超低频水下遥控系统设计

摘  要： 关键词： 超低频；超导量子干涉器；水下遥控
       水下设备可在无人职守的情况下完成对水下目标的探测、监视等任务，在国防军事、海洋环境监控、水下目标识别等领域具有不可替代的优势。但水下设备在布放后便难以控制，并且在任务完成后对设备的回收也极其困难，这大大制约了水下设备效能的充分发挥。如果能够解决水下设备的超远距离遥控问题，即实现预先布放，在内陆对水下设备进行无线遥控，使它在平时处于休眠状态，工作时唤醒，任务完成后自毁或自动上浮，则使水下设备的使用变得更加灵活，而且会给水下设备带来前所未有的实用价值。
1 超低频遥控的可行性分析
     为实现对水下设备的无线遥控可以在沿海岸边布放大功率的声波发射器，通过水声信号实现对水下设备的控制。但这种遥控方式作用距离短，且由于沿海水深较浅，混响较强，信号到达设备后失真严重，因此难以保证对设备控制的可靠性。如果要实现对远距离大深度之外的水下设备的遥控，则只能采用电磁波作为遥控信号。将发射电磁波的控制台建在内陆，控制台发出的电磁波信号穿透海水，从而实现对水下设备的有效控制。在利用电磁波对水下设备进行超远程遥控时，由于电磁波在海水中衰减极快，所以要求所选频段的电磁波对海水有较大的透射深度。海水对电磁波的衰减随着频率的降低而减少，因此应选择低频段的电磁波作为遥控信号，但又不可选择过低的频率，否则天线的辐射效率极低，为此选择超低频ELF(Extremely Low Frequency)电磁波作为水下设备的遥控信号。超低频波的频率范围是30 Hz～300 Hz，能够穿透上百米深的海水，同时超低频波在大气中传播时衰减极小，传播稳定，可靠性强，可实现对几千公里之外设备的遥控，目前已被广泛应用到军事通信、海洋环境监控、大地物理勘探等领域。
2 超低频传播特性分析
2.1 超低频在大气中的传播分析
     超低频电磁波在地-电离层波导中传播时，电离层对超低频波的有效反射高度约为70 km～90 km之间，远远小于超低频波在自由空间中的波长，波导相对较小，高阶模迅速衰减，所以只能传最低阶的TEM波。超低频波在大气中传播衰减极小，仅几瓦的功率即可实现数千公里的传输。
     超低频电磁波在地-电离层波导中辐射的电场垂直分量可用下式计算：

     图1为垂直电流源产生的电场|Er|与接收点距源点距离ρ的关系。
   
       从图1可以看出，随着传播距离的增加，超低频电磁波的衰减减小。图中远离源点后曲线出现起伏，是由于超低频波长较长，绕射地球一周后的绕射波与直射波相互干涉的结果。
2.2 超低频在海水中的衰减分析
     由(1)式可确定海平面上任意一点电场的垂直分量Er，但它并不是进入海水的主要电场。电磁波在海平面上传播的过程中，其水平磁场在海平面上感应产生一个径向水平电场，此水平电场强度为：

     由(1)式求出的Er除以自由空间的波阻抗便可求出海面接收点处的磁场，再将(3)式中的电场换成磁场便可求出深度等于z处的水平磁场。
     海水中的超低频信号强度极小，用普通天线显然无法完成对超低频信号的接收。在下节中提出了采用超导量子干涉器SQUID(Superconductive Quantum Interference Devices)作为超低频接收装置，从而实现水下设备对超低频信号的接收。
3 超低频遥控接收系统设计
3.1 超低频接收装置设计
     由对超低频电磁波在水中信号强度的估计可知，超低频信号在100 m深海水中的电场强度大约为10-11 V/m。为有效接收到超低频信号，实际进入超低频接收机的信号幅度应不低于10-9 V。所以如果采用电偶极子作为水下设备天线来接收电场信号，则电偶极子天线的有效长度应在100 m左右，这显然是不可行的。因此考虑用磁性天线接收超低频信号的磁场分量。假设超低频信号的中心频率为80 Hz，带宽100 Hz，则在水下100 m处的接收天线灵敏度应不低于10-14  T/ 。要想接收到如此微弱的磁场信号是十分困难的，通常采用中间带磁芯的螺线管做成的磁性天线，但实验证明这种天线的接收效果并不理想，并且难以做到全方位接收，体积上也无法满足水下接收天线的安装要求。
     针对水下设备接收超低频信号时遇到的困难，提出了采用超导量子干涉器作为水下超低频遥控信号的接收装置。超导量子干涉器是利用超导环中弱连接的约瑟夫森(Josephson)效应制成的磁通-电压转换元件，具有极高的磁场灵敏度，目前较为先进的超导量子干涉产品的灵敏度大于10-16  T/ [1]，完全能够满足对超低频信号的水下接收要求。
     SQUID就其功能来讲是一种磁通量传感器[2]，并且可以把测得的磁通量转化为电压、电流等信号。从温度角度来区分可以分为低温SQUID(4 K)和高温SQUID(77 K)两种。早期的SQUID采用工作在液氦温度(4 K)的低温超导材料，但受条件限制，低温SQUID的应用十分有限。目前应用较多的是工作于液氮温度(77 K)的高温超导材料。
     在实际应用中，SQUID通常又可以分为两种类型：直流超导量子干涉器(DC-SQUID)和射频超导量子干涉器(RF-SQUID)[3]，如图2所示。
   
   
     无论是DC-SQUID还是RF-SQUID，在作为接收超低频信号的磁场传感器时都存在两个关键技术问题。
     (1)如何消除运动感应噪声[4]。由于地磁场的强度为0.5×10-4  T，远高于信号强度，当水下设备在海水中产生晃动时，就必然会产生运动感应噪声，这对水下设备的影响十分严重。为消除这一影响可以采用三个相互正交的SQUID构成一个标量磁强计，这种三轴磁强计由三个小环天线构成，如图3所示。环面法线相互正交，任意方向上的地磁场矢量在三个坐标轴上投影的矢量和就是地磁场本身。只要轴线严格正交，三个SQUID感应到的电动势的平方和就是一个与地磁矢量转动无关的常量，从而消除了运动感应噪声的影响。
   
       (2)如何长期保持SQUID处于低温的工作状态。目前通常采用将SQUID传感器置于充满液氮的杜瓦瓶中以维持低温环境。将SQUID传感器置于杜瓦瓶的底部，杜瓦瓶中的液氮从顶部缓慢蒸发，在液氮完全蒸发之前杜瓦瓶始终能够维持SQUID所需的低温环境。所以随着杜瓦瓶容积的增大，SQUID的有效工作时间也随之增加。在水下设备接收超低频信号的应用中，只要设计出可以装在水下设备内有较大容积的杜瓦瓶，则保持SQUID处于低温环境的问题也就解决了。
3.2 水下设备超低频接收机设计
     设计超低频遥控信号接收机要时刻围绕“低功耗”这一主题，无论是的前级低噪声放大器，还是后续的数字信号处理电路，在设计时都要尽量将功耗降到最低。为此选择器件时要在满足性能要求的基础上尽量选择低功耗器件。
     图4为超低频遥控信号接收机的硬件设计平台框图。SQUID磁强计输出的信号进入到接收机前端的低噪声放大电路，在该部分电路的设计过程中应将放大器设计成多级结构，并尽量降低第一级的等效输入噪声，以提高放大器整体的抗噪声性能。放大器输出的信号经选频滤波后进入A/D转换芯片，将得到的数字信号传送给DSP模块。信号处理部分选择TI公司的16 bit定点信号处理器TMS320VC5502，主频为300 MHz，每个MIPS功耗只有0.05 mW[5]，该芯片强大的电源管理能力进一步增强了节电功能。DSP处理得到的控制信号将通过CAN总线收发器传给引信主机控制模块，实现控制水下设备处于值更、休眠、上浮、自毁等不同的工作状态。
   
       在信号传输方案上，由于信号的工作带宽较窄，所以选择功率谱密度较为集中的最小移频键控(MSK)作为信号的调制方式，并且采用卷积码作为信道纠错码[6]。实验证明，这种信号方案可以有效降低超低频通信中的误码率。超低频频段内的噪声源主要是雷电产生的尖峰脉冲，对这部分噪声应采用削波处理。对从海面向下传播的电磁波而言，海洋是一个低通滤波器，使尖峰脉冲发生了形变，不利于削波。可以采用与海洋的低通特性相反的海洋补偿滤波器对这部分噪声补偿，然后再进行削波处理。使用时应先用深度传感器测定水下设备的深度，以此来控制海洋补偿滤波器的特性。软件实现框图如图5所示。
   
       本文阐明了研制超低频遥控水下设备的重要意义，估算出了接收超低频信号的天线所需的灵敏度，提出了采用SQUID磁强计作为水下超低频遥控信号的接收天线，设计了一种水下超低频遥控接收机的软、硬件实现方案。对水下超低频遥控系统研究提供了实际可行的解决方案。
参考文献
[1] WOLF S A,DAVIS J R,NISENOFF M.Superconducting Extremely Low Frequency(ELF) magnetic field sensors for submarine communications.IEEE Transactions on Communications，1974，Com-22(4)：549-554.
[2] BERNSTEIN S L，MCNEILL D A，RICHER I.A signaling  extremely scheme and experimental receiver for low frequency (ELF) communication.IEEE Transactions on Communications，1974，Com-22(4)：508-528.
[3] REAGOR D，FAN Y，MOMBOURQUETTE C，et al.A high-temperature superconducting receiver for low-frequency radio  waves.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(4)：3845-3849.
[4] HIROTA M，NANAURA K，TERANISHI Y，et al.SQUID  gradiometers for a fundamental study of underwater magnetic  detection.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(2)：2327-2330.
[5] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5502 fixed point digital signal processor data manual[Z].USA：Texas Instruments Incorporate，2004.
[6] 储钟圻，梁高权.远程通信.北京：中国电力出版社，2008.