CN109244625B - 用于水下超低频信号接收的磁性天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置，包括上下平行且间隔设置的上层天线阵列和下层天线阵列；上层天线阵列包括同一水平面内呈正方形分布的第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线；下层天线阵列与上层天线阵列结构相同，各磁性天线间填充有慢波材料。本发明采取阵列天线设计，分为上下两层，可实现信号全向接收，同时，根据磁性天线方向性滤波特性以及表现在各磁性天线输出波形强度和频谱强度的差异，确定超低频信号的来波来向，并确定接近来波的上下两根磁性天线采集的来波信号为在该时刻的较可信样本，再通过滤波和噪声抵消将得到的样本进行处理，得到超低频信号。
Description
技术领域
本发明涉及深水通信技术领域，尤其涉及一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置。
背景技术
超低频(SLF)通信是我国目前唯一的深水通信技术，水下航行器使用拖曳天线在水下接收超低频无线电信号，达成水面与水下航行器的单向通信。拖曳天线是一种电天线，虽然能够实现超低频信号的接收，但是天线总长度约几百米，存在的主要问题如下：
1.拖曳天线严重影响水下航行器的机动性
由于拖曳天线目前没有解决全向接收的问题，在收信时必须调整水下航行器航向到规定的航向上，对水下航行器的航向有严重限制。拖曳天线释放后处于水下航行器尾流中，受尾流影响造成拖曳天线摆动，天线产生电磁干扰噪声，影响水下航行器收信质量，造成水下航行器收信时航速受到限制。
2.拖曳天线严重影响水下航行器的安全性
拖曳天线***使用卷扬机构来释放和回收，而卷扬***在工作时会发出噪声，增大水下航行器声暴露的可能性。拖曳天线释放后在水下航行器后面，长度达到800m，会在特殊情况下与螺旋桨等尾部结构碰撞缠绕，且容易被拖网渔船、水面商船等碰撞，造成水下航行器部件损坏。拖曳天线与拖曳声呐等装备使用时互相冲突，不可以同时使用这两种装备，否则会造成拖曳部分缠绕拉扯，甚至脱落。
3.拖曳天线严重影响通信的实时性。
拖曳天线非全向天线，只有在约定时间水下航行器调整航向后才能通信，无法全时、实时收信。水下航行器在机动受限或者紧急情况下无法调整航向时，通信联络无法及时达成，且错过本次收信只能等待下一个收信点。通信的实时性无法保证。
为了克服拖曳天线的缺点，国外已有采用磁性天线作为接收天线的水下航行器，但通信频段为甚低频(VLF)，还无法达到通过使用磁性天线接收超低频频段信号的目的。
然而超低频收信效果取决于两个因素，其一是收信深度上的信号强度，其二是收信深度上的信噪比。目前经过计算和试验，采用单根磁性天线可在100米深度上可靠收信，信号强度和磁性天线灵敏度指标达标，信噪比也符合收信要求。但是把收信天线安装在水下航行器壳体上时，水下航行器噪声将极大影响收信深度上的信噪比，使得信噪比指标不满足收信要求。在磁场天线灵敏度等指标满足要求的前提下，要实现磁性天线在水下航行器上接收超低频信号的功能，最关键的问题是如何克服水下航行器本身产生的噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置，包括上下平行且间隔设置的上层天线阵列和下层天线阵列；上层天线阵列包括同一水平面内呈正方形分布的第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线；下层天线阵列与上层天线阵列结构相同，包括第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线，第五磁性天线平行于第一磁性天线，第六磁性天线平行于第二磁性天线，第七磁性天线平行于第三磁性天线，第八磁性天线平行于第四磁性天线；所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线间填充有慢波材料；
根据磁性天线方向性滤波特性、填充材料的滤波特性，以及表现在各磁性天线输出波形强度和频谱强度的差异，确定超低频信号的来波来向，并确定接近来波的上下两根磁性天线采集的来波信号为较可信样本，通过滤波和噪声抵消将得到的样本进行处理，得到超低频信号。
作为本方案的一种优选，所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线均为感应式磁场传感器。
本发明的有益效果是：
1、本发明以感应式磁场传感器为核心部件作为超低频收信天线，易于实现与水下航行器的一体化设计，该传感器具有很高的接收灵敏度，能够满足超低频通信的要求，且工作时不要求水下航行器降低巡航速度和下潜深度，能够保证水下航行器的机动性和隐蔽性。
2、本发明采取阵列天线设计，使用8根磁场传感器组阵，每4根组成一个正方形平面阵，分为上下两层，组阵设计可实现信号全向接收，获取多个信号和噪声样本，利于后续信号处理及噪声抑制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置，包括上下平行且间隔设置的上层天线阵列和下层天线阵列；上层天线阵列包括同一平面内呈正方形分布的第一磁性天线U1、第二磁性天线U2、第三磁性天线U3、第四磁性天线U4；下层天线阵列与上层天线阵列结构相同，包括第五磁性天线D1、第六磁性天线D2、第七磁性天线D3、第八磁性天线D4，第五磁性天线平行于第一磁性天线，第六磁性天线平行于第二磁性天线，第七磁性天线平行于第三磁性天线，第八磁性天线平行于第四磁性天线；所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线间填充有慢波材料(图中未示出)。
所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线均为感应式磁场传感器。
水下航行器噪声是近场噪声，随距离成三次方衰减，衰减很快。而通信信号属于远场信号，基本上随距离的一次方衰减，衰减较慢。因此，在上层磁性天线上通信信号强度远强于下层磁性天线上的强度。反之，水下航行器噪声在下层磁性天线上的强度远大于上层磁性天线上的强度。
在水平面上相互垂直布置的两个磁性天线可以全向接收该平面内的信号，因此四个阵元天线组成的天线阵列在水平方向上为全向接收，且每个来向的磁场信号至少被两个磁性天线接收，可以获得两个样本数据。而对上述磁性天线装置而言，对于任何一个来波方向的磁场信号，至少存在四个磁性天线可以收到信号，最多全部8个磁性天线收到信号。
以水平来波方向垂直于U4的信号S1(f,d,n)为例，根据阵元天线的方向特性，U4U2 D4 D2可以在方向图的最大增益方向上接收到信号S1(f,d,n)。
上述情况下，定义上层天线阵的方向性矩阵为：
下层天线阵的方向性矩阵为：
这个方向性矩阵的秩为2，其条件数很好。
如果来波方向是对角线方向，则上层天线阵的方向性矩阵为
同理下层天线阵的方向性矩阵为：
这个方向矩阵条件数很差，秩为1。
以水平来波方向垂直于U4的信号S1(f,d,n)为例，由于信号从左往右传播，在填充材料中行进了距离L1，则根据上文中填充材料的滤波特性，可以计算出信号在距离L1上的衰减量K1(f)。从而推出上层天线阵的增益矩阵：
同理下层天线阵的增益矩阵为：
通过上述矩阵可以用来区分信号的水平来向，同时，可以通过填充材料滤波增益差异区分信号的上下来向。
假设S1(f,d,n)在某时刻为单频信号，不失一般性，可以认为多频信号是由多个单频信号组成，则上层四个磁性天线输出的信号矩阵为:
Sout(U)＝G(U)S1(f,d,n)+Gm(U)
通过信号矩阵公式可以得出，由于磁性天线方向性滤波特性和填充材料滤波特性，以及表现在四个磁性天线输出波形强度和频谱强度的差异，可以对S1(f,d,n)进行来波方向的确定，并确定U4/D4天线上采集的信号即为S1(f,d,n)在该时刻的较可信样本，可用于后续的滤波和噪声抵消。同理对于从下而上传播的噪声信号，下层天线阵列感应信号也可以产生比上层对应天线高一定分贝的幅度差。此幅度差在时域表现为时域波形的幅度值，同时在频域上也可以表现为幅度的差值。在上下两层对应天线出现了时域波形类似、但是波形幅度和频谱幅度都相差一定分贝的信号，则可以认为下层天线上获得了特定时段内噪声的一个样本。最后，通过滤波和噪声抵消将得到的样本进行处理，得到超低频信号。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
Claims (2)
1.一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置，其特征在于，包括上下平行且间隔设置的上层天线阵列和下层天线阵列，上层天线阵列和下层天线阵列设置在水下航行器上；上层天线阵列包括同一水平面内呈正方形分布的第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线；下层天线阵列与上层天线阵列结构相同，包括第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线，第五磁性天线平行于第一磁性天线，第六磁性天线平行于第二磁性天线，第七磁性天线平行于第三磁性天线，第八磁性天线平行于第四磁性天线；所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线间填充有慢波材料；
根据磁性天线方向性滤波特性、填充材料的滤波特性，以及表现在各磁性天线输出波形强度和频谱强度的差异，确定超低频信号的来波来向，并确定接近来波的上下两根磁性天线采集的来波信号为较可信样本，通过滤波和噪声抵消将得到的样本进行处理，得到超低频信号。
2.如权利要求1所述的一种用于水下超低频信号接收的磁性天线装置，其特征在于，所述第一磁性天线、第二磁性天线、第三磁性天线、第四磁性天线、第五磁性天线、第六磁性天线、第七磁性天线、第八磁性天线均为感应式磁场传感器。
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