CN114460361A - 一种极低频透地电磁信号的实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种极低频电磁信号的实时监测方法，能够实时接收极低频透地电磁信号，通过对该电磁信号进行放大、采集、处理，实现对极低频透地电磁信号的监测，包括以下步骤：部署探测阵、放大电场信号、采集电场信号、处理电场信号，它可以利用探测阵对信号源如极低频透地电磁通信发射设备、水下航行目标等发射的极低频透地电磁信号进行实时监测，具有实时性强、作用距离远的优点。

Description

一种极低频透地电磁信号的实时监测方法

技术领域

本发明适合用于在大范围区域内对信号源(如极低频透地电磁通信发射设备、水下航行目标等)发射的极低频透地电磁信号的实时监测，具体涉及一种极低频透地电磁信号的实时监测方法。

技术背景

极低频透地电磁波是利用大地作为通信媒介的一种通信方式，该电磁波的波长长，传播损耗低，传播距离远，因此特别适用于低速率低带宽信号的远距离传输。目前，已有部分国家利用利用极低频透地电磁信号特性进行远距离通信，实现对预置的水下装备或目标的远距离唤醒和控制；此外，船只和水下航行目标在航行时产生的轴频电场，其部分能量渗透至水底，以极低频透地电磁波的形式向远处传播。因此，对于极低频透地电磁信号进行实时监测具有重要的军事意义，然而目前尚无精确实时检测极低频透地电磁信号的方法。

发明内容

本发明设计了一种极低频透地电磁信号实时监测方法，利用探测阵实时接收信号源如极低频透地电磁通信发射设备、水下航行目标等发射的极低频透地电磁信号，通过对该电磁信号进行放大、采集、处理，实现对极低频透地电磁信号的实时监测。

本发明的实现方式如下：

一种极低频透地电磁信号的实时监测方法，能够实时接收极低频透地电磁信号，通过对该电磁信号进行放大、采集、处理，实现对极低频透地电磁信号的监测，包括以下步骤：

步骤一，部署探测阵：利用多个电场传感器部署成n个独立的探测通道，对信号源发射的频率为f电磁信号进行探测；

步骤二，放大电场信号：利用全差分超低噪声电压放大器对纳伏级别的极微弱电场信号进行前置放大；

步骤三，采集电场信号：信号采集模块对各个通道的电场传感器之间的电压差进行采集，并通过数字输出通信接口与DSP相连，传输原始数据至DSP模块进行处理；

步骤四，处理电场信号：对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析。

进一步的，每两个电场传感器组成一个探测通道，采用4个电场传感器组成2个独立的探测通道。

进一步的，放大电场信号中采用的为全差分超低噪声电压放大器，所述放大器的放大电路通道数与探测阵探测通道数相同。

进一步的，所述放大器采用新型电路拓扑结构与精密电子元器件组成，

进一步的，采用新型带宽补偿电路对放大器进行带宽补偿，所述放大器电路内部包括有保护电路及第二级增益可变电路。

进一步的，信号采集模块由24bit高精度AD芯片和FPGA芯片组成。

进一步的，所述信号采集模块的模拟输入端采用差分形式，输入通道之间互相隔离。

进一步的，在电路布局上将数字元器件与模拟元器件分开，AD芯片与FPGA之间通过隔离电路连接，电源部分内置隔离电源。

进一步的，采用DSP模块对采集信号进行处理，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析，FFT时间窗口长度为T，一般可取为10至50秒，在已知信号源发射的信号频率为F_t，检测分辨率设置为Δf的条件下，若SNR满足：

则判断可能存在频率为F_t的极低频透地电磁信号，其中，|f_i|表示频率f_i的幅值，[]表示取整，max{}表示取括号内最大值。threshod为阈值，取值范围为(5，20)。

进一步的，从第一次检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号开始，之后连续监测m秒，检测时间间隔设置为Δt。检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号的次数为n，如果满足：

(Δt×m)/n＞percent

则判断确定存在频率为F_t的极低频透地电磁信号，其中，percent为判定的阈值，取值范围为(0.6，1)。

有益效果

(1)实时性强。本发明可实时接收和处理极低频透地电磁信号，实现了对极低频透地电磁信号的实时监测。

(2)作用距离远。本发明可对极微弱的电磁信号进行处理，因此可远距离对极低频透地电磁信号进行监测。

附图说明

图1是极低频透地电磁信号监测示意图；

图2是极低频透地电磁信号的信号采集模块示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。

本发明的极低频透地电磁信号实时监测方法主要包括以下步骤：

(1)部署探测阵：利用多个电场传感器部署成n个独立的探测通道，对信号源发射的频率为f电磁信号进行探测；

(2)放大电场信号：利用全差分超低噪声电压放大器对纳伏级别的极微弱电场信号进行前置放大；

(3)采集电场信号：信号采集模块通过数字输出通信接口与DSP相连，传输原始数据至DSP模块进行处理；

(4)处理电场信号：对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析。

具体的至本实施例，首先利用图1所示的极低频透地电磁信号探测阵对信号源发射的频率为f电磁信号进行探测，其中，每两个电场传感器组成一个探测通道，每个探测阵包含n个探测通道，图1所示为4个传感器组成2个独立的探测通道。

透地电磁信号强度会随着传播距离的增大迅速衰减，本发明采用全差分超低自噪声电压信号放大器对所探测的电磁信号进行放大，放大器的放大电路通道数与探测阵探测通道数一致；该放大器采用新型电路拓扑结构与精密电子元器件组成，

同时采用新型带宽补偿电路进行带宽补偿后，放大器带宽达到5mHz～1MHz(Gain＝100)、放大倍数G达到+100V/V。

另外，考虑到实际使用环境的复杂性，各种不可控干扰可能会叠加到信号，使得输入信号饱和甚至会损坏放大电路，放大器电路内部还设计有专门的保护电路；同时为适应水下电场信号幅值变化较大的情况，还设计了第二级增益可变电路。

在本实施例中，放大器的放大电路通道数与探测阵探测通道数一致，为2个，极低频透地电磁信号经过放大器后电压幅值放大了500倍。

本发明中的信号采集模块利用24bit高精度AD芯片和FPGA芯片组成的信号采集模块对各个通道的电场传感器之间的电压差进行采集，采样频率为F_s，获得n个通道的极低频透地电场信号(s₁，s₂...s_n)；如图2所示：信号采集模块的模拟输入端采用差分形式，输入通道之间互相隔离，防止信号之间串扰；为减少数字信号对模拟信号的干扰，从电路布局上将数字元器件与模拟元器件分开，AD芯片与FPGA之间通过隔离电路连接，减少数字串扰，同时电源部分也内置了隔离电源，实现模拟输入、AD采样、信号传输之间的电源隔离，最大限度地减少了数字串扰。

信号采集模块通过数字输出通信接口与DSP相连，用于传输原始数据至DSP模块进行处理。本实施例中，采用频率F_s设为1024，获得两个通道的极低频透地电场信号(s₁，s₂)。

对上步骤所采集的每个通道的极低频透地电场信号s₁至s_n，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析，FFT时间窗口长度为T，一般可取为10至50秒。

在已知信号源发射的信号频率为F_t，检测分辨率设置为Δf的条件下，若SNR满足：

则判断可能存在频率为F_t的极低频透地电磁信号，其中，|f_i|表示频率f_i的幅值，[]表示取整，max{}表示取括号内最大值。threshod为阈值，取值范围为(5，20)。

从第一次检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号开始，之后连续监测m秒，检测时间间隔设置为Δt。检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号的次数为n，如果满足：

(Δt×m)/n＞percent

则判断确定存在频率为F_t的极低频透地电磁信号。其中，percent为判定的阈值，取值范围为(0.6，1)。

具体至本发明中：对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析。本实施例中FFT时间窗口长度为T，取为16秒。可得下表：

序号i	0	1	...	15	16	17	18	19	20	...
											频率f<sub>i</sub>	0	0.0625	...	0.9375	1	1.0625	1.125	1.1875	1.25	...
幅值|f<sub>i</sub>|	0.003654	0.006856	...	0.028563	0.092356	0.165632	0.625627	0.099356	0.063589	...

本实施例中(已知信号源发射的信号频率为1.1Hz，检测分辨率设置为0.1Hz)，threshod取5，SNR满足：

此时，判断可能存在频率为F_t＝1.1Hz的极低频透地电磁信号。

本实施例中，从第一次检测到频率为F_t＝1.1Hz极低频透地电磁信号之后，连续检测60秒，检测时间间隔设置为1秒。情况如下：

在本实施例中，SNR＞5的次数的是56次，percem取0.8，满足：

(1×56)/60＝0.93＞0.8

此时，判断确定存在F_t＝1.1Hz的极低频透地电磁信号。

由上述检测过程可知：本发明的检测方法可实时接收和处理极低频透地电磁信号，实现了对极低频透地电磁信号的实时监测；同时本发明能够对极微弱的电磁信号进行放大及相应信号处理，因此可远距离对极低频透地电磁信号进行监测。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种极低频透地电磁信号的实时监测方法，能够实时接收极低频透地电磁信号，通过对该电磁信号进行放大、采集、处理，实现对极低频透地电磁信号的监测，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一，部署探测阵：利用多个电场传感器部署成n个独立的探测通道，对信号源发射的频率为f电磁信号进行探测；

步骤二，放大电场信号：利用全差分超低噪声电压放大器对纳伏级别的极微弱电场信号进行前置放大；

步骤三，采集电场信号：信号采集模块对各个通道的电场传感器之间的电压差进行采集，并通过数字输出通信接口与DSP相连，传输原始数据至DSP模块进行处理；

步骤四，处理电场信号：对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析。

2.根据权利要求1所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：每两个电场传感器组成一个探测通道，采用4个电场传感器组成2个独立的探测通道。

3.根据权利要求1所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：放大电场信号中采用的为全差分超低噪声电压放大器，所述放大器的放大电路通道数与探测阵探测通道数相同。

4.根据权利要求3所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：所述放大器采用新型电路拓扑结构与精密电子元器件组成，

5.根据权利要求4所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：采用新型带宽补偿电路对放大器进行带宽补偿，所述放大器电路内部包括有保护电路及第二级增益可变电路。

6.根据权利要求1所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：信号采集模块由24bit高精度AD芯片和FPGA芯片组成。

7.根据权利要求6所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：所述信号采集模块的模拟输入端采用差分形式，输入通道之间互相隔离。

8.根据权利要求7所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：在电路布局上将数字元器件与模拟元器件分开，AD芯片与FPGA之间通过隔离电路连接，电源部分内置隔离电源。

9.根据权利要求1所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：采用DSP模块对采集信号进行处理，利用FFT进行时频域转换后进行频谱分析，FFT时间窗口长度为T，T取为10至50秒，在已知信号源发射的信号频率为F_t，检测分辨率设置为Δf的条件下，若SNR满足：

则判断可能存在频率为F_t的极低频透地电磁信号，其中，|f_i|表示频率f_i的幅值，[]表示取整，max{}表示取括号内最大值。threshod为阈值，取值范围为(5，20)。

10.根据权利要求9所述的一种极低频透地电磁波信号的实时监测方法，其特征在于：

从第一次检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号开始，之后连续监测m秒，检测时间间隔设置为Δt，检测到频率为F_t的极低频透地电磁信号的次数为n，如果满足：

(Δt×m)/n＞percent

则判断确定存在频率为F_t的极低频透地电磁信号，其中，percent为判定的阈值，取值范围为(0.6，1)。

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