水下設(shè)備可在無人職守的情況下完成對水下目標(biāo)的探測、監(jiān)視等任務(wù)，在國防軍事、海洋環(huán)境監(jiān)控、水下目標(biāo)識別等領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。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)備的超遠距離遙控問題，即實現(xiàn)預(yù)先布放，在內(nèi)陸對水下設(shè)備進行無線遙控，使它在平時處于休眠狀態(tài)，工作時喚醒，任務(wù)完成后自毀或自動上浮，則使水下設(shè)備的使用變得更加靈活，而且會給水下設(shè)備帶來前所未有的實用價值。
1 超低頻遙控的可行性分析
    為實現(xiàn)對水下設(shè)備的無線遙控可以在沿海岸邊布放大功率的聲波發(fā)射器，通過水聲信號實現(xiàn)對水下設(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，信號到達設(shè)備后失真嚴重，因此難以保證對設(shè)備控制的可靠性。如果要實現(xiàn)對遠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。將發(fā)射電磁波的控制臺建在內(nèi)陸，控制臺發(fā)出的電磁波信號穿透海水，從而實現(xiàn)對水下設(shè)備的有效控制。在利用電磁波對水下設(shè)備進行超遠程遙控時，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海水有較大的透射深度。海水對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，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。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，同時超低頻波在大氣中傳播時衰減極小，傳播穩(wěn)定，可靠性強，可實現(xiàn)對幾千公里之外設(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，電離層對超低頻波的有效反射高度約為70 km～90 km之間，遠遠小于超低頻波在自由空間中的波長，波導(dǎo)相對較小，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)中輻射的電場垂直分量可用下式計算：

    圖1為垂直電流源產(chǎn)生的電場|Er|與接收點距源點距離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。圖中遠離源點后曲線出現(xiàn)起伏，是由于超低頻波長較長，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電場的垂直分量Er，但它并不是進入海水的主要電場。電磁波在海平面上傳播的過程中，其水平磁場在海平面上感應(yīng)產(chǎn)生一個徑向水平電場，此水平電場強度為：

    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處的磁場，再將(3)式中的電場換成磁場便可求出深度等于z處的水平磁場。
    海水中的超低頻信號強度極小，用普通天線顯然無法完成對超低頻信號的接收。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，從而實現(xiàn)水下設(shè)備對超低頻信號的接收。
3 超低頻遙控接收系統(tǒng)設(shè)計
3.1 超低頻接收裝置設(shè)計
    由對超低頻電磁波在水中信號強度的估計可知，超低頻信號在100 m深海水中的電場強度大約為10^-11 V/m。為有效接收到超低頻信號，實際進入超低頻接收機的信號幅度應(yīng)不低于10^-9 V。所以如果采用電偶極子作為水下設(shè)備天線來接收電場信號，則電偶極子天線的有效長度應(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的磁場分量。假設(shè)超低頻信號的中心頻率為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信號是十分困難的，通常采用中間帶磁芯的螺線管做成的磁性天線，但實驗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，體積上也無法滿足水下接收天線的安裝要求。
    針對水下設(shè)備接收超低頻信號時遇到的困難，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，具有極高的磁場靈敏度，目前較為先進的超導(dǎo)量子干涉產(chǎn)品的靈敏度大于10^-16  T/[1]，完全能夠滿足對超低頻信號的水下接收要求。
    SQUID就其功能來講是一種磁通量傳感器[2]，并且可以把測得的磁通量轉(zhuǎn)化為電壓、電流等信號。從溫度角度來區(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。

    無論是DC-SQUID還是RF-SQUID，在作為接收超低頻信號的磁場傳感器時都存在兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。
    (1)如何消除運動感應(yīng)噪聲[4]。由于地磁場的強度為0.5×10^-4  T，遠高于信號強度，當(dāng)水下設(shè)備在海水中產(chǎn)生晃動時，就必然會產(chǎn)生運動感應(yīng)噪聲，這對水下設(shè)備的影響十分嚴重。為消除這一影響可以采用三個相互正交的SQUID構(gòu)成一個標(biāo)量磁強計，這種三軸磁強計由三個小環(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矢量在三個坐標(biāo)軸上投影的矢量和就是地磁場本身。只要軸線嚴格正交，三個SQUID感應(yīng)到的電動勢的平方和就是一個與地磁矢量轉(zhuǎn)動無關(guān)的常量，從而消除了運動感應(yīng)噪聲的影響。

    (2)如何長期保持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的有效工作時間也隨之增加。在水下設(shè)備接收超低頻信號的應(yīng)用中，只要設(shè)計出可以裝在水下設(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)備超低頻接收機設(shè)計
    設(shè)計超低頻遙控信號接收機要時刻圍繞“低功耗”這一主題，無論是的前級低噪聲放大器，還是后續(xù)的數(shù)字信號處理電路，在設(shè)計時都要盡量將功耗降到最低。為此選擇器件時要在滿足性能要求的基礎(chǔ)上盡量選擇低功耗器件。
    圖4為超低頻遙控信號接收機的硬件設(shè)計平臺框圖。SQUID磁強計輸出的信號進入到接收機前端的低噪聲放大電路，在該部分電路的設(shè)計過程中應(yīng)將放大器設(shè)計成多級結(jié)構(gòu)，并盡量降低第一級的等效輸入噪聲，以提高放大器整體的抗噪聲性能。放大器輸出的信號經(jīng)選頻濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換芯片，將得到的數(shù)字信號傳送給DSP模塊。信號處理部分選擇TI公司的16 bit定點信號處理器TMS320VC5502，主頻為300 MHz，每個MIPS功耗只有0.05 mW[5]，該芯片強大的電源管理能力進一步增強了節(jié)電功能。DSP處理得到的控制信號將通過CAN總線收發(fā)器傳給引信主機控制模塊，實現(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)。

    在信號傳輸方案上，由于信號的工作帶寬較窄，所以選擇功率譜密度較為集中的最小移頻鍵控(MSK)作為信號的調(diào)制方式，并且采用卷積碼作為信道糾錯碼[6]。實驗證明，這種信號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，對這部分噪聲應(yīng)采用削波處理。對從海面向下傳播的電磁波而言，海洋是一個低通濾波器，使尖峰脈沖發(fā)生了形變，不利于削波。可以采用與海洋的低通特性相反的海洋補償濾波器對這部分噪聲補償，然后再進行削波處理。使用時應(yīng)先用深度傳感器測定水下設(shè)備的深度，以此來控制海洋補償濾波器的特性。軟件實現(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的天線所需的靈敏度，提出了采用SQUID磁強計作為水下超低頻遙控信號的接收天線，設(shè)計了一種水下超低頻遙控接收機的軟、硬件實現(xiàn)方案。對水下超低頻遙控系統(tǒng)研究提供了實際可行的解決方案。
參考文獻
[1] WOLF S A,DAVIS J R,NISENOFF M.Superconducting Extremely Low Frequency(ELF) magnetic field sensors for submarine communications.IEEE Transactions on Communications，1974，Com-22(4)：549-554.
[2] BERNSTEIN S L，MCNEILL D A，RICHER I.A signaling  extremely scheme and experimental receiver for low frequency (ELF) communication.IEEE Transactions on Communications，1974，Com-22(4)：508-528.
[3] REAGOR D，F(xiàn)AN Y，MOMBOURQUETTE C，et al.A high-temperature superconducting receiver for low-frequency radio  waves.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(4)：3845-3849.
[4] HIROTA M，NANAURA K，TERANISHI Y，et al.SQUID  gradiometers for a fundamental study of underwater magnetic  detection.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1997，7(2)：2327-2330.
[5] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5502 fixed point digital signal processor data manual[Z].USA：Texas Instruments Incorporate，2004.
[6] 儲鐘圻，梁高權(quán).遠程通信.北京：中國電力出版社，2008.