用于干扰抑制和信号增强的多元件磁接收的制造方法
【专利摘要】提供一种用于增强磁通信信号的系统和方法。使用多元件接收机来生成多个输入信号。使用例如所述多个输入信号的所计算的协方差来生成一组权重，并将其应用到信号。使用权重来生成代表输入信号的加权和的单个输出信号。
【专利说明】用于干扰抑制和信号增强的多元件磁接收机
[0001]本申请要求2011 年 6 月 20 日提交的题为 “Mult1-element Magnetic ReceiverFor Interference Suppression And Signal Enhancement，，的美国专利申请序列号13/164，375的优先权，其主题通过引用被全部并入。
【技术领域】
[0002]本发明涉及磁通信系统，并且更具体地涉及用于干扰抑制和信号增强的磁通信接收机和方法。
【背景技术】
[0003]诸如基于射频(RF)和磁信号的通信系统的地下通信系统遭受噪声和阻碍它们的预期运行的其它类型的干扰。例如，发射机的朝向和/或发射机和接收机的相对位置能够影响所发射的场相对于该接收机的方向和强度。同样，例如大气、土地的中间介质以及人为的障碍物能够以难以预测或无法预测的方式影响接收机处的被发射的磁场。
[0004]这些特性可能对利用定向天线的磁通信系统(诸如用在方向发现操作中的系统)的性能尤其有害。方向发现是确定发射源(通常是基于无线电或磁的)的位置的过程。方向发现的关键应用包括例如山上或其周围或者在地下矿井中的恶劣运行状况中的紧急援救操作。由于通过诸如土地和岩石的材料的RF发射通常比较低效，因此基于磁场的通信常常是优选的。然而，如上所述，磁通信系统遭受使得方向发现操作变得困难的不精确以及信号功率降低。
[0005]期望改进的磁通信系统。
【发明内容】
[0006]在本发明的一个实施例中，提供了一种用于增强磁通信信号而同时抑制噪声和干扰的方法。该方法包括利用多个天线元件接收磁通信信号。通过例如生成对应于由每个天线元件所接收的通信信号的第一协方差矩阵，来测量多个所接收的信号的相对振幅。还可以生成对应于由每个天线元件接收的噪声和干扰的第二协方差矩阵，对其求逆并与第一协方差矩阵相结合。可以对该组合矩阵应用主分量分析，以计算一组权重，所述权重被用来生成包括多个所接收的输入波形的加权和的单个输出波形。
[0007]在本发明的第二实施例中，提供一种用于增强磁通信信号的方法。该方法包括利用多个天线元件接收磁通信信号。通过例如生成与由每个天线元件所接收的通信信号相对应的协方差矩阵，来测量多个所接收的信号的相对振幅。可以对该矩阵应用主分量分析，以计算一组权重，所述权重被用来生成包括所述多个所接收的输入波形的加权和的单个输出波形。
[0008]在本发明的第三实施例中，提供一种用于抑制磁通信系统中的噪声和干扰的方法。该方法包括在没有被发射的磁通信信号的情况下利用多个天线元件接收噪声和干扰。通过例如生成与由每个天线元件所接收的噪声和干扰相对应的协方差矩阵来测量多个所接收的波形的相对振幅。可以对该矩阵的逆矩阵应用主分量分析，以计算一组权重，所述权重被用来生成包括多个所接收的输入波形的加权和的单个输出波形。
[0009]在本发明的第四实施例中，提供了用于找到磁发射机相对于磁接收机的方向的方法。所述方法包括利用三个相互垂直的天线元件接收磁通信信号。通过例如生成与由每个天线元件所接收的通信信号相对应的协方差矩阵，来测量多个所接收的信号的相对振幅。可以对该矩阵应用主分量分析，以估计接收机天线的位置处的磁场的大小和取向。然后可以从该场的取向确定到发射机的方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的实施例的三轴天线的立体图。
[0011]图2是示出用在信号增强和干扰抑制过程中的图1的天线的操作的过程流程图。
[0012]图3是示出用于增强所接收的信号的图1的天线的操作的过程流程图。
[0013]图4是示出用于执行方向发现过程的图1的天线的操作的过程流程图。
[0014]图5A-5C是示出根据本发明的实施例的两个所接收的信号的结果得到的组合的图表。
[0015]图6A和6B是示出根据本发明的实施例的两个所接收的信号的结果得到的组合的图表。
【具体实施方式】
[0016]应当理解的是，本发明的图和说明书已被简化为示出对于清楚理解本发明来说相关的元素，但为了清楚起见删除了在诸如地下磁通信系统的典型磁通信系统中发现的许多其它元素。然而，由于这样的元素在本领域是被熟知的，并且由于它们并不促进对本发明的更好的理解，因此在本文中并不提供对这样的元素的讨论。本文中的公开致力于本领域技术人员已知的所有这样的变化和修改。
[0017]在下面的详细说明中，对附图进行了参考，附图通过例证的方式示出在其中可实践本发明的具体实施例。应当理解的是，本发明的各种实施例虽然不同但不一定是相互排斥的。而且，本文中结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可被实施在其它实施例中而不脱离本发明的范围。另外，应当理解的是，各个元素在每个所公开的实施例内的位置或布置可以被修改而并不脱离本发明的范围。因此，下面的详细说明并不是在限制性的意义上进行的，并且本发明的范围仅仅由所附的权利要求、更适当地解释是由所附的权利要求与权利要求所享有的等同体的全部范围一起来限定。在附图中，相同的数字编号贯穿若干视图指代相同的或相似的功能性。
[0018]可以在磁通信系统中使用多元件天线以便改善所接收的信号的质量。然而，与这些天线一起使用的当前的信号处理方法仅仅实现了边际改进，因为它们仅仅利用来自输出最强的信号的天线元件的数据。这些方法忽略了可以通过最优地组合来自每个天线元件的所接收的信号来实现的益处，诸如信号增强和噪声消除，如将要针对本发明的实施例进行阐述的那样。
[0019]本发明的实施例可以利用从多个天线元件接收到的波形的线性组合来减少噪声和干扰，增大信号强度，并改善信噪比(SNR)。在一个实施例中，可以将来自每个天线元件的所接收的波形与通过对来自所有天线元件的波形进行主分量分析而确定的权重相关联。所接收的波形包含通信信号以及噪声和干扰。使用所关联的权重来创建包括所接收的各个波形的加权和的单个波形。所述权重用于通过消除掉大量噪声来改善信噪比，消除掉大量噪声是通过使来自每个天线元件的噪声分量相关、同时保留或增强期望的通信信号来实现的。
[0020]在另一实施例中，通过对包含通信信号的所接收的波形的主分量分析来计算权重。通过应用这些权重，可以生成包括所接收的各个波形的加权和的单个波形。在该波形中的通信信号可以比由任何天线元件接收的任何单个信号更强。
[0021]在另一实施例中，通过对仅包含噪声和干扰的所接收的波形的主分量分析来计算权重。通过应用这些权重，可以生成包括所接收的各个波形的加权和的单个波形。在该波形中的噪声和干扰可以比在由任何天线元件接收的任何单个波形中更弱。
[0022]在本发明的另一实施例中，可以在方向发现操作中使用三元件(例如，三轴)接收机来估计发射机的位置，由此有助于例如援救工作。通过与上述信号处理技术相结合地使用三轴接收机，可以计算对接收机的位置处的磁场的大小和取向的估计。然后可以根据场的取向的方位角确定到发射机的方向。
[0023]一般地参考图1，示出了示例性多元件天线。在所示出的实施例中，天线10包括三个天线元件12、14、16。天线元件12、14、16可以是定向的，诸如铁氧体棒元件，并且可操作用于接收磁通信信号。在示例性实施例中，元件12、14、16被定向为大体上相互垂直，使得它们可被视为沿着笛卡尔坐标系的分别的X、y和z轴而被定向。元件12、14、16可被协同定位在共同的壳体18内，从而提供可便携性以及对其的保护，并且它们经由到信号处理系统的连接20进行通信，下面将详细阐述其操作。虽然元件12、14、16被示出为被协同定位，如下面将详细阐述的那样，但是根据本发明的实施例的信号处理操作可以不需要元件12、14,16的协同定位，也不需要每个元件相对于其它元件的特定取向(即，沿着相应的轴)。而且，所利用的元件的个数可以改变而不影响过程的运行。
[0024]每个天线元件12、14、16在要接收的磁场与其轴对准时具有最大的定向响应，并且在该场垂直于其轴时具有最小的定向响应。对诸如来自紧急应答器或信号灯的信号的信号的响应取决于天线元件相对于所发射的信号的磁场的取向而显著不同。由于元件12、14、16可能不是相对于信号被最优地定向，因此，它们的接收能力可能被负面地影响。
[0025]本发明的第一实施例可以通过组合从每个元件12、14、16所接收的波形并联合地处理它们以导出代表信号源的加权信号来补救这些缺点。具体地，通过使用数字信号处理算法，可以组合来自每个元件12、14、16的信号以有效地电子旋转天线。该过程使得信号强度最大化以供通信系统的其余部分进行进一步的处理和分析。如下面将要详细阐述的，根据该技术的结果得到的权重可以达成增强信号与抑制噪声和干扰之间的平衡，由此相对于任何单个天线元件改善结果得到的信噪比。针对在例如图2和3中所示出的这些实施例，不需要每个天线元件的已知取向，并且可以使用任意数目的天线元件。
[0026]一般地参考图2，描述了用于增强通信信号并抑制在多元件天线上接收到的干扰的信号处理方法的示例性实施例。到通信系统50的输入是包括来自天线100的天线元件I至N中的每个天线元件的波形的向量ψ.
【权利要求】
1.一种用于增强磁通信信号的方法，所述方法包括步骤: 经由多个天线元件接收磁通信信号； 测量来自每个天线元件的多个所接收的信号的相对振幅； 计算表示所测量的振幅的多个权重，以及 生成所述所接收的信号的加权和。
2.如权利要求1所述的方法，其中测量多个所接收的信号的相对振幅的步骤包括测量来自每个天线元件的所述多个所接收的信号的协方差。
3.如权利要求2所述的方法，其中测量所述所接收的信号的协方差的步骤包括从所述所接收的信号生成协方差矩阵。
4.如权利要求3所述的方法，其中计算多个权重的步骤包括计算对应于所生成的协方差矩阵的最大特征值的特征向量。
5.如权利要求4所述的方法，其中通过对所生成的协方差矩阵的主分量分析来计算所述特征向量。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个天线元件被容纳在共同的壳体内。
7.如权利要求1所述的方法，其中通过计算所述权重与表示所接收的输入信号的向量的内积来形成所述加权和。
8.如权利要求5所述的方法，还包括计算表示所接收的信号的方向的方位的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过从所述特征向量生成方位角和仰角来计算所述方位。
10.如权利要求1所述的方法，还包括计算大体上仅包括干扰的信号的部分的协方差的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中计算干扰的协方差的步骤包括计算没有期望的通信信号时的输入的协方差。
12.如权利要求10所述的方法，其中计算干扰的协方差的步骤包括计算在其处没有期望的通信信号的频率处的输入的协方差。
13.如权利要求10所述的方法，其中计算干扰的协方差的步骤包括对具有超过预定阈值的振幅的输入的部分进行采样。
14.如权利要求10所述的方法，其中计算干扰的协方差的步骤包括计算已经从中减去了期望的通信信号的输入的协方差。
15.如权利要求11所述的方法，其中计算干扰的协方差的步骤包括为所接收的干扰生成第二协方差矩阵。
16.如权利要求15所述的方法，其中计算权重的向量的步骤包括计算与干扰协方差矩阵的逆矩阵和信号协方差矩阵的积的最大特征值相对应的特征向量。
17.如权利要求16所述的方法，其中通过对所计算的矩阵积的主分量分析来计算所述特征向量。
18.如权利要求1所述的方法，还包括对来自所述多个天线元件中的每个天线元件的所接收的信号进行滤波的步骤。
19.一种信号处理系统,包括: 被配置为接收磁通信信号的多个天线元件；被配置为接收来自所述天线元件的多个信号的处理器， 其中所述处理器可操作用于测量来自每个天线元件的多个所接收的信号的相对振幅，计算表示所测量的振幅的多个权重，以及生成所接收的信号的加权和。
20.—种方向发现系统,包括: 被配置为接收磁通信信号的多个天线元件； 被配置为接收来自所述天线元件的多个信号的处理器， 其中所述处理器可操作用于计算所接收的所述多个信号的协方差并从所计算的协方差生成表示所接收的信号的估计的方向和大小的向量。
21.一种确定发射机相对于接收的方向的方法，所述方法包括步骤: 经由多个天线元件接收磁通信信号； 测量来自每个天线元件的多个所接收的信号的相对振幅； 计算表示所测量的振幅的多个权重，以及 估计接收机处的 磁信号相对于发射机的大小和取向。
【文档编号】H04B1/38GK103703691SQ201280030383
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月20日
【发明者】T.M.帕克斯, R.瓦西维奇, D.勒文 申请人:洛克希德马丁公司