专利名称：基于squid阵列的低频透地通信系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于超导传感器阵列的低频透地通信系统及方法。属于透地通信技术领域。
背景技术：
矿产资源是国家经济发展和社会进步的重要物质基础，因此矿业是国民经济的基础产业。但是大部分矿业生产活动的特点是在地下深处施工作业，空间狭小，工作环境恶劣，当遇到突发事件时，应该及时尽快进行抢救。但目前通信系统以有线传输为主，在灾害事故后，线路极易发生损坏，造成通信中断，使得矿工很难和地面人员联系，地面抢救人员也无法及时准确地了解被困人员的状况和位置，给救援人员造成极大的困难，以至不能够把事故的影响和损失降到最低。因此，以大地为信道的透地无线通信系统被认为是安全生产和灾后救援的一种安全、灵活、可靠的通信系统，对矿井的抢险救灾工作提供了一个非常有效的通信手段。透地无线通信系统以大地为传输信道，与其它通信系统相比，主要有以下几个方面的特点，Cl)因为透地通信的电磁波要在土层和岩石层中传播，属于导电或半导电媒质，由电磁波传输理论得知，电磁波在导电媒质中衰减常数β及趋肤深度Y的表达式分别是β =( π f μ σ)1/2和Y =1/( JIf μ σ )1/2，其中f是电磁波频率，μ是传播介质的磁导率，σ是传播介质的电导率，由此可知，电磁波在传播介质中的穿透深度与电磁波频率f及其电导率密切相关，电磁波频率越高，损耗越严重，穿透地层的深度越短，因此透地无线通信系统所使用的电磁波工作频率通常选择在低频和极低频频段。(2)在低频和极低频电磁波频段内，发射此频段电磁波的发射天线效率很低，而且在透地通信中，电磁波还要经过多次穿透和折射等衰减，以至接收点处的通信信号强度十分微弱，所以降低了通信系统的可靠性和有效性。对上述所存在问题的一个有效的解决方案是提高透地通信系统中接收机的灵敏度和信噪比，不仅能够提高系统的可靠性，而且因为接收机的灵敏度和信噪比高，使得通信发射天线功率可以大大降低，有利于降低低频电磁波发射的难度。超导SQUID器件是目前最灵敏的磁通传感器，其磁场灵敏度在fT量级，在灵敏度方面远远优于常规磁传感器，而且其带宽从直流至MHz范围，器件的噪声不随频率的改变而变化，低频噪声转折频率在几赫兹至几十赫兹之间，因此使用SQUID传感器做为透地无线通信系统的接收机引起了人们的关注，2004年美国阿拉莫斯国家实验室利用超导SQUID传感器进行了矿井下区域语音通信，将语音压缩为500Hz带宽的数字信号后加载在透地载波上实现地上地下的通信，地下信号接收部分是采用的超导SQUID来实现，该系统的通信信号已经能够通过坚硬的岩石层在地下100米以外成功接收。这是迄今为止唯一所报道的利用超导传感器进行煤矿矿井下低频透地通信的实验研究结果。 虽然SQUID是目前最灵敏的磁探测器，如果在地下矿井环境中使用，环境磁场噪声在IOOfT至PT (10 —12T)量级，远远大于SQUID器件的本身噪声，因此SQUID传感器的输出包含了两个方面的信息，一是接收的低频通信信号，这是在通信应用中的有用信息，另一个是远大于SQUID灵敏度的环境磁场噪声信息，它不仅大大降低了通信系统接收的信噪t匕，还将提高系统误码率，又不能发挥超导SQUID器件的优势，因此提高信噪比、抑制环境噪声是在低频透地通信系统使用中必须解决的关键技术。然而，提高信噪比有两种途径，一种是提高通信信号的幅度，这是通过提高发射机功率来实现的，因为发射低频信号，其发射功率在实际应用中很难提高；另一种途径是在保持通信信号强度不变的条件下，抑制环境磁场噪声来提高接收机的信噪比。对环境磁场进行频谱分析得知，在极低频频段，环境磁场噪声具有一定的空间相关性，当频率增加到低频频段时，环境磁场的空间相关性逐渐减弱，直至完全不相关。环境磁场的这种特征为本发明的构思提供了前提，基于此前提条件，本发明拟提出一种提高低频透地通信系统接收信噪比的系统与方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超导SQUID传感器阵列的低频透地通信系统及方法，以提高低频透地通信系统接收机的信噪比。具体地说，由本发明提供的系统使得低频透地通信系统接收信噪比提高一倍，增强低频透地通信系统的实用性和准确性。图1是本发明提供的低频透地通信系统的框图，它是由低频信号发射、无线传输大地信道和基于SQUID阵列信号接收和分析等三部分构成，其中，本发明的关键是基于超导传感器平面阵列的信号接收和分析来提高通信系统的接收信噪比。本发明提出的设计方案是基于如下原因而提出来的:(1)在低频频段，不同空间位置的环境磁场噪声具有非相关性；(2)超导SQUID传感器尺寸一般在厘米级别，易于实现多通道平面阵列集成；(3)超导SQUID阵列内各通道传感器接收并输出的信息既包括通信信号(各通道之间具有极大的相关性)，也包含环境噪声(各通道之间不具有相关性)。基于以上原因，对系统的多个通道的输出进行平均处理，理论上，不相关的环境磁场噪声能够被抑制N1/2倍，其中N是平 面阵列的通道数目，所以信噪比可以提高N1/2倍，获得比使用单个SQUID传感器更高的信噪比。超导SQUID平面阵列的信号接收如图2所示，它集成了 SQUID平面阵列(多个SQUID器件集成)、与SQUID阵列相匹配的读出电路、以及为SQUID阵列提供低温环境的杜瓦等几个部分。本发明所述的超导平面阵列接收主要包含两个部分:在低温环境下的SQUID阵列传感器部分和在室温下与其SQUID阵列匹配的读出电路部分。这两部分通过电缆相连接，共同构成平面阵列接收的核心装置。(I) SQUID 阵列部分SQUID阵列传感器部分是将各单体SQUID器件在一个平面内集成。集成时载体材料选取因为需要考虑如下几个因素:(a)低温下的材料脆性；(b)低温下材料的收缩；(C)可加工性。根据以上要求，发明人选择无磁玻璃纤维材料以满足系统要求。利用机械方法将SQUID器件固定在载体平面表面，这种方式简单、便于操作，而且能够保证器件在载体表面固定的牢固性。由于SQUID器件需要低温环境才可以正常工作，这个条件由承装低温液体的杜瓦提供，目前所使用的杜瓦内径为190_，在考虑多通道阵列中每个通道的尺寸及通道之间的间距，杜瓦内能够安装按照4X4方式排列共16通道的SQUID平面阵列，其排列方式如图3所示，其中平面阵列内SQUID器件之间的间距D设定为4-5cm。按照上面的分析，在环境磁场噪声不具有空间相关性的情况下，4X4的平面阵列在理想状态下可以提高信噪比4倍。若杜瓦内径增加，SQUID阵列的通道数可以相应的增加，进而能够进一步提高信噪比。(2)多通道读出电路部分在超导SQUID平面阵列传感器部分集成了多达16通道的SQUID器件，因此需要配置与SQUID阵列相匹配的多通道读出电路。目前，为单独SQUID器件配置的读出电路技术比较成熟，但是若为每一个SQUID器件配置一个独立的读出电路，那么16个独立的读出电路不仅体积大，而且需要为每一个读出电路设置参数，这些特点不利于SQUID阵列系统的应用，所以将单个读出电路中的公共部分加以整合，形成一个整体的多通道读出电路，并与多通道SQUID阵列相配合，以输出平面阵列各通道超导SQUID传感器所感应的通信信号，而且减小了电路体积，使用方便，有利于系统应用。多通道读出电路设计示意图如图4所示。首先，从结构设计出发，精简每个FLL单元电路，通过共享方式，将各读出电路共有功能进行集成，使用信号总线、通讯管理模块、激励测试模块和信号输出模块统一管理SQUID阵列中各传感器的参数调整和信号输出，然后每个精简的FLL单元连接每一个通道的SQUID器件，如此构成集成的多通道SQUID读出电路。 本发明所述的系统在使用过程中尚需要考虑①多通道读出电路与超导SQUID阵列连接时的串扰问题以及②基于SQUID阵列的微弱信号。(处理详见实施例2和3)综上所述，本发明涉及一种基于超导SQUID阵列的透地通信系统及方法，所述的系统基于低频透地系统所处磁场环境的空间特征和传感器特性，利用超导SQUID阵列来提高透地通信系统的接收信噪比。在此基础上，本发明提供的系统和方法能够提高信号接收的准确性，降低通信误码率，在矿山通信安全方面具有很好的应用前景。
图1基于SQUID阵列的低频透地通信系统总体框图；图2基于SQUID平面阵列的信号接收和分析系统结构；图3SQUID平面阵列的示意图；图4与SQUID阵列相匹配的多通道读出电路；图5基于EMD方法的降噪过程及其效果示意图；其中，a)为EMD降噪原理；b)利用EMB方法进行环境磁场降低噪声的效果；图6两个通道噪声合成后对噪声的抑制效果不意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例的介绍，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。实施例1将SQUID器件粘接在载体上，然后将载体安装于支架上，构成一个2个通道平面阵列。图6是两个通道SQUID在室内测量的磁场噪声及两个通道合成后的噪声,从图6中可以看出，在白噪声段，通道合成后的噪声比每个单独通道的噪声小，实验结果证明本设计方案在噪声抑制方面具有一定的效果。若将SQUID阵列的通道数增加，对噪声抑制的效果将随之大幅度提高，因此本发明对于提高系统信噪比具有积极的意义。实施例2串扰问题的解决方法多通道读出电路与SQUID阵列连接时，构成了多个环路，由于SQUID器件之间间距较近，并且器件与读出电路相连接的低温电缆之间的距离也很小，因此，极易产生严重的串扰，导致SQUID阵列性能下降甚至无法正常工作。基于发明人对SQUID串扰问题的研究，通道间串扰的来源有以下方面:其他通道SQUID反馈磁通干扰；其他通道SQUID调制磁通干扰；SQUID器件与读出电路间的多通道连接线相互耦合。通道串扰导致多通道SQUID模块性能下降甚至无法工作。在现有研究和认知的基础上为解决串扰问题，从串扰源、传播路径、及被干扰目标进行分析，从器件端、电缆连接、电路设计和组装等各方面开展串扰抑制的设计优化。(a)在器件端，增加SQUID器件的空间距离，降低其他通道SQUID反馈磁通和调制磁通对本通道SQUID器件的影响，并优化器件连接布线，尽可能将多通道的布线在空间上分离开来。增加反馈线圈(即调制线圈)与本通道SQUID器件的耦合系数，降低流经线圈的反馈电流和调制电流，减少线圈对周围空间的磁场辐射。(b)在电缆连接方面，通过双绞线等措施，减少串扰耦合机会。设计低温屏蔽电缆，隔离通道之间的串扰耦合。(c)在读出电路部分，优化接口设计，并综合考虑共地、噪声环路、共模干扰等因素产生的多通道之间的串扰，优化电路封装、系统供电、接地等问题。采用磁通调制同步技术，即针对多通道SQUID，选用同频率，同相位的调制信号作为各通道的调制磁通，保证调制磁通相位一致。通过以上方法的综合设计，来解决串扰问题。实施例3基于SQUID阵列的微弱信号处理方法提高低频通信·信号的接收信噪比是低频透地通信系统至关重要的问题，由于在低频通信系统中，接收点处接收到的通信信号属于微弱信号，不只意味着信号的幅度很小，而且信号被强噪声完全淹没，所以对信号的检测十分困难。为提高接收端的信噪比，本发明提出了利用经验模态分解方法来解决基于SQUID阵列的微弱信号处理问题。经验模态分解(EMD)方法适用于对非线性、非平稳信号的分析，同时也适用于对线性、平稳信号的分析，这种降噪方法通过时间尺度滤波方式，在滤除噪声基础上保留信号本身所固有的非线性和非平稳特征，具备自适应性强、对数据类型无限制的优点。EMD方法是基于这样的假设:任何复杂的信号都是由一些不同的简单的固有模态函数组成的，每一个固有模态函数就是一个滤波器，整个经验模态分解构成一个滤波器组，每个模态可以是线性和平稳的，也可以是非线性和非平稳的。通过EMD方法可以将信号的固有模态提取出来。分解过程体现了多分辨分析的滤波特性，相当于一个不断从高频滤波到低频滤波的过程。在对信号进行经验模态分解的基础上，构造了一种新型的滤波方式(时间尺度滤波)。对于频率较低信号，噪声主要集中在高频部分；对于频率较高信号，噪声分量主要集中在低频部分，即最后几个少数IMF中。此时，可以分别构建高通和低通时间尺度滤波，滤除包含噪声分量的部分MF即可达到降噪功能。基于经验模态分解的降噪过程如图5 (a)所示，其基本步骤可概括为:(I)对带噪信号进行EMD分解，得到多个模态函数；(2)选择模态函数的截止阶数；(3)进行时间尺度滤波，输出降噪信号。基于上述的优点，经验模态分解方法在抑制噪声中具有优势，但并没有在低频透地通信系统中应用，因此将上述EMD方法应用于在本发明所述的低频透地通信系统中，在使用EMD方法时对每一通道的噪声进行处理后，进一步对多通道输出进行处理，使用平均算法进一步提高系统的信噪比，以检测出淹没在噪声中的磁场信号信息。附图5 (b)中给出了使用EMD方法处理环境磁场数据的结果，可以看出其中的噪声被大幅度滤除。通过以上所述的SQUID阵 列系统设计和方法研究，将大大提高系统的接收信噪t匕。在这个优点基础上，提高信号接收的准确度，进而降低系统的误码率，提高整个系统的性能。
权利要求
1.一种基于超导SQUID阵列的低频透地通信系统，其特征在于依次由低频信号发射、无线传输大地信道以及基于超导SQUID阵列的信号接收和分析构成，其中基于超导SQUID阵列的信号接收集成了多个超导SQUID器件集成与SQUID阵列匹配的读出电路以及为超导SQUID阵列提供低温环境的杜瓦构成。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于超导SQUID阵列是将各单体SQUID在一个平面内集成。
3.按权利要求2所述的系统，其特征在于集成时载体材料为无磁玻璃纤维，利用机械方法将超导SQUID固定在载体平面的表面。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于: ①多个超导SQUID通道为16通道时，按4X4方式排列； ②在杜瓦内径为190mm，按4X4排列时，器件间距为4- 5cm，提高信噪比4倍。
5.按权利要求1所述的系统，其特征在于多个超导SQUID需要配置与超导SQUID阵列相匹配的多通道读出电路。
6.按权利要求5所述的系统，其特征在于将单个读出电路中的公共部分加以整合，形成一个整体的多通道读出电路，并与多通道SQUID阵列相匹配，以输出平面阵列各通道超导SQUID所感应的信号。
7.按权利要求6所述的系统，其特征在于单个读出电路中每个FLL单元电路，通过共享方式，将各读出电路共有功能进行集成，使用信号总线、通讯管理模块、激励测试模块和信号输出模块统一管理SQUID阵列中各传感器的参数调整和信号输出，然后每个FLL单兀连接每一个通道的SQUID器件，构成集成的多通道SQUID读出电路。
8.使用按权利要求1-7所述的系统的方法，其特征在于通道间的串扰的解决方法是用磁通调制同步技术，即针对多通道SQUID，选用同频率、同相位的调制信号作为各通道的调制磁通，使调制磁通相位一致。
9.使用按权利要求1-7所述的系统的方法，其特征在于利用经验模态分析方法解决基于SQUID阵列的微弱信号处理。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于通过经验模态分析方法对每一通道的噪声进行处理后，使用平均算法提高系统的信噪比，以检测出淹没在噪声中的磁信号信息。
全文摘要
本发明涉及一种基于超导SQUID阵列的低频透地通信系统及方法，其特征在于所述的系统依次由低频信号发射、无线传输大地信道以及基于超导SQUID阵列的信号接收和分析构成，其中基于超导SQUID阵列的信号接收集成了多个超导SQUID器件集成与SQUID阵列匹配的读出电路以及为超导SQUID阵列提供低温环境的杜瓦构成。所述的系统使用时需考虑①多通道串扰解决方法以及微弱信号处理方法。本发明在上述基础上能提高信号接收的信噪比和信号接收的准确性，降低通信误码率。
文档编号H04B13/02GK103220047SQ20131015361
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者王会武, 荣亮亮, 徐婷, 常凯, 伍俊, 蒋坤, 侍文, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所