基于光纤通信的矿井通信应用策略研究

摘 要： 对光纤通信的原理和特点进行介绍，结合矿井通信的特点，分析矿井光纤通信的优缺点，最后，在此基础上结合目前光纤通信的发展水平，提出相应光纤通信的矿井应用策略，并对今后矿井通信网络发展做出预测。

关键词： 矿井通信；光纤通信；应用策略

中图分类号：TD655 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1010010－02

目前，有一种利用光波承载传播信息的通信技术叫做光纤通信技术，就像如安全监控，电信通信，现代化智能大厦等等。部分发达国家将光纤到户的构想应用到了实践。随着电器件的不断升级和发展，矿井通信技术也得到了升级和发展。矿井通信技术通过光纤与各种终端直接连接。虽然光纤通信技术在地面上已成功应用和推广，但由于地下矿井通信的具体特点，从而铺设光纤具有更为复杂的因素，从而光纤通信技术在矿井使用较少。要实现矿井通信技术的应用和发展必须建立在对相应技术研究和理论发展的基础之上。

1 光纤通信技术的原理特点及分类

1.1 光纤通信技术的原理特点

光纤是由纤芯、填充料、加强肋、护套等部分构成，和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15mm-50mm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8mm-10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。其中由脆性石英玻璃纤维拉制的纤维其传输信号作用。利用光束传递信息的这种新技术是光纤通信，光纤是光的传播介质，实现信息由激光发生器一端传播到激光接收器一端是利用光波在光纤中全反射来实现的。光纤通过将电信号转换为光信号，使转换后的光信号在光纤内远距离传输，到达目的地后再将光信号转化为电信号。

光纤通信过程中，并不是任意波长的光信号都能在光纤中传播，而只有位于1260mm以及1650mm，即光纤截止波长和光纤本征吸收波长之间的波长才能在光纤中用于通信传输。由于二氧化硅在1385nm波长附近的羟基的水吸收峰，从而导致该波段的信号衰减很大，无法实现信息的有效传输，从而不能用于光纤通信。但还可采用新技术，抵消了水吸收峰的衰减，增长了光纤通信能力。光纤通信的技术指标指的是光纤的传播属性，包括衰减和色散两方面。光纤通信中的衰减虽相对较小，但通信过程中各波段都存在衰减现象，从而在光纤通信建设过程中，可通过限制光信号的传输距离减少衰减。使用各种放大器是为了克服衰减对传输距离的影响。光信号的损耗也会由光纤的弯曲造成。光纤的曲率半径应大于十毫米是为了避免弯曲带来的损耗。目前，已实现了对弯曲损耗的控制。色散的激光光源能通过激光发生器产生不单一的频率，激光光源由一定波长范围的光组成，不同的光源波长决定了不同的信息传播速度。由此造成传递信息的畸变是到达接受端的不同步的原因，这就称为光的色散。光纤中的色散能使信号中的光脉冲波段变宽，能实现同一信号的传递，从而造成信息传输中的误码现象。从而在大长度的高速传播系统中应考虑色散的补偿技术。当前开发的色散位移光纤（DSF）是专门来解决色散补偿问题的，它通过加大结构色散，从而抵消材料色散实现了对色散的补偿。

1.2 光纤通信技术的分类

1）传输点模数类

传输点模数类分单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。

2）折射率分布类

折射率分布类光纤可分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面，折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线。

2 在矿井中光纤通信的优缺点及应用策略

光纤通信具有频带宽、传输量大、损耗小、保密性好、受电磁干扰小等优点，也因此得到人们的青睐。与地面光纤通信相比，井下的矿井光纤通信环境恶劣、矿尘重、湿度大、分支多、巷道曲折等具体的环境特点。但是，由于光纤通信将工作电信号转换为了光信号，从而降低了电气防爆、井下电磁干扰、不受电源电压波动的影响。从而，矿井光纤通信技术的应用能在一定程度上对安全监控、生产调度和抢险救灾等造成重要的影响。

2.1 矿井光纤通信的优缺点

1）优点

① 较低的耗损率，光纤通信在短距离具有较高的传输效率，长距离的光纤通信可通过信号放大设备保证传输的准确性，具有较高的可靠性。而电缆信息传输设备，在一两公里内就需要设备装置放大信号，不利于井下矿井通信系统系统的操作和施工。② 容量大、带宽较宽。光纤相对电缆而言，具有十分强的通信能力，能充分满足矿井通信和数据传输等的需要。③ 抗电磁干扰性能高。光纤以及光纤工作中不导电，从而避免了由于使用电缆距离较近而造成的信息干扰现象，并且外界的电磁信号也难以对光信号造成影响，抗干扰的能力高。④ 抗噪声干扰能力强。矿井中的电机、照明等设备发出的噪声将不会对光纤信号的传输产生影响。井下其他电噪声源的启停、开关的闭合、各种电弧等都不会影响光纤通信。同时，通信光纤也不会辐射射频（RF）对其他设备产生干扰。⑤ 安全通信，光纤不导电，从而适用于矿井通信，不会产生接地、共地现象，光纤的安装、测试等也将不受矿井电流电压影响。⑥ 适应性强。矿井环境具有潮湿、灰尘大且含有有毒气体等特点。与电缆相比，光纤受温度影响小、抗氧化性、抗化学腐蚀性强。从而能适应矿井井下工作环境。此外，光纤是使用寿命较长。⑦ 经济性。光纤具有体积小、重量轻，从而便于安装和运输。并且光纤的价格相对较低，并且能节约金属材料的应用，节约安装的成本，光纤也具有损耗低的优势，基本不需要中继器，很大程度上降低了建设和运行的成本。⑧ 防爆性能好。矿井环境含有大量易燃易爆等有害气体，从而，矿井设备应具有一定的防爆能力。光纤传播使用的光信号将引发爆炸的概率极小，防爆性能很好。

2）缺点

① 与电缆通信材料相比，光纤的缺陷在于机械性能差、脆性大、抗拉强度小，对井下的施工作业带来了一定的难度。② 光纤通信以光信号为传输载体，而当前矿井通信终端设备采用的是电信号，由此需要实现光信号与电信号的转换，而光电信号转换的接口价格较高，增加了通信系统的建设成本。③ 光纤的焊接、检测、维修需要专门的设备。光纤的维修过程十分复杂，由此需要专门的设备维修人员进行维修。

2.2 矿井光纤通信应用

1）矿井光纤通信的特点

① 与地面相比，井下矿井巷道的长度基本都属于短距离传输。② 矿井巷道的工作环境较为恶劣，具有矿尘重、湿度大、空间狭窄、分支多、巷道弯曲大等特点，从而矿井的光纤通信设备的建设和维护提出了较高的要求。③ 井下矿井巷道的弯曲多、倾斜度大，在施工建设过程中应着重避免弯曲损耗。④ 井下通信体系一般集中在巷道的工作面上，井下监控书面低于地面，矿井内的信息通信量较小。⑤ 光纤通信系统实现了电信号到光信号的转换，从而避免了电磁干扰、电气防爆等危险因素。

2）矿井光纤通信的应用

矿井光纤通信的应用，应综合考虑光纤通信系统中的距离、传输容量以及通信质量的要求，并在满足了当前通信需要的基础之上，实现通信需求的长远发展，从而获得较高的经济性。以光纤通信在矿井提升机电气控制系统中的应用为例。随着技术的发展，各种现场总线和网络在矿井提升机电控系统中广泛应用，这对系统自动化程度的提高有很大作用。通信质量对工业网络影响很大，而通信质量与生产安全和效率直接相关。提升机机房的环境很好，规范安装可以以最低的成本收获较好的效果。北洺河铁矿在2007年改造了其副井的提升机操作系统。信号系统采用PROFIBUS-DP总线，其传输速度为12Mbit/s。总线连接的各水平信号台采用S7-300信号模块，它与PROFIBUS-DP网的连接用西门子ET200M通信模块，电缆和光缆的转换设备用西门子光纤链路模块OLM/G12。这个模块有1个RS485接口，3个接口，还有2个光纤接口。此过程中用屏幕电缆传输的信号转换为光信号来为OLM/G12传输。信号系统通信电缆、电源电缆以及需要的硬件等安全信号线，用于传递数据的电缆的连接量小。通信光缆由铠装8芯多模玻璃光缆构成，其中含有备用的光纤。网络连接采用冗余环网的连接方式，正常通信的质量不会因为某一点光缆的断开而受影响。

3 结语

光纤通信在地面上的应用已经取得很大成功。虽然目前矿井光纤通信网络系统未发展完善和成熟，但矿井光纤通信体系具有通信容量大、防爆性能好、损耗低、受电磁干扰小等其他通信材料难以比拟的优势。光纤通信技术不仅能在矿井中得到运用，还能在城市通信网、企业无人监控、智能大厦等通信系统的建设中获得较高的经济效益，提高了企业现代化管理水平。但工业中所采用的光纤链路的接入设备比较成本较高，随着光纤通信的发展，它会给矿井工作带来更经济高效的产品。

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