水下設(shè)備可在無(wú)人職守的情況下完成對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)、監(jiān)視等任務(wù)，在國(guó)防軍事、海洋環(huán)境監(jiān)控、水下目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。但水下設(shè)備在布放后便難以控制，并且在任務(wù)完成后對(duì)設(shè)備的回收也極其困難，這大大制約了水下設(shè)備效能的充分發(fā)揮。如果能夠解決水下設(shè)備的超遠(yuǎn)距離遙控問題，即實(shí)現(xiàn)預(yù)先布放，在內(nèi)陸對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行無(wú)線遙控，使它在平時(shí)處于休眠狀態(tài)，工作時(shí)喚醒，任務(wù)完成后自毀或自動(dòng)上浮，則使水下設(shè)備的使用變得更加靈活，而且會(huì)給水下設(shè)備帶來(lái)前所未有的實(shí)用價(jià)值。
1 超低頻遙控的可行性分析
    為實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備的無(wú)線遙控可以在沿海岸邊布放大功率的聲波發(fā)射器，通過水聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備的控制。但這種遙控方式作用距離短，且由于沿海水深較淺，混響較強(qiáng)，信號(hào)到達(dá)設(shè)備后失真嚴(yán)重，因此難以保證對(duì)設(shè)備控制的可靠性。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離大深度之外的水下設(shè)備的遙控，則只能采用電磁波作為遙控信號(hào)。將發(fā)射電磁波的控制臺(tái)建在內(nèi)陸，控制臺(tái)發(fā)出的電磁波信號(hào)穿透海水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備的有效控制。在利用電磁波對(duì)水下設(shè)備進(jìn)行超遠(yuǎn)程遙控時(shí)，由于電磁波在海水中衰減極快，所以要求所選頻段的電磁波對(duì)海水有較大的透射深度。海水對(duì)電磁波的衰減隨著頻率的降低而減少，因此應(yīng)選擇低頻段的電磁波作為遙控信號(hào)，但又不可選擇過低的頻率，否則天線的輻射效率極低，為此選擇超低頻ELF(Extremely Low Frequency)電磁波作為水下設(shè)備的遙控信號(hào)。超低頻波的頻率范圍是30 Hz～300 Hz，能夠穿透上百米深的海水，同時(shí)超低頻波在大氣中傳播時(shí)衰減極小，傳播穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)幾千公里之外設(shè)備的遙控，目前已被廣泛應(yīng)用到軍事通信、海洋環(huán)境監(jiān)控、大地物理勘探等領(lǐng)域。
2 超低頻傳播特性分析
2.1 超低頻在大氣中的傳播分析
    超低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中傳播時(shí)，電離層對(duì)超低頻波的有效反射高度約為70 km～90 km之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超低頻波在自由空間中的波長(zhǎng)，波導(dǎo)相對(duì)較小，高階模迅速衰減，所以只能傳最低階的TEM波。超低頻波在大氣中傳播衰減極小，僅幾瓦的功率即可實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里的傳輸。
    超低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中輻射的電場(chǎng)垂直分量可用下式計(jì)算：

    圖1為垂直電流源產(chǎn)生的電場(chǎng)|Er|與接收點(diǎn)距源點(diǎn)距離ρ的關(guān)系。

    從圖1可以看出，隨著傳播距離的增加，超低頻電磁波的衰減減小。圖中遠(yuǎn)離源點(diǎn)后曲線出現(xiàn)起伏，是由于超低頻波長(zhǎng)較長(zhǎng)，繞射地球一周后的繞射波與直射波相互干涉的結(jié)果。
2.2 超低頻在海水中的衰減分析
    由(1)式可確定海平面上任意一點(diǎn)電場(chǎng)的垂直分量Er，但它并不是進(jìn)入海水的主要電場(chǎng)。電磁波在海平面上傳播的過程中，其水平磁場(chǎng)在海平面上感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)徑向水平電場(chǎng)，此水平電場(chǎng)強(qiáng)度為：

    由(1)式求出的Er除以自由空間的波阻抗便可求出海面接收點(diǎn)處的磁場(chǎng)，再將(3)式中的電場(chǎng)換成磁場(chǎng)便可求出深度等于z處的水平磁場(chǎng)。
    海水中的超低頻信號(hào)強(qiáng)度極小，用普通天線顯然無(wú)法完成對(duì)超低頻信號(hào)的接收。在下節(jié)中提出了采用超導(dǎo)量子干涉器SQUID(Superconductive Quantum Interference Devices)作為超低頻接收裝置，從而實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備對(duì)超低頻信號(hào)的接收。
3 超低頻遙控接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 超低頻接收裝置設(shè)計(jì)
    由對(duì)超低頻電磁波在水中信號(hào)強(qiáng)度的估計(jì)可知，超低頻信號(hào)在100 m深海水中的電場(chǎng)強(qiáng)度大約為10^-11 V/m。為有效接收到超低頻信號(hào)，實(shí)際進(jìn)入超低頻接收機(jī)的信號(hào)幅度應(yīng)不低于10^-9 V。所以如果采用電偶極子作為水下設(shè)備天線來(lái)接收電場(chǎng)信號(hào)，則電偶極子天線的有效長(zhǎng)度應(yīng)在100 m左右，這顯然是不可行的。因此考慮用磁性天線接收超低頻信號(hào)的磁場(chǎng)分量。假設(shè)超低頻信號(hào)的中心頻率為80 Hz，帶寬100 Hz，則在水下100 m處的接收天線靈敏度應(yīng)不低于10^-14  T/。要想接收到如此微弱的磁場(chǎng)信號(hào)是十分困難的，通常采用中間帶磁芯的螺線管做成的磁性天線，但實(shí)驗(yàn)證明這種天線的接收效果并不理想，并且難以做到全方位接收，體積上也無(wú)法滿足水下接收天線的安裝要求。
    針對(duì)水下設(shè)備接收超低頻信號(hào)時(shí)遇到的困難，提出了采用超導(dǎo)量子干涉器作為水下超低頻遙控信號(hào)的接收裝置。超導(dǎo)量子干涉器是利用超導(dǎo)環(huán)中弱連接的約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)制成的磁通-電壓轉(zhuǎn)換元件，具有極高的磁場(chǎng)靈敏度，目前較為先進(jìn)的超導(dǎo)量子干涉產(chǎn)品的靈敏度大于10^-16  T/[1]，完全能夠滿足對(duì)超低頻信號(hào)的水下接收要求。
    SQUID就其功能來(lái)講是一種磁通量傳感器[2]，并且可以把測(cè)得的磁通量轉(zhuǎn)化為電壓、電流等信號(hào)。從溫度角度來(lái)區(qū)分可以分為低溫SQUID(4 K)和高溫SQUID(77 K)兩種。早期的SQUID采用工作在液氦溫度(4 K)的低溫超導(dǎo)材料，但受條件限制，低溫SQUID的應(yīng)用十分有限。目前應(yīng)用較多的是工作于液氮溫度(77 K)的高溫超導(dǎo)材料。
    在實(shí)際應(yīng)用中，SQUID通常又可以分為兩種類型：直流超導(dǎo)量子干涉器(DC-SQUID)和射頻超導(dǎo)量子干涉器(RF-SQUID)[3]，如圖2所示。

    無(wú)論是DC-SQUID還是RF-SQUID，在作為接收超低頻信號(hào)的磁場(chǎng)傳感器時(shí)都存在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。
    (1)如何消除運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲[4]。由于地磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.5×10^-4  T，遠(yuǎn)高于信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)水下設(shè)備在海水中產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí)，就必然會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲，這對(duì)水下設(shè)備的影響十分嚴(yán)重。為消除這一影響可以采用三個(gè)相互正交的SQUID構(gòu)成一個(gè)標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)，這種三軸磁強(qiáng)計(jì)由三個(gè)小環(huán)天線構(gòu)成，如圖3所示。環(huán)面法線相互正交，任意方向上的地磁場(chǎng)矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上投影的矢量和就是地磁場(chǎng)本身。只要軸線嚴(yán)格正交，三個(gè)SQUID感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)的平方和就是一個(gè)與地磁矢量轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)的常量，從而消除了運(yùn)動(dòng)感應(yīng)噪聲的影響。

    (2)如何長(zhǎng)期保持SQUID處于低溫的工作狀態(tài)。目前通常采用將SQUID傳感器置于充滿液氮的杜瓦瓶中以維持低溫環(huán)境。將SQUID傳感器置于杜瓦瓶的底部，杜瓦瓶中的液氮從頂部緩慢蒸發(fā)，在液氮完全蒸發(fā)之前杜瓦瓶始終能夠維持SQUID所需的低溫環(huán)境。所以隨著杜瓦瓶容積的增大，SQUID的有效工作時(shí)間也隨之增加。在水下設(shè)備接收超低頻信號(hào)的應(yīng)用中，只要設(shè)計(jì)出可以裝在水下設(shè)備內(nèi)有較大容積的杜瓦瓶，則保持SQUID處于低溫環(huán)境的問題也就解決了。
3.2 水下設(shè)備超低頻接收機(jī)設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)超低頻遙控信號(hào)接收機(jī)要時(shí)刻圍繞“低功耗”這一主題，無(wú)論是的前級(jí)低噪聲放大器，還是后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理電路，在設(shè)計(jì)時(shí)都要盡量將功耗降到最低。為此選擇器件時(shí)要在滿足性能要求的基礎(chǔ)上盡量選擇低功耗器件。
    圖4為超低頻遙控信號(hào)接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)框圖。SQUID磁強(qiáng)計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)入到接收機(jī)前端的低噪聲放大電路，在該部分電路的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將放大器設(shè)計(jì)成多級(jí)結(jié)構(gòu)，并盡量降低第一級(jí)的等效輸入噪聲，以提高放大器整體的抗噪聲性能。放大器輸出的信號(hào)經(jīng)選頻濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片，將得到的數(shù)字信號(hào)傳送給DSP模塊。信號(hào)處理部分選擇TI公司的16 bit定點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320VC5502，主頻為300 MHz，每個(gè)MIPS功耗只有0.05 mW[5]，該芯片強(qiáng)大的電源管理能力進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)電功能。DSP處理得到的控制信號(hào)將通過CAN總線收發(fā)器傳給引信主機(jī)控制模塊，實(shí)現(xiàn)控制水下設(shè)備處于值更、休眠、上浮、自毀等不同的工作狀態(tài)。

    在信號(hào)傳輸方案上，由于信號(hào)的工作帶寬較窄，所以選擇功率譜密度較為集中的最小移頻鍵控(MSK)作為信號(hào)的調(diào)制方式，并且采用卷積碼作為信道糾錯(cuò)碼[6]。實(shí)驗(yàn)證明，這種信號(hào)方案可以有效降低超低頻通信中的誤碼率。超低頻頻段內(nèi)的噪聲源主要是雷電產(chǎn)生的尖峰脈沖，對(duì)這部分噪聲應(yīng)采用削波處理。對(duì)從海面向下傳播的電磁波而言，海洋是一個(gè)低通濾波器，使尖峰脈沖發(fā)生了形變，不利于削波?？梢圆捎门c海洋的低通特性相反的海洋補(bǔ)償濾波器對(duì)這部分噪聲補(bǔ)償，然后再進(jìn)行削波處理。使用時(shí)應(yīng)先用深度傳感器測(cè)定水下設(shè)備的深度，以此來(lái)控制海洋補(bǔ)償濾波器的特性。軟件實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

    本文闡明了研制超低頻遙控水下設(shè)備的重要意義，估算出了接收超低頻信號(hào)的天線所需的靈敏度，提出了采用SQUID磁強(qiáng)計(jì)作為水下超低頻遙控信號(hào)的接收天線，設(shè)計(jì)了一種水下超低頻遙控接收機(jī)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)水下超低頻遙控系統(tǒng)研究提供了實(shí)際可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)
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