专利名称：极低频发射与接收系统及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种极低频发射与接收系统及装置，更 具体地，涉及一种用于管道移动机器人示踪定位的系统及装置。
背景技术：
极低频信号是指频率在3Hz 30Hz范围内的信号，由于其对金属、海水、土层等介 质具有良好的穿透性而得到了广泛的应用。例如，近几年来，基于极低频磁场信号的管道移 动机器人示踪定位方法就在管道缺陷无损检测等领域得到了广泛的应用。目前，基于极低 频磁场信号的管道移动机器人示踪定位系统包括信号发射机与信号接收机两部分。管道内 的机器人不断地以2米/秒 8米/秒的速度移动，装在机器人上的信号发射机不断地发 射23Hz的极低频单频磁场信号。该信号可穿透金属管道和土壤层到达地面的接收机。接收 机先对接收到的微弱信号进行选频放大并滤除带外噪声，然后根据放大滤波之后的信号进 行检测判决，给出判决结果。如果接收机检测到发射机发出的23Hz极低频单频磁场信号， 则记录当前时间为管道机器人通过其下方的时间，从而实现管道移动机器人的示踪定位。目前现有技术的缺点是现有的极低频示踪定位系统的发射机主要为正弦波振荡 器，其频率稳定性差、波形幅度渐入恒幅。并且，目前系统的接收机主要基于接收信号的包 络进行检测，其在实际应用中，经常会出现误报与漏报，因此可靠性差且无法满足实时性要 求。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，并且能够实现极低频微弱信号的 实时准确检测。为达到上述目的，本发明一方面提出一种极低频发射机，包括电池组；与所述电 池组相连的发射线圈；分别与所述发射线圈和所述电池组相连的控制开关；和与所述控制 开关相连接的控制器，所述控制器按照固定频率控制所述控制开关的开启，以产生主频为 所述固定频率的极低频三角波磁场信号。本发明另一方面还提出了一种极低频接收机，包括用于供电的电池组；用于接 收空间磁场信号的第一接收线圈；与所述第一接收线圈相连接的第一放大滤波电路，用于 对所述接收线圈接收的信号进行滤波和放大，得到想要的极低频信号；AD转换器，用于将 所述第一放大滤波电路得到的极低频信号转换为数字信号；和与所述AD转换器相连的检 测�？椋糜谝栽ど瓒ǖ闹芷诩扑闼鍪中藕诺募煅橥臣屏浚⒏菟黾煅橥臣屏亢� 持续点数判断是否检测到发射机的信号。本发明再一方面还提出了一种极低频信号发射接收系统，包括上述的极低频发射 机和上述的极低频接收机。其中，该系统可用于管道移动机器人的示踪定位。通过本发明实施例对发射机和接收机的改进，使得发射机能够输出主频为23Hz 的极低频三角波信号，并且由于发射机的主电路为数字电路，因此波形的频率稳定性高、幅值恒定，另外由于接收机采用基于估计信号功率和观测信号功率比的新型检验统计量和配 套的检测判决方法，因此本发明提出的接收机可对动态范围大、持续时间短、几乎被窄带噪 声淹没的极低频微弱磁场信号进行实时可靠的检测。本发明实施例的极低频发射与接收装置的性能如下(1)实时性在采样率仁=1000Hz，数据长度N = 750，采样周期1； = 0.758，在1 秒左右就会给出准确的检测判决结果。(2)准确性在峰值信噪比为PSNR = 3dB,发射机移动速度5m/s，数据N = 750，采 样率fs = 1000Hz，判决门限n = 0. 5，持续点数M = 300的条件下，恒虚警概率为PCFAK = 4%，检测概率达PD = 98% 0本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1为本发明实施例的极低频发射机的原理图；图2为本发明实施例的极低频接收机的原理图；图3为噪声波形与检验统计量的计算结果；图4为信号叠加噪声后的波形与检验统计量计算结果；图5为本发明的接收机恒虚警概率与判决参数(门限，持续点数)的关系结果；图6为本发明的接收机检测检测概率与判决参数(门限，持续点数)的关系结果。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。目前对于极低频信号的实时准确检测将会遇到以下难点(1)移动机器人中发射机发射的极低频信号功率有限、波形质量不高；(2)因发射机处于移动状态、磁场信号随着接收距离的增加迅速衰减，接收的信号 动态范围大；(3)接收机可捕捉信号的持续时间随发射机移动的速度增大而变短；(4)信号的频谱与窄带高斯噪声的频谱所占用的带宽差异甚小。因此，接收机的接收到的信号通常是动态范围大、持续时间短、被窄带噪声几乎淹 没的微弱信号，这将对实时准确检测造成很大的困难。为了克服这些困难，本发明同时对目前的发射机和接收机均做出改进，使得本发 明的发射机可以产生高质量的波形，本发明的接收机可以实现极低频微弱信号的实时准确 检测。另外，还需要说明的是，本发明实施例所提出的极低频发射与接收的系统及装置 不仅可以应用于管道移动机器人示踪定位方面，还可应用于其他领域中，例如海底隧道的检测、海洋中的极低频磁场通信等。以下就以具体实施例的方式对本发明进行介绍，但是需要说明的是以下实施例仅 是本发明的优选方式，并不是说仅能通过以下实施例实现本发明，因此本领域技术人员对 以下实施例做出的等同的修改或变换均应包含在本发明的保护范围之内。如图1所示，为本发明实施例的极低频发射机的原理图。该极低频发射机包括电 池组100，与电池组100相连的发射线圈200，分别与发射线圈200和电池组100相连的控 制开关300，在本发明的一个实施例中，控制开关300可为M0SFET管，当然本领域技术人员 也可以采用其他开关器件。在本发明的另一个实施例中，电池组100可为锂电池组。在本 发明中，该极低频发射机还包括控制控制开关300的控制器400，控制器400按照固定频率 控制控制开关300的开启，以产生主频为固定频率的极低频三角波磁场信号。在本发明的 一个实施例中，上述固定频率为23Hz，当然本领域技术人员还可选择其他频率，同样也应包 含在本发明的保护范围之内。如果控制开关300为M0SFET管，则控制器400与M0SFET管 的栅极相连接。在另一个实施例中，控制器400可选择单片机，当然也可以选择其他控制器 件。本发明中的M0SFET管工作于通断状态，相对于输出正弦波波形而言，波形过渡时 间极短。另外上述发射机的主电路为数字电路，因此波形的频率稳定性高、幅值恒定，波形 的规范性好。如图2所示，为本发明实施例的极低频接收机的原理图。该极低频接收机包括用 于供电的电池组510(如锂电池组)、用于接收空间磁场信号的第一接收线圈520、与第一接 收线圈520相连接的第一放大滤波电路530，第一放大滤波电路530可用于对第一接收线圈 520接收的信号进行滤波和放大，得到想要的极低频信号，例如如果选择23Hz，则第一放大 滤波电路520对中心频率为23Hz的信号进行选频放大。在本发明的一个实施例中，该极低频接收机还包括AD转换器，用于将第一放大滤 波电路530得到的极低频信号转换为数字信号，该AD转换器可以是单独器件，也可以集成 到检测�？�540中，在图2中AD转换器集成到检测�？�540中。该极低频接收机还包括检测�？�540，用于以预设定的周期计算AD转换器转换的 数字信号的检验统计量，并根据检验统计量和持续点数判断是否检测到发射机的信号。在 本发明的一个优选实施例中，该检测�？�540为具有AD单元的DSP，当然本领域技术人员 还可选择其他计算单元，在该实施例中，DSP的软件程序按照极低频单频微弱信号的实时检 测方法每隔1ms计算一次检验统计量\，然后按照预先设定的判决门限值n与持续点数M 进行检测判决，给出判决结果。在本发明的一个优选实施例中，一个极低频接收机可以同时从两个接收线圈中获 取信号，以提高信号检测的可靠性，如图2所示，还可包括第二接收线圈550和第二放大滤 波电路560。极低频磁场信号接收机对采样信号的实时检测算法如下混有噪声的极低频单频正弦信号的观测数据为<formula>formula see original document page 6</formula>其中<formula>formula see original document page 6</formula>，频率 f0 为 23Hz，fs为信号抽样频率，A为幅值(未知)，小为相位(未知),n(k)为窄带高斯噪声。为实现对极低频单频正弦信号的检测，构造检验统计量\，具体步骤为
步骤1，计算N点观测信号x (k) (k = 0，1，. . .，N-1)的功率Px
步骤2，估计极低频单频正弦信号的幅值i .其中，<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>步骤3，估计信号的功率其中，Pf= A2/2步骤4，计算检测判决的检验统计量入，其中，Y=P/PX步骤5，将检验统计量入与设定的判决门限值n比较，并检查持续点数M。如果 检验统计量\大于判决门限n的点数大于等于M，则判断有信号存在；反之，如果检验统 计量\大于判决门限n的连续点数小于M，则判断无信号存在。步骤6，以图形显示检验统计量和判决结果。本发明实施例的极低频接收机采用基于估计信号功率和观测信号功率比的新型 检验统计量和配套的检测判决方法，可对动态范围大、持续时间短、几乎被窄带噪声淹没的 极低频微弱磁场信号实现实时可靠检测。另外，本发明还提出了一种极低频信号发射接收系统，包括上述的极低频发射机 和上述的极低频接收机，该系统可以用于管道移动机器人的示踪定位。以下就以具体实验模拟的方式对本发明的有益效果进行验证。如图3所示，为噪 声波形与检验统计量的计算结果。图3(a)为噪声的信号波形，图3(b)为采用本发明的极 低频微弱信号实时检测算法对此噪声波形的检验统计量X的计算结果。图4为信号叠加 噪声后的波形与检验统计量计算结果。图4(a)为发射机产生的极低频信号波形，图4(b) 为图4(a)中的波形叠加图3(a)的噪声后的波形，图4(c)为采用本发明的极低频微弱信号 实时检测算法对信号加噪声情况的检验统计量X的计算结果。可见，图3中噪声的检验统计量\的计算结果明显偏�。�4中信号的检验统 计量X的计算结果偏大且持续时间很长。图3和图4说明即使在信号的包络完全被噪声 淹没的情况下，本发明提出的信号实时检测系统仍可以非�？煽康厍中藕庞朐肷�。图5 是本发明的接收机恒虚警概率与判决参数(门限，持续点数)的关系结果，图6是本发明的 接收机检测检测概率与判决参数(门限，持续点数)的关系结果。通过本发明实施例对发射机和接收机的改进，使得发射机能够输出主频为23Hz 的极低频三角波信号，并且由于发射机的主电路为数字电路，因此波形的频率稳定性高、幅 值恒定，另外由于接收机采用基于估计信号功率和观测信号功率比的新型检验统计量和配 套的检测判决方法，因此本发明提出的接收机可对动态范围大、持续时间短、几乎被窄带噪声淹没的极低频微弱磁场信号进行实时可靠的检测。本发明实施例的极低频发射与接收装置的性能如下(1)实时性在采样率仁=1000Hz，数据长度N = 750，采样周期1； = 0.758，在1 秒左右就会给出准确的检测判决结果。(2)准确性在峰值信噪比为PSNR = 3dB,发射机移动速度5m/s，数据N = 750，采 样率fs = 1000Hz，判决门限n = 0. 5，持续点数M = 300的条件下，恒虚警概率为PCFAK = 4%，检测概率达PD = 98% 0尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
一种极低频发射机，其特征在于，包括电池组；与所述电池组相连的发射线圈；分别与所述发射线圈和所述电池组相连的控制开关；和与所述控制开关相连接的控制器，所述控制器按照预设固定频率控制所述控制开关的开启，以产生主频为所述固定频率的极低频三角波磁场信号。
2.如权利要求1所述的极低频发射机，其特征在于，所述固定频率为23Hz。
3.如权利要求1所述的极低频发射机，其特征在于，所述控制器为单片机。
4.如权利要求1或3所述的极低频发射机，其特征在于，所述控制开关为M0SFET管，所 述M0SFET管的栅极与所述控制器相连接。
5.一种极低频接收机，其特征在于，包括 用于供电的电池组；用于接收空间磁场信号的第一接收线圈；与所述第一接收线圈相连接的第一放大滤波电路，用于对所述接收线圈接收的信号进 行滤波和放大，得到想要的极低频信号；AD转换器，用于将所述第一放大滤波电路得到的极低频信号转换为数字信号；和 与所述AD转换器相连的检测�？椋糜谝栽ど瓒ǖ闹芷诩扑闼鍪中藕诺募煅橥� 计量，并根据所述检验统计量和持续点数判断是否检测到发射机的信号。
6.如权利要求5所述的极低频接收机，其特征在于，还包括第二接收线圈和第二放大 滤波电路，所述检测模块同时从所述第一放大滤波电路和第二放大滤波电路获取信号，并 进行检测。
7.如权利要求5或6所述的极低频接收机，其特征在于，所述第一放大滤波电路和第二 放大滤波电路对中心频率为23Hz的信号进行选频放大。
8.如权利要求5或6所述的极低频接收机，其特征在于，所述检测模块为DSP。
9.如权利要求8所述的极低频接收机，其特征在于，所述检测�？榧扑闼鍪中藕� 的检验统计量\包括计算N点观测信号x(k) (k = 0，1，. . .，N-1)的功率px，其中，<formula>formula see original document page 2</formula>频率 fQ 为 23Hz，fs 为信号抽样频率， A为幅值，小为相位，n(k)为窄带高斯噪声； 估计极低频单频正弦信号的幅值i ； 估计信号的功率PS； 计算检测判决的检验统计量入，其中<formula>formula see original document page 2</formula>
10.如权利要求9所述的极低频接收机，其特征在于<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>
11.如权利要求9所述的极低频接收机，其特征在于，其中，<formula>formula see original document page 3</formula>
12.如权利要求9所述的极低频接收机，其特征在于，所述检测�？楦菟黾煅橥臣� 量和持续点数判断是否检测到发射机的信号包括将检验统计量、与设定的判决门限值n比较，并检查持续点数M; 如果检验统计量\大于判决门限n的点数大于等于M，则判断有信号存在； 如果检验统计量\大于判决门限n的连续点数小于M，则判断无信号存在。
13.一种极低频信号发射接收系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的极低 频发射机和权利要求5-12任一项所述的极低频接收机。
14.如权利要求13所述的极低频信号发射接收系统，其特征在于，所述系统用于管道 移动机器人的示踪定位。
全文摘要
本发明提出一种极低频发射与接收系统及装置。其中，极低频发射机包括电池组，与电池组相连的发射线圈，分别与发射线圈和电池组相连的控制开关，和与控制开关相连接的控制器，该控制器按照预设的固定频率控制所述控制开关的开启，以产生主频为某个固定频率的极低频三角波磁场信号。通过本发明实施例对发射机和接收机的改进，使得发射机能够输出极低频三角波信号，另外由于接收机采用基于估计信号功率和观测信号功率比的新型检验统计量和配套的检测判决方法，因此本发明提出的接收机可对动态范围大、持续时间短、几乎被窄带噪声淹没的极低频微弱磁场信号进行实时可靠的检测。
文档编号G01V3/00GK101799556SQ20101012272
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者刘红旗, 徐新智, 王淳, 胡铁华, 郭静波 申请人:清华大学;中机生产力促进中心
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