[发明专利]基于SQUID阵列的低频透地通信系统及方法

说明书

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，（1）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γ的表达式分别是β=(πfμσ)^1/2和γ=1/(πfμσ)^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100fT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比，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。