
16.获取收发电极对所处工作场景地域的环境数据；
17.根据所述环境数据，基于预设的路径损耗模型，获取透地通信信号的路径损耗；
18.基于预设的路径损耗-矫正参数比对库，获取透地通信信号的矫正参数，根据所述
矫正参数对透地通信信号的路径损耗进行矫正，获得透地通信信号强度衰减值；
19.根据预设的信号强度衰减值与收发电极对距离关系匹配库，获得收发电极对与接收信号处理模块的距离，根据所述距离进行位置定位计算，获取收发电极对所处的第二位置；
20.根据所述第二位置按照预设的校正参数对第一位置进行校正，获得经过校正的第一位置。
21.进一步地，在收发电极对所处的目标位置确定后，接收信号处理模块向机械控制模块发送控制信息；机械控制模块将收发电极对调整至该目标位置，进行后续透地通信。
22.进一步地，还包括定向模块，所述定向模块基于所述目标位置，采取预设的定向方法，对通透地通信信号发射源进行定向。
23.进一步地，所述定向方法包括：
24.获取处于目标位置的所述收发电极所处的第一定位点和第二定位点；
25.连接第一定位点和第二定位点，生成一条定位点连线；
26.获取定位点连线的中点，画出经过中点的垂直与定位点连线的垂直线；
27.将该垂直线的来线方向作为透地通信信号发射源所在的方向。
28.进一步地，所述机械控制模块，还包括测向误差纠正单元，用于根据预先获取的测向误差，对透地通信信号的定向方位角进行纠正；
29.所述测向误差纠正单元包括测向误差获取子单元和误差纠正子单元；
30.所述测向误差获取子单元，用于获取工作场景地域的辐射源辐射值；获取工作场景地域的若干个测量点位，利用测向天线在若干个测量点位测量预设的测试通信信号的信号强度，获得若干个测试信号强度值；根据所述辐射源辐射值和若干个信号强度值，获得测试通信信号的测试方位角值；获取测试通信信号的真实方位角值，计算测试通信信号的测试方位角值与真实方位角值的差值，获得测向误差；
31.所述误差纠正子单元，用于利用测向天线测量透地通信信号的信号强度，获得若干个透地通信信号强度值；根据所述辐射源辐射值和透地通信信号强度值，获得透地通信信号的方位角值；根据所述测向误差对所述方位角值进行纠正，获得纠正后的定向方位角。
32.本发明提供了用于透地通信定向方法，包括：
33.s11：设置信号发送的定向范围；
34.s12：设置一对或多对埋地电极为收发电极对，用于接收多个透地通信信号；
35.s13：根据定向范围，调整收发电极对的位置；
36.s14：测量所述多个接收信号，获得多个接收信号强度值；
37.s15：基于接收信号强度值，对透地通信信号发射源进行定向；
38.s16：基于定向的透地通信信号发射源，进行后续透地通信。
39.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
40.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
41.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
42.图1为本发明的用于透地通信定向装置的结构框图；
43.图2为本发明的用于透地通信定向装置在定向范围内进行透地通信定向的示意图；
44.图3为本发明用于透地通信定向方法的流程图。
具体实施方式
45.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
46.本发明提供用于透地通信定向装置，如图1所示，包括：
47.定向范围设置模块，用于设置信号发送的定向范围；
48.透地通信装置设置模块，用于将一对或多对埋地电极设置为收发电极对，所述收发电极对用于接收多个透地通信信号；
49.机械控制模块，用于在定向范围内，调整收发电极对的位置；
50.接收信号处理模块，用于测量多个接收信号，确定多个接收信号强度值，基于所述多个接收信号强度值，获得对应的收发电极对所处的目标位置。
51.上述技术方案的工作原理为：定向装置包括：定向范围设置模块，用于设置信号发送的定向范围；透地通信装置设置模块，用于将一对或多对埋地电极设置为收发电极对，所述收发电极对用于接收多个透地通信信号；机械控制模块，用于在定向范围内，调整收发电极对的位置；接收信号处理模块，用于测量多个接收信号，确定多个接收信号强度值，基于所述多个接收信号强度值，获得对应的收发电极对所处的目标位置。
52.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过对埋地电极对的位置调整，可以准确高效地实现对透地通信信号的定向，提高了定向操作的效率。
53.在一个实施例中，该透地通信定向装置可以实现为用于隧道救援通信的终端设备或基站设备；参数设置模块被配置为所述定向范围在不同的工作场景下取值不同，定向范围设置目标方位角小于180度。
54.上述技术方案的工作原理为：设置定向参数，有助于更好的适应不同的工作场景地域，保证定向装置的操作适应范围，该透地通信定向装置可以实现为用于隧道救援通信的终端设备或基站设备；参数设置模块被配置为所述定向范围在不同的工作场景地域下取值不同，定向范围设置目标方位角小于180度。
55.上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，根据设置的定向范围，提高通过透地通信对发送端进行定向的效率，进行快速定向，从而提高透地通信的效率，并可用于对受困于隧道通信的人员定位。
56.在一个实施例中，如图2所示，根据本技术的一个实施例的在定向范围内进行透地通信定向的示意图；图中包括了连接至透地信号发射机的透地信号收发电极对#2和连接至透地信号接收机的透地信号收发电极对#1，其中，透地信号收发电极对#1先后处于位置#1
′
和位置#2
′
，位置#1
′
和位置#2
′
都在所设置的定向范围之内。当透地信号收发电极对#1处于
位置#1
′
时，基于发送信号测得接收信噪比#1-；当透地信号收发电极对#1处于位置#2
′
时，基于发送信号测得接收信噪比#2-；将接收信噪比#1-与接收信噪比#2-进行比较，得到接收信噪比#2-大于接收信噪比#1-，因此，透地信号接收机确定透地信号收发电极对#1处于位置#2
′
时两电极之间连线的垂直方向为信号源方向。
57.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过比较信噪比，可以准确地反映出信号强度，并确定出透地通信信号发射源方向，提高信号强度的确定的准确度。
58.在一个实施例中，所述接收信号处理模块包括信号强度确定单元、收发电极对位置确定单元；
59.所述信号强度确定单元，用于测量多个接收信号，获得接收信号的平均信噪比，根据所述平均信噪比确定接收信号强度值；
60.所述收发电极对位置确定单元，用于比较所述多个接收信号强度值，将接收信号强度值最大的数值对应的收发电极对所处的第一位置，确定为收发电极对所处的目标位置。
61.所述收发电极对位置确定单元还包括对所述第一位置进行校正：
62.获取收发电极对所处工作场景地域的环境数据；
63.根据所述环境数据，基于预设的路径损耗模型，获取透地通信信号的路径损耗；
64.基于预设的路径损耗-矫正参数比对库，获取透地通信信号的矫正参数，根据所述矫正参数对透地通信信号的路径损耗进行矫正，获得透地通信信号强度衰减值；
65.根据预设的信号强度衰减值与收发电极对距离关系匹配库，获得收发电极对与接收信号处理模块的距离，根据所述距离进行位置定位计算，获取收发电极对所处的第二位置；
66.根据所述第二位置按照预设的校正参数对第一位置进行校正，获得经过校正的第一位置。
67.上述技术方案的工作原理为：接收信号处理模块包括信号强度确定单元、收发电极对位置确定单元；用来测量多个接收信号，获得接收信号的平均信噪比，根据所述平均信噪比确定接收信号强度值；然后比较所述多个透地通信信号强度值，将透地通信信号强度最大值对应的收发电极对所处的第一位置，确定为收发电极对所处的目标位置。
68.在确定收发电极对所处的第一位置进行校正上，本发明首先获取收发电极对所处工作场景地域的环境数据；
69.然后，根据所述环境数据，基于预设的路径损耗模型，获取透地通信信号的路径损耗；通过预设的路径损耗-矫正参数比对库，获取透地通信信号的矫正参数，根据所述矫正参数对透地通信信号的路径损耗进行矫正，获得透地通信信号强度衰减值；最后，根据预设的信号强度衰减值与收发电极对距离关系匹配库，获得收发电极对与接收信号处理模块的距离，根据所述距离进行位置定位计算，获取收发电极对所处的第二位置；根据所述第二位置按照预设的校正参数对第一位置进行校正，获得经过校正的第一位置。
70.接收处理模块接收的信号是极其微小的差分信号，为了进一步对信号进行处理，需要在接收后对信号进行差分接收，并放大到一定幅度；需要在接收信号处理模块添加一个一级放大器；而由于天线端接收的除了微小的差分信号外，还有大量的共模噪声，所以在选取放大器时应选用具有高共模抑制比的芯片，使得其放大后的信号噪声尽可能小。对整
套放大滤波电路来说，其最终的噪声是由各个模块的噪声叠加产生的，级联电路总体的噪声系数计算公式为：
[0071][0072]
其中，p
α
是级联电路总体的噪声系数，p1、p2、p3、pi分别是第一级、第二级、第三级、第i级电路的噪声系数，k1、k2、k
γ
第一级、第二级、第γ级电路的增益；由以上公式可知，系统总体的噪声系数主要由第一级电路模块的噪声系数决定；为了使系统整体的噪声系数减小，应该选择噪声较小的前置低噪声放大电路作为一级放大模块，以保证放大后的信号噪声控制在最小范围内，从而有利于透地通信信号的识别。
[0073]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过设置信号强度确定单元、收发电极对位置确定单元，可以更精确地确定收发电极对位置；通过设置路径损耗模型、路径损耗-矫正参数比对库、信号强度衰减值与电极对距离关系匹配库可以利用数据匹配关系，更精确地提高位置定位的精度；通过对接收处理模块放大器信号噪声的计算，为选择噪声较小的前置低噪声放大电路作为一级放大模块提供数据依据，保证选择符合实施例要求的放大电路，从而提高透地通信信号的识别精度。
[0074]
在一个实施例中，所述机械控制模块，还包括测向误差纠正单元，用于根据预先获取的测向误差，对透地通信信号的定向方位角进行纠正；
[0075]
所述测向误差纠正单元包括测向误差获取子单元和误差纠正子单元；
[0076]
所述测向误差获取子单元，用于获取工作场景地域的辐射源辐射值；获取工作场景地域的若干个测量点位，利用测向天线在若干个测量点位测量预设的测试通信信号的信号强度，获得若干个测试信号强度值；根据所述辐射源辐射值和若干个信号强度值，获得测试通信信号的测试方位角值；获取测试通信信号的真实方位角值，计算测试通信信号的测试方位角值与真实方位角值的差值，获得测向误差；
[0077]
所述误差纠正子单元，用于利用测向天线测量透地通信信号的信号强度，获得若干个透地通信信号强度值；根据所述辐射源辐射值和透地通信信号强度值，获得透地通信信号的方位角值；根据所述测向误差对所述方位角值进行纠正，获得纠正后的定向方位角。
[0078]
上述技术方案的工作原理为：由于测试场地和周围环境对测向误差的影响不可能完全消除，测向过程中不可避免存在误差，在对测向误差进行纠正后，有利于获得正确的定向结果；本实施例还包括测向误差纠正单元，用于根据预先获取的测向误差，对透地通信信号的定向方位角进行纠正；所述测向误差纠正单元包括测向误差获取子单元和误差纠正子单元；
[0079]
所述测向误差获取子单元，用于获取工作场景地域的辐射源辐射值；获取工作场景地域的若干个测量点位，利用测向天线在若干个测量点位测量预设的测试通信信号的信号强度，获得若干个测试信号强度值；根据所述辐射源辐射值和若干个信号强度值，获得测试通信信号的测试方位角值；获取测试通信信号的真实方位角值，计算测试通信信号的测试方位角值与真实方位角值的差值，获得测向误差；
[0080]
所述误差纠正子单元，用于利用测向天线测量透地通信信号的信号强度，获得若干个透地通信信号强度值；根据所述辐射源辐射值和透地通信信号强度值，获得透地通信
信号的方位角值；根据所述测向误差对所述方位角值进行纠正，获得纠正后的定向方位角。
[0081]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案，通过对测向误差进行纠正，可以保证定向结果的精确度。
[0082]
在一个实施例中，如图3所示，根据本技术的一个实施例的用于透地通信定向的方法的流程图，该方法包括：设置定向范围(s11)；采用一对或多对埋地电极作为收发电极对接收多个透地通信信号(s12)；在所述定向范围内改变所述收发电极对的位置(s13)；测量所述多个透地通信信号得到相应的多个接收信号强度值，所述多个接收信号强度值分别对应所述收发电极对所处的不同位置(s14)；
[0083]
在步骤s11中，可以所述定向范围在不同的工作场景下取值不同。在步骤s11中，可以所述定向范围小于180度；
[0084]
在步骤s13中，可以在第一时间段内按照固定时间间隔自动改变所述收发电极对的位置；
[0085]
在步骤s14中，可以将接收信号的平均信噪比作为接收信号强度；
[0086]
在步骤s14中，可以基于已知的所述多个透地通信信号进行信道测量得到所述多个接收信号强度，比较所述多个接收信号强度并确定其中的最大接收信号强度，所述最大接收信号强度对应所述收发电极对所处的目标位置；
[0087]
示例性的，还包括虚线框所示的基于所述目标位置进行信号源的定向(s15)；
[0088]
示例性的，在步骤s15中，可以将处于所述目标位置的所述收发电极对作为两点进行连线并将与所述连线垂直的方向作为信号源所在的方向；
[0089]
示例性的，还包括虚线框所示的在所述接收信号处理模块确定所述最大接收信号强度后将所述收发电极对移动至所述目标位置进行后续透地通信(s16)；
[0090]
上述技术方案的工作原理及有益效果，在本发明的用于透地通信定向的装置权利要求项中已经叙述，不再赘述。
[0091]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
技术特征：1.用于透地通信定向装置，其特征在于，包括：定向范围设置模块，用于设置信号发送的定向范围；透地通信装置设置模块，用于将一对或多对埋地电极设置为收发电极对，所述收发电极对用于接收多个透地通信信号；机械控制模块，用于在定向范围内，调整收发电极对的位置；接收信号处理模块，用于测量多个接收信号，确定多个接收信号强度值，基于所述多个接收信号强度值，获得对应的收发电极对所处的目标位置。2.根据权利要求1所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述定向范围根据不同的工作场景地域被设定为不同的目标方位角值，所述目标方位角值小于180度。3.根据权利要求1所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述机械控制模块包括：在预设的时间周期内，按照固定时间间隔自动调整所述收发电极对的位置。4.根据权利要求1所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述接收信号处理模块包括信号强度确定单元、收发电极对位置确定单元；所述信号强度确定单元，用于测量多个接收信号，获得接收信号的平均信噪比，根据所述平均信噪比确定接收信号强度值；所述收发电极对位置确定单元，用于比较所述多个接收信号强度值，将接收信号强度值最大的数值对应的收发电极对所处的第一位置，确定为收发电极对所处的目标位置。5.根据权利要求4所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述收发电极对位置确定单元还包括对所述第一位置进行校正：获取收发电极对所处工作场景地域的环境数据；根据所述环境数据，基于预设的路径损耗模型，获取透地通信信号的路径损耗；基于预设的路径损耗-矫正参数比对库，获取透地通信信号的矫正参数，根据所述矫正参数对透地通信信号的路径损耗进行矫正，获得透地通信信号强度衰减值；根据预设的信号强度衰减值与收发电极对距离关系匹配库，获得收发电极对与接收信号处理模块的距离，根据所述距离进行位置定位计算，获取收发电极对所处的第二位置；根据所述第二位置按照预设的校正参数对第一位置进行校正，获得经过校正的第一位置。6.根据权利要求4所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，在收发电极对所处的目标位置确定后，接收信号处理模块向机械控制模块发送控制信息；机械控制模块将收发电极对调整至该目标位置，进行后续透地通信。7.根据权利要求4所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，还包括定向模块，所述定向模块基于所述目标位置，采取预设的定向方法，对通透地通信信号发射源进行定向。8.根据权利要求7所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述定向方法包括：获取处于目标位置的所述收发电极所处的第一定位点和第二定位点；连接第一定位点和第二定位点，生成一条定位点连线；获取定位点连线的中点，画出经过中点的垂直与定位点连线的垂直线；将该垂直线的来线方向作为透地通信信号发射源所在的方向。9.根据权利要求1所述的用于透地通信定向装置，其特征在于，所述机械控制模块，还包括测向误差纠正单元，用于根据预先获取的测向误差，对透地通信信号的定向方位角进
行纠正；所述测向误差纠正单元包括测向误差获取子单元和误差纠正子单元；所述测向误差获取子单元，用于获取工作场景地域的辐射源辐射值；获取工作场景地域的若干个测量点位，利用测向天线在若干个测量点位测量预设的测试通信信号的信号强度，获得若干个测试信号强度值；根据所述辐射源辐射值和若干个信号强度值，获得测试通信信号的测试方位角值；获取测试通信信号的真实方位角值，计算测试通信信号的测试方位角值与真实方位角值的差值，获得测向误差；所述误差纠正子单元，用于利用测向天线测量透地通信信号的信号强度，获得若干个透地通信信号强度值；根据所述辐射源辐射值和透地通信信号强度值，获得透地通信信号的方位角值；根据所述测向误差对所述方位角值进行纠正，获得纠正后的定向方位角。10.用于透地通信定向方法，其特征在于，包括：s11：设置信号发送的定向范围；s12：设置一对或多对埋地电极为收发电极对，用于接收多个透地通信信号；s13：根据定向范围，调整收发电极对的位置；s14：测量所述多个接收信号，获得多个接收信号强度值；s15：基于接收信号强度值，对透地通信信号发射源进行定向；s16：基于定向的透地通信信号发射源，进行后续透地通信。
技术总结本发明提供了用于透地通信定向装置和方法，其装置包括：定向范围设置模块，用于设置信号发送的定向范围；透地通信装置设置模块，用于将一对或多对埋地电极设置为收发电极对，所述收发电极对用于接收多个透地通信信号；机械控制模块，用于在定向范围内，调整收发电极对的位置；接收信号处理模块，用于测量多个接收信号，确定多个接收信号强度值，基于所述多个接收信号强度值，获得对应的收发电极对所处的目标位置。本发明通过对埋地电极对的位置调整，可以准确高效地实现对透地通信信号的定向，提高了定向操作的效率。提高了定向操作的效率。提高了定向操作的效率。
技术研发人员：陈晋辉 徐湛 苏中 职如昕
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
