一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线及工作方法技术

本发明专利技术一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线及其工作方法，包括绕制完成的磁芯线圈、三维姿态和三维磁场测量单元，以及信号处理单元；所述磁芯线圈由磁芯、骨架、接收线圈、补偿线圈组成；磁芯采用高磁导率材料，接收线圈为多匝线圈，缠绕在骨架上，骨架套在磁芯上；补偿线圈也绕在骨架上；补偿线圈中注入电流，使得磁芯处于零磁通状态；所述三维姿态与三维磁场测量用于测量当前磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小；所述信号处理单元，采集磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小以及接收线圈信号；计算补偿线圈电流，完成通信信号的解调。本发明专利技术消除平台运动对低频电磁通信时的影响，实现高速运动平台上的低频电磁通信。现高速运动平台上的低频电磁通信。现高速运动平台上的低频电磁通信。

【技术实现步骤摘要】
一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线及工作方法


[0001]本专利技术涉及通信领域，特别是用于运动平台上的低频电磁通信的磁场接收天线。

技术介绍

[0002]低频电磁场主要是指甚低频(VLF，3-30kHz)、超低频(ULF，300Hz-3kHz)、极低频(SLF，3Hz-300Hz)的电磁场，具有良好的穿透性能，能够实现跨介质传播，所以对潜通信、水下无人航行器通信与控制、以及煤矿应急透地通信中采用低频电磁场作为物理载体。
[0003]低频电磁通信中，接收端利用电场接收或者磁场接收，磁场接收应用带磁芯的线圈作为接收天线。磁芯线圈作为低频接收天线，具有体积小等优点，具有广泛应用。
[0004]以往的应用中，接收平台在接收时，处于静止或准静止状态，随着水下应用的增多，水下航行器处于高速运动状态时进行通信需求日益增多，当磁芯线圈随平台处于运动状态时，将会对通信带来不利影响。首先，磁芯为高磁导率的铁磁材料，磁芯处于地磁中，使得磁芯磁化，磁芯存在偏磁，偏磁的存在以及随着运动的变化，将产生磁致伸缩噪声和巴克豪森噪声，这将增大接收噪声，使得接收信号比下降；其次，磁芯线圈的运动将切割地磁，产生感应电动势，这将作为干扰叠加在接收信号上，由于通信接收信号非常微弱，这个切割地磁产生的干扰远大于接收信号，将影响前级放大和信号采集，减小了接收的动态范围；再次，磁芯线圈的运动，将对接收信号进行调制，改变了通信信号的时域波形和频谱特征，影响信号的接收解调，增大了误码率；最后，由于高磁导率的铁磁材料非线性特性，变化的偏磁改变了磁芯线圈的工作点，影响了接收灵敏度，而且这种非线性也会导致对接收信号调制，影响信号的接收和解调。

技术实现思路

[0005]为了克服上述不足，本专利技术提出一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线及工作方法，消除平台运动对低频电磁通信时的影响，实现高速运动平台上的低频电磁通信。
[0006]本专利技术一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线，包括绕制完成的磁芯线圈、三维姿态和三维磁场测量单元，以及信号处理单元；
[0007]所述磁芯线圈由磁芯、骨架、接收线圈、补偿线圈组成；磁芯采用高磁导率材料，接收线圈为多匝线圈，缠绕在骨架上，骨架套在磁芯上；补偿线圈也绕在骨架上；补偿线圈中注入电流，使得磁芯处于零磁通状态；
[0008]所述三维姿态与三维磁场测量用于测量当前磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小；
[0009]所述信号处理单元，采集磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小以及接收线圈信号；计算补偿线圈电流，完成通信信号的解调。
[0010]进一步，所述补偿线圈中注入电流为：求取地磁在磁场天线轴线上的投影值B0，选取补偿电流计算参数初始值k0，计算补偿线圈的注入补偿线圈电流大小i0＝k0·
B0；在补偿线圈中叠加正弦电流信号，接收接收线圈信号，测量磁芯中的剩余磁场大小ΔB；将ΔB作为
反馈信号给信号处理单元修正补偿电流计算参数k1＝k0+p
·
ΔB，并重新计算注入电流大小i1＝k1·
B0，更新补偿线圈注入电流大小，其中p为比例因子；直至磁芯处于零磁通状态。
[0011]本专利技术一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线的工作方法，包括并行两种工作状态，补偿校准状态和通信接收状态；
[0012]所述补偿校准状态包括以下步骤：
[0013]步骤一：根据磁场天线的三维姿态和三维磁场信息地磁大小，求取地磁在磁场天线轴线上的投影值B0，选取补偿电流计算参数初始值k0，计算补偿线圈的注入补偿线圈电流大小i0＝k0·
B0，并向补偿线圈注入电流i0对地磁进行补偿；
[0014]步骤二：在补偿线圈中叠加正弦电流信号，接收接收线圈信号，测量磁芯中的剩余磁场大小ΔB；
[0015]步骤三：将步骤二的磁芯中的剩余磁场大小ΔB作为反馈信号给信号处理单元修正补偿电流计算参数k1＝k0+p
·
ΔB，并重新计算注入电流大小i1＝k1·
B0，更新补偿线圈注入电流大小，其中p为比例因子；
[0016]步骤四：重复步骤二和步骤三，直至磁芯处于零磁通状态，补偿电流计算参数为k
n
，n为补偿参数修正次数；
[0017]步骤五：信号处理单元保存补偿电流的计算参数k
n
，并在通信状态时进行补偿；
[0018]所述通信状态包括以下步骤：
[0019]首先，采集三维姿态信号和接收线圈的信号，进行预处理，恢复通信信号，其次，对预处理输出的信号进行信号解调，输出通信数据。
[0020]有益效果：
[0021]本专利技术提出一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线，利用对运动平台的运动状态的测量，对地磁影响进行实时补偿，消除平台运动偏磁对低频电磁通信时的影响，实现高速运动平台上的低频电磁通信。
附图说明
[0022]图1：本专利技术中磁芯线圈的组成部件示意图；其中，1-磁芯，2-骨架，3-接收线圈，4-补偿线圈；
[0023]图2：本专利技术的磁性天线示意图；其中，5-绕制完成的磁芯线圈，6-三维姿态和三维磁场测量单元，7-信号处理单元；
[0024]图3：信号处理单元示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。
[0026]一、本专利技术的结构
[0027]本专利技术的磁性天线的示意图如图2所示，包括绕制完成的磁芯线圈5、三维姿态和三维磁场测量单元6，以及信号处理单元7。
[0028](一)磁芯线圈5
[0029]磁芯线圈5由磁芯1、骨架2、接收线圈3、补偿线圈4组成，如图1所示。磁芯1采用高磁导率材料，磁芯1的作用为提高磁场天线的接收灵敏度，接收线圈3为多匝线圈，缠绕在骨
架2上，骨架2套在磁芯1上，其匝数越多，灵敏度越高；补偿线圈4同样绕在骨架上2。
[0030]接收线圈3利用电磁感应原理测量磁芯中变化的磁场，补偿线圈4中注入电流，用于抵消地磁的影响，使得磁芯处于零磁通状态。
[0031]实施例：对于载频为1kHz的低频电磁通信，磁芯选用高磁导率的坡莫合金材料或非晶合金加工，以提高灵敏度，磁芯截面积为400平方毫米，磁芯长度为500毫米，接收线圈用直径0.2毫米的漆包线在骨架上分层分段绕2000匝，补偿线圈用直径0.4毫米的漆包线绕制100匝。
[0032](二)三维姿态测量与磁场测量单元6
[0033]三维姿态测量与磁场测量单元6安装位置与磁芯保持一定距离，避免磁芯对磁场测量的影响。测量单元可以采用现有的技术。
[0034]三维姿态与三维磁场测量用于测量当前磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小；姿态测量包括运动速度、加速度和角速度的测量；三维姿态和三维磁场测量值用于补偿线圈注入电流值的计算，也用于接收通信信号的解调。
[0035](三)信号处理单元7
[0036]信号处理单元示意图如图3所示，信号处理单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线，其特征在于，包括绕制完成的磁芯线圈(5)、三维姿态和三维磁场测量单元(6)，以及信号处理单元(7)；所述磁芯线圈(5)由磁芯(1)、骨架(2)、接收线圈(3)、补偿线圈(4)组成；磁芯(1)采用高磁导率材料，接收线圈(3)为多匝线圈，缠绕在骨架(2)上，骨架(2)套在磁芯(1)上；补偿线圈(4)也绕在骨架上(2)；补偿线圈(4)中注入电流，使得磁芯处于零磁通状态；所述三维姿态与三维磁场测量用于测量当前磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小；所述信号处理单元，采集磁场天线的姿态、所处环境的地磁大小以及接收线圈信号；计算补偿线圈(4)电流，完成通信信号的解调。2.如权利要求1所述的一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天线，其特征在于，所述补偿线圈(4)中注入电流为：求取地磁在磁场天线轴线上的投影值B0，选取补偿电流计算参数初始值k0，计算补偿线圈的注入补偿线圈电流大小i0＝k0·
B0；在补偿线圈中叠加正弦电流信号，接收接收线圈信号，测量磁芯中的剩余磁场大小ΔB；将ΔB作为反馈信号给信号处理单元修正补偿电流计算参数k1＝k0+p
·
ΔB，并重新计算注入电流大小i1＝k1·
B0，更新补偿线圈注入电流大小，其中p为比例因子；直至磁芯处于零磁通状态。3.如权利要求2所述的一种用于运动平台低频电磁通信的磁场天...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯飞，曹露青，唐倩，
申请(专利权)人：北京华航无线电测量研究所，
类型：发明
国别省市：