感應(yīng)式磁性天線設(shè)計及干擾抑制算法研究*

李春騰，蔣宇中，劉芳君，趙 鵬，李松林

(1. 海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033； 2. 云南民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500； 3. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

超低頻頻段的電磁波憑借在海水中衰減較小和具有較強抗干擾能力等優(yōu)點[1]被視作一種可靠的通信方式。然而，超低頻天線屬于電小天線，其輻射效率極低，即當(dāng)發(fā)射機的輸出功率為千瓦級時，接收機獲得的輻射功率不足1 W，加之接收頻段內(nèi)面臨著較強的背景噪聲干擾，因此超低頻通信的信干噪比很低。目前，有兩種技術(shù)手段用于解決上述問題，即增加發(fā)射功率和在接收機后端采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)。考慮到前者不僅成本高，而且效果也并不明顯。因此，本文采用后者實現(xiàn)上述目的。

對于干擾抑制算法而言[2-3]，傳統(tǒng)的算法主要包括線性濾波[4]、信號子空間[5]以及廣義旁瓣抵消[6]等，它們主要應(yīng)用于語音信號增強，在超低頻干擾抑制領(lǐng)域應(yīng)用較少。此外，當(dāng)期望信號與干擾同方向時，上述傳統(tǒng)算法由于參考通道中含有較多的期望信號，在進行干擾抑制時會將主通道中的期望信號部分抵消，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)干擾抑制算法失效。

鑒于超低頻通信的信干噪比很低，故本文采用間接估計方式來抑制干擾，即首先估計出干擾，而后將干擾從接收信號中移除。鑒于廣義旁瓣抵消算法在語音增強領(lǐng)域展現(xiàn)出了可觀的應(yīng)用前景，為了在期望信號與干擾同方向時實現(xiàn)超低頻干擾抑制，本文在該算法的基礎(chǔ)上做了以下改進：首先，采用線性濾波代替原來的延時求和波束形成，避免了算法性能受限于天線數(shù)量，并將增強后的主信號送至阻塞矩陣[7]中進行阻塞，進一步提升了算法對非相干噪聲的抑制能力；其次，將盲源分離算法[8]引入廣義旁瓣抵消算法中，可以在上述情況下，為主通道提供較多的純凈干擾參考信息；再次，考慮到每根天線接收到的信號能量存在一定的差異，如果僅通過原來算法中的簡單相減阻塞方式，勢必會造成阻塞后輸出中殘留部分期望信號，進而導(dǎo)致算法性能的惡化，為此，本文通過合理設(shè)計磁性天線陣列結(jié)構(gòu)和阻塞矩陣，較大程度地減少了參考通道中期望信號的殘留。本文通過上述改進方案，有效地解決了傳統(tǒng)算法失效的問題，實現(xiàn)了信號帶寬內(nèi)信干噪比增益的提升。此外，本文從感應(yīng)式磁性天線的測磁原理出發(fā)，分析了影響磁性天線靈敏度性能的因素，研制了具有較高靈敏度的感應(yīng)式磁性天線。為了避免量化噪聲以及大氣噪聲中的工頻及諧波干擾影響接收機的性能，設(shè)計并制作了低功耗、低噪聲的模擬濾波電路。

1 整體模型

基于改進的廣義旁瓣抵消算法的超低頻干擾抑制流程圖如圖1所示?？紤]到通信信號十分微弱，為了提高磁性天線對微弱信號的檢測能力，本文對磁性天線的部分參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；之后，考慮到接收機收到的信號中混有較強的工頻干擾及其諧波分量，在接收機前端設(shè)計了各類濾波模塊進行處理；在模擬域?qū)邮招盘柼幚硗瓿珊?，通過以太網(wǎng)機箱NI 9184和數(shù)據(jù)采集卡NI 9239組成的數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過NI 9184 上的以太網(wǎng)端口實現(xiàn)采集單元與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，并在上位機中實現(xiàn)干擾數(shù)據(jù)的實時處理。

1.1 磁性天線

為了實現(xiàn)較高的靈敏度，磁性天線一般由感應(yīng)線圈和具有高磁導(dǎo)率的磁芯組成。在選擇磁芯時，要特別注意磁芯的有效磁導(dǎo)率和磁芯的長度與直徑之比。通過對比幾種常用軟磁材料的性能，本文采用超微晶合金材料作為磁芯，與其他軟磁材料相比，其具有較高的磁導(dǎo)率和很好的性價比。

在實際制作磁性天線時，采用以Z型繞線方式為主的分段繞線方式，有效地降低了磁性天線的分布電容，并通過電動機自動繞線代替原來的人工手動繞線，有效地提高了繞線效率。為了使繞制的線圈能夠固定在磁芯上，將天線放在清漆中浸泡約24 h，并通過玻璃膠固定亞克力隔板的連接處，待玻璃膠晾干后，便完成了磁性天線的制作。

1.2 模擬濾波電路

模擬濾波電路主要由前置放大電路和各類濾波模塊組成，前者的作用是放大前端微弱信號，以便于后續(xù)算法處理。通過查閱幾種常用運算放大器的使用手冊，最終確定本文采用的放大模塊為AD797運算放大器，在頻率低于1 kHz時，其具有很低的輸入和輸出噪聲。濾波模塊主要用于濾除工頻及帶寬外的強干擾，雖然開關(guān)電容濾波器對上述干擾的濾波效果很好，但其會抬升本底噪聲?；诖?，本文采用的濾波模塊均為有源模塊，其通過多個模塊級聯(lián)可以實現(xiàn)高階模塊。最終設(shè)計的模擬電路原理圖如圖2所示。

圖1 基于模擬域和數(shù)字域結(jié)合的整體模型圖Fig.1 The whole model of interference suppression combining analog domain with digital domain

圖2 模擬電路原理圖Fig.2 Schematic structure of designed analog circuits

由于實驗室中缺乏測量磁性天線本底噪聲的儀器及其缺少有效的屏蔽設(shè)施，故只能對制作的磁性天線[9]進行定性分析，即在距離磁性天線1 m處，利用兩把螺絲刀相互敲打，通過采集到的信號發(fā)現(xiàn)，制作的磁性天線能夠迅速檢測出其產(chǎn)生的磁場。

2 改進的廣義旁瓣抵消算法

圖3 改進的廣義旁瓣抵消算法原理框圖Fig.3 Schematic diagram of improved GSC

廣義旁瓣抵消器(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)是Griffith和Jim在1982年提出的一種無約束時域自適應(yīng)波束形成方法[10]。從原理上說，它是一個由主通道和輔助通道兩部分構(gòu)成的自適應(yīng)波束形成器。其中，上方通路是系統(tǒng)的主通道，它主要由一個傳統(tǒng)的固定波束形成器構(gòu)成，原始信號經(jīng)過該部分處理后可以得到一定的信噪比提升，可以用于消除非相干噪聲和散射噪聲；下方通路是系統(tǒng)的參考通道，即旁瓣抵消通路，它由阻塞矩陣和自適應(yīng)濾波器組成。阻塞矩陣被用來抵消輸入信號中包含的期望信號成分，使參考通道盡可能不包含期望信號，以便后續(xù)的自適應(yīng)抵消算法可以在抑制干擾的同時不削弱期望信號，從而改善信噪比和噪聲底限。但當(dāng)期望信號和干擾同方向時，傳統(tǒng)的GSC算法由于參考通道中含有較多的期望信號而無法實現(xiàn)干擾抑制。因此，本文提出了改進的廣義旁瓣抵消算法，其原理框圖如圖3所示。該算法主要通過主信號的預(yù)增強以及減少阻塞后的輸出中期望信號的殘留來實現(xiàn)算法性能的改善。改進的GSC算法和原始的GSC算法結(jié)構(gòu)相同，也是由上下兩個支路組成，上支路主要實現(xiàn)主天線接收信號的預(yù)增強，下支路主要獲取不含期望信號的參考干擾信息，從而實現(xiàn)干擾的有效抑制。

假設(shè)存在M個主通道和M個參考通道，利用FastICA算法[11]對接收的主通道序列yx1,yx2,…,yxM和參考通道序列yr1,yr2,…,yrM進行盲源分離，挑選出分離后不含期望信號的序列sn1,sn2,…,snM，將其與主通道和參考通道序列送至模塊F中進行分組，使得分組后的序列僅含1路主天線接收到的信號，其余全部為參考信號(該參考信號由參考序列和分離后的序列組成)，即Ri=[yi,yrj,…,yrj+p,snl,…,snl+m]，1≤i,j,l≤M，p+m=M-3。將分組后的序列通過基于最小均方誤差準(zhǔn)則設(shè)計的最優(yōu)濾波器，求解得到濾波系數(shù)的近似解，任意一路最優(yōu)濾波器的權(quán)值系數(shù)可表示為：

(1)

(2)

考慮到超低頻頻段的電磁波在自由空間中的衰減較小，因此，由擺放間距造成的接收信號差異基本可以忽略不計。但通過分析采集到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各路天線接收到的信號能量存在些許差異，其原因主要有以下兩個方面：一方面，發(fā)射期望信號的線圈難以與兩根主天線完全垂直，導(dǎo)致期望信號在2根主天線上的投影不同；另一方面，磁性天線和模擬濾波電路的制作工藝有限，難以保證每根天線的參數(shù)和每片電路板的增益完全相同。因此，采用原來的阻塞矩陣勢必會造成參考通道中殘留期望信號，從而降低算法的性能。為有效解決上述問題，本文設(shè)計的阻塞矩陣形式為：

(3)

其中，β為待解的阻塞系數(shù)，代價函數(shù)采用基于分析頻帶內(nèi)的信噪比最小的準(zhǔn)則，即

(4)

其中：bi為阻塞矩陣B的第i行；Yopt=[yopt,1,yopt,2,…,yopt,M]T，上標(biāo)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置運算;Tl為設(shè)定的控制參數(shù)，用于控制β的調(diào)整范圍。SNR(y,f)表示接收序列y在頻率f處的信噪比(單位為dB)，其可表示為：

(5)

其中，Ps表示期望信號功率，Pn表示噪聲功率。式(5)也是本文采用的算法性能評價指標(biāo)。

3 實驗與結(jié)果分析

為了測試模擬濾波電路對工頻干擾及其諧波分量的抑制效果，利用示波器TDS 3012B獲取處理前后的信號波形圖，其結(jié)果如圖4所示。實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的模擬濾波電路有效地抑制了工頻干擾及其諧波分量。

(a) 模放電路處理前的信號頻譜圖(a) Signal spectrum before analog circuits

(b) 模擬電路處理后的信號頻譜圖(b) Signal spectrum after analog circuits圖4 工頻及諧波干擾抑制效果圖Fig.4 Effect of analog circuits on suppressing the 50 Hz and its harmonic components

圖5 磁性天線接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Illustration of receive equipments composed by magnetic antennas

為了測試所提算法在實際大氣環(huán)境中的應(yīng)用效果，在實驗室中搭建實驗平臺，磁性天線接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中①和③的天線為主天線，②和④的天線為參考天線。

利用設(shè)計的磁性天線和模擬濾波電路接收環(huán)境中的電磁信號，從結(jié)構(gòu)上來看，接收陣列中采用的磁性天線和模擬濾波電路板基本一致，為盡量減小主天線接收到的信號幅度差異，設(shè)置2根主天線的距離相對較近。期望信號和強干擾的具體采集方案為：信號發(fā)生器AFG3021產(chǎn)生頻率為130 Hz、幅度為30 mV的信號作為期望信號，并通過連接線將其送至發(fā)射線圈1，該線圈距離接收裝置約5 m；函數(shù)發(fā)生器DG1022U產(chǎn)生幅度為5 V的寬帶高斯白噪聲，并將其送至信號發(fā)生器GFG-8016G中進行相位調(diào)制，通過連接線將調(diào)制后的信號送至發(fā)射線圈2，以此作為強干擾，線圈2與接收陣列的中心成45°水平角，距離該中心約1.5 m。設(shè)置數(shù)據(jù)采集單元的采樣頻率為5 kHz，采集時間為每組數(shù)據(jù)30 s。為了避免接收信號中引入額外的工頻干擾，數(shù)據(jù)采集單元和模擬濾波電路板均采用蓄電池供電。下面分別進行3組實驗來驗證所提算法的有效性。

實驗1：以通道1作為參考，線圈1位于通道1指向的前方，線圈2位于接收陣列的45°方向，干擾抑制效果如圖6所示。

實驗2：線圈1的位置和線圈2的位置相同，即處于接收陣列的45°方向，干擾抑制結(jié)果如圖7所示。

(a) 主信號頻譜圖(a) Spectrum of the main signal

(b) GSC處理后信號頻譜圖(b) Signal spectrum after GSC

(c) 改進GSC處理后信號頻譜圖(c) Signal spectrum after improved GSC圖6 信號與干擾處于不同來向時的干擾抑制結(jié)果圖Fig.6 Results of interference suppression with the different direction between signal and interference

(a) 主信號頻譜圖(a) Spectrum of the main signal

(b) GSC處理后信號頻譜圖(b) Signal spectrum after GSC

(c) 改進GSC處理后信號頻譜圖(c) Signal spectrum after improved GSC圖7 信號與干擾處于同一來向時的干擾抑制結(jié)果圖Fig.7 Results of interference suppression with the same direction between signal and interference

從圖6和圖7實驗結(jié)果來看，GSC算法在期望信號和干擾不同方向時具有一定的干擾抑制效果，信噪比和噪聲底限分別改善13.94 dB和16.57 dB，而在兩者方向相同時算法性能明顯下降，信噪比和噪聲底限分別改善1.60 dB和15.31 dB；而改進的GSC算法在上述兩種情況下均取得較好的干擾抑制效果，在期望信號和干擾不同方向時，信噪比和噪聲底限分別改善22.21 dB和26.31 dB；而在同方向時，信噪比和噪聲底限分別改善16.03 dB和10.90 dB。該實驗結(jié)果與第2節(jié)的理論推導(dǎo)相吻合，即一方面，盲源分離算法為主通道提供較多的參考信息；另一方面，通過調(diào)整主通道接收天線之間的距離以及優(yōu)化阻塞矩陣，使得主通道上接收到的信號能量差異較小，這在很大程度上減少了參考通道中殘留的期望信號，從而使算法在期望信號與干擾同方向時依然有效。這也證實了本文所提的改進算法的有效性。

實驗3：關(guān)閉45°方向的隨機調(diào)相干擾，啟動繞線時采用的電動機，將其放置在接收序列的45°方向，距離接收裝置1 m，通過電動機模擬超低頻接收機中的任意干擾源來進一步驗證所提改進算法的有效性，通過示波器TDS 3012B觀測電動機開啟前后接收信號的變化，轉(zhuǎn)動開關(guān)控制器調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，使干擾源處于頻帶范圍內(nèi)，干擾抑制結(jié)果如圖8所示。

(a) 主信號頻譜圖(a) Spectrum of the main signal

(b) GSC處理后信號頻譜圖(b) Signal spectrum after GSC

(c) 改進GSC處理后信號頻譜圖(c) Signal spectrum after improved GSC圖8 電機干擾抑制結(jié)果圖Fig.8 Results of interference suppression caused by motor

由圖8可知，GSC算法對電機干擾抑制效果很差，幾乎完全失效，而改進的GSC算法對電機干擾的抑制效果較好，信噪比和噪聲底限分別改善6.86 dB和3.22 dB，但比人工隨機調(diào)相干擾的抑制效果差，原因主要是電機干擾的頻譜在頻帶范圍內(nèi)不斷波動，使頻帶內(nèi)的噪聲底限明顯抬高，且沒有明顯的干擾峰值，這使得改進算法對非相干噪聲的抑制能力有所減弱。因此，算法對其的抑制效果要差于人工隨機調(diào)相干擾。通過電機干擾實驗進一步證實了改進算法的有效性。

4 結(jié)論

本文從提高超低頻微弱信號的檢測能力和改善干擾抑制效果兩方面著手，設(shè)計了靈敏度較高的磁傳感器，給出了磁性天線及模擬電路的設(shè)計制作流程；在廣義旁瓣抵消算法的基礎(chǔ)上，將盲源分離算法引入至改進的廣義旁瓣抵消算法中，為主通道提供了較多的參考信息，有效地改善了算法在期望信號和干擾同方向時的性能，并在實驗室環(huán)境下設(shè)置多組算法性能測試實驗，結(jié)果表明：模擬濾波電路能夠有效地抑制工頻干擾及其諧波分量，相比于原始的GSC算法，無論期望信號與干擾源是否處于同一方向，改進后的GSC算法均在較大程度上提升了信號帶寬內(nèi)的SINR增益，有效地改善了超低頻通信的通信質(zhì)量。