用于干擾抑制和信號增強(qiáng)的多元件磁接收的制造方法
【專利摘要】提供一種用于增強(qiáng)磁通信信號的系統(tǒng)和方法。使用多元件接收機(jī)來生成多個輸入信號。使用例如所述多個輸入信號的所計算的協(xié)方差來生成一組權(quán)重，并將其應(yīng)用到信號。使用權(quán)重來生成代表輸入信號的加權(quán)和的單個輸出信號。
【專利說明】用于干擾抑制和信號增強(qiáng)的多元件磁接收機(jī)
[0001]本申請要求2011 年 6 月 20 日提交的題為 “Mult1-element Magnetic ReceiverFor Interference Suppression And Signal Enhancement，，的美國專利申請序列號13/164，375的優(yōu)先權(quán)，其主題通過引用被全部并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及磁通信系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于干擾抑制和信號增強(qiáng)的磁通信接收機(jī)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如基于射頻(RF)和磁信號的通信系統(tǒng)的地下通信系統(tǒng)遭受噪聲和阻礙它們的預(yù)期運(yùn)行的其它類型的干擾。例如，發(fā)射機(jī)的朝向和/或發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對位置能夠影響所發(fā)射的場相對于該接收機(jī)的方向和強(qiáng)度。同樣，例如大氣、土地的中間介質(zhì)以及人為的障礙物能夠以難以預(yù)測或無法預(yù)測的方式影響接收機(jī)處的被發(fā)射的磁場。
[0004]這些特性可能對利用定向天線的磁通信系統(tǒng)(諸如用在方向發(fā)現(xiàn)操作中的系統(tǒng))的性能尤其有害。方向發(fā)現(xiàn)是確定發(fā)射源(通常是基于無線電或磁的)的位置的過程。方向發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵應(yīng)用包括例如山上或其周圍或者在地下礦井中的惡劣運(yùn)行狀況中的緊急援救操作。由于通過諸如土地和巖石的材料的RF發(fā)射通常比較低效，因此基于磁場的通信常常是優(yōu)選的。然而，如上所述，磁通信系統(tǒng)遭受使得方向發(fā)現(xiàn)操作變得困難的不精確以及信號功率降低。
[0005]期望改進(jìn)的磁通信系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，提供了一種用于增強(qiáng)磁通信信號而同時抑制噪聲和干擾的方法。該方法包括利用多個天線元件接收磁通信信號。通過例如生成對應(yīng)于由每個天線元件所接收的通信信號的第一協(xié)方差矩陣，來測量多個所接收的信號的相對振幅。還可以生成對應(yīng)于由每個天線元件接收的噪聲和干擾的第二協(xié)方差矩陣，對其求逆并與第一協(xié)方差矩陣相結(jié)合?？梢詫υ摻M合矩陣應(yīng)用主分量分析，以計算一組權(quán)重，所述權(quán)重被用來生成包括多個所接收的輸入波形的加權(quán)和的單個輸出波形。
[0007]在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，提供一種用于增強(qiáng)磁通信信號的方法。該方法包括利用多個天線元件接收磁通信信號。通過例如生成與由每個天線元件所接收的通信信號相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣，來測量多個所接收的信號的相對振幅?？梢詫υ摼仃噾?yīng)用主分量分析，以計算一組權(quán)重，所述權(quán)重被用來生成包括所述多個所接收的輸入波形的加權(quán)和的單個輸出波形。
[0008]在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，提供一種用于抑制磁通信系統(tǒng)中的噪聲和干擾的方法。該方法包括在沒有被發(fā)射的磁通信信號的情況下利用多個天線元件接收噪聲和干擾。通過例如生成與由每個天線元件所接收的噪聲和干擾相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣來測量多個所接收的波形的相對振幅?？梢詫υ摼仃嚨哪婢仃噾?yīng)用主分量分析，以計算一組權(quán)重，所述權(quán)重被用來生成包括多個所接收的輸入波形的加權(quán)和的單個輸出波形。
[0009]在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，提供了用于找到磁發(fā)射機(jī)相對于磁接收機(jī)的方向的方法。所述方法包括利用三個相互垂直的天線元件接收磁通信信號。通過例如生成與由每個天線元件所接收的通信信號相對應(yīng)的協(xié)方差矩陣，來測量多個所接收的信號的相對振幅。可以對該矩陣應(yīng)用主分量分析，以估計接收機(jī)天線的位置處的磁場的大小和取向。然后可以從該場的取向確定到發(fā)射機(jī)的方向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的三軸天線的立體圖。
[0011]圖2是示出用在信號增強(qiáng)和干擾抑制過程中的圖1的天線的操作的過程流程圖。
[0012]圖3是示出用于增強(qiáng)所接收的信號的圖1的天線的操作的過程流程圖。
[0013]圖4是示出用于執(zhí)行方向發(fā)現(xiàn)過程的圖1的天線的操作的過程流程圖。
[0014]圖5A-5C是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的兩個所接收的信號的結(jié)果得到的組合的圖表。
[0015]圖6A和6B是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的兩個所接收的信號的結(jié)果得到的組合的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0016]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的圖和說明書已被簡化為示出對于清楚理解本發(fā)明來說相關(guān)的元素，但為了清楚起見刪除了在諸如地下磁通信系統(tǒng)的典型磁通信系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的許多其它元素。然而，由于這樣的元素在本領(lǐng)域是被熟知的，并且由于它們并不促進(jìn)對本發(fā)明的更好的理解，因此在本文中并不提供對這樣的元素的討論。本文中的公開致力于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有這樣的變化和修改。
[0017]在下面的詳細(xì)說明中，對附圖進(jìn)行了參考，附圖通過例證的方式示出在其中可實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的各種實(shí)施例雖然不同但不一定是相互排斥的。而且，本文中結(jié)合一個實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可被實(shí)施在其它實(shí)施例中而不脫離本發(fā)明的范圍。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，各個元素在每個所公開的實(shí)施例內(nèi)的位置或布置可以被修改而并不脫離本發(fā)明的范圍。因此，下面的詳細(xì)說明并不是在限制性的意義上進(jìn)行的，并且本發(fā)明的范圍僅僅由所附的權(quán)利要求、更適當(dāng)?shù)亟忉屖怯伤降臋?quán)利要求與權(quán)利要求所享有的等同體的全部范圍一起來限定。在附圖中，相同的數(shù)字編號貫穿若干視圖指代相同的或相似的功能性。
[0018]可以在磁通信系統(tǒng)中使用多元件天線以便改善所接收的信號的質(zhì)量。然而，與這些天線一起使用的當(dāng)前的信號處理方法僅僅實(shí)現(xiàn)了邊際改進(jìn)，因?yàn)樗鼈儍H僅利用來自輸出最強(qiáng)的信號的天線元件的數(shù)據(jù)。這些方法忽略了可以通過最優(yōu)地組合來自每個天線元件的所接收的信號來實(shí)現(xiàn)的益處，諸如信號增強(qiáng)和噪聲消除，如將要針對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行闡述的那樣。
[0019]本發(fā)明的實(shí)施例可以利用從多個天線元件接收到的波形的線性組合來減少噪聲和干擾，增大信號強(qiáng)度，并改善信噪比(SNR)。在一個實(shí)施例中，可以將來自每個天線元件的所接收的波形與通過對來自所有天線元件的波形進(jìn)行主分量分析而確定的權(quán)重相關(guān)聯(lián)。所接收的波形包含通信信號以及噪聲和干擾。使用所關(guān)聯(lián)的權(quán)重來創(chuàng)建包括所接收的各個波形的加權(quán)和的單個波形。所述權(quán)重用于通過消除掉大量噪聲來改善信噪比，消除掉大量噪聲是通過使來自每個天線元件的噪聲分量相關(guān)、同時保留或增強(qiáng)期望的通信信號來實(shí)現(xiàn)的。
[0020]在另一實(shí)施例中，通過對包含通信信號的所接收的波形的主分量分析來計算權(quán)重。通過應(yīng)用這些權(quán)重，可以生成包括所接收的各個波形的加權(quán)和的單個波形。在該波形中的通信信號可以比由任何天線元件接收的任何單個信號更強(qiáng)。
[0021]在另一實(shí)施例中，通過對僅包含噪聲和干擾的所接收的波形的主分量分析來計算權(quán)重。通過應(yīng)用這些權(quán)重，可以生成包括所接收的各個波形的加權(quán)和的單個波形。在該波形中的噪聲和干擾可以比在由任何天線元件接收的任何單個波形中更弱。
[0022]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以在方向發(fā)現(xiàn)操作中使用三元件(例如，三軸)接收機(jī)來估計發(fā)射機(jī)的位置，由此有助于例如援救工作。通過與上述信號處理技術(shù)相結(jié)合地使用三軸接收機(jī)，可以計算對接收機(jī)的位置處的磁場的大小和取向的估計。然后可以根據(jù)場的取向的方位角確定到發(fā)射機(jī)的方向。
[0023]一般地參考圖1，示出了示例性多元件天線。在所示出的實(shí)施例中，天線10包括三個天線元件12、14、16。天線元件12、14、16可以是定向的，諸如鐵氧體棒元件，并且可操作用于接收磁通信信號。在示例性實(shí)施例中，元件12、14、16被定向?yàn)榇篌w上相互垂直，使得它們可被視為沿著笛卡爾坐標(biāo)系的分別的X、y和z軸而被定向。元件12、14、16可被協(xié)同定位在共同的殼體18內(nèi)，從而提供可便攜性以及對其的保護(hù)，并且它們經(jīng)由到信號處理系統(tǒng)的連接20進(jìn)行通信，下面將詳細(xì)闡述其操作。雖然元件12、14、16被示出為被協(xié)同定位，如下面將詳細(xì)闡述的那樣，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的信號處理操作可以不需要元件12、14,16的協(xié)同定位，也不需要每個元件相對于其它元件的特定取向(即，沿著相應(yīng)的軸)。而且，所利用的元件的個數(shù)可以改變而不影響過程的運(yùn)行。
[0024]每個天線元件12、14、16在要接收的磁場與其軸對準(zhǔn)時具有最大的定向響應(yīng)，并且在該場垂直于其軸時具有最小的定向響應(yīng)。對諸如來自緊急應(yīng)答器或信號燈的信號的信號的響應(yīng)取決于天線元件相對于所發(fā)射的信號的磁場的取向而顯著不同。由于元件12、14、16可能不是相對于信號被最優(yōu)地定向，因此，它們的接收能力可能被負(fù)面地影響。
[0025]本發(fā)明的第一實(shí)施例可以通過組合從每個元件12、14、16所接收的波形并聯(lián)合地處理它們以導(dǎo)出代表信號源的加權(quán)信號來補(bǔ)救這些缺點(diǎn)。具體地，通過使用數(shù)字信號處理算法，可以組合來自每個元件12、14、16的信號以有效地電子旋轉(zhuǎn)天線。該過程使得信號強(qiáng)度最大化以供通信系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。如下面將要詳細(xì)闡述的，根據(jù)該技術(shù)的結(jié)果得到的權(quán)重可以達(dá)成增強(qiáng)信號與抑制噪聲和干擾之間的平衡，由此相對于任何單個天線元件改善結(jié)果得到的信噪比。針對在例如圖2和3中所示出的這些實(shí)施例，不需要每個天線元件的已知取向，并且可以使用任意數(shù)目的天線元件。
[0026]一般地參考圖2，描述了用于增強(qiáng)通信信號并抑制在多元件天線上接收到的干擾的信號處理方法的示例性實(shí)施例。到通信系統(tǒng)50的輸入是包括來自天線100的天線元件I至N中的每個天線元件的波形的向量ψ.
【權(quán)利要求】
1.一種用于增強(qiáng)磁通信信號的方法，所述方法包括步驟: 經(jīng)由多個天線元件接收磁通信信號； 測量來自每個天線元件的多個所接收的信號的相對振幅； 計算表示所測量的振幅的多個權(quán)重，以及 生成所述所接收的信號的加權(quán)和。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中測量多個所接收的信號的相對振幅的步驟包括測量來自每個天線元件的所述多個所接收的信號的協(xié)方差。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中測量所述所接收的信號的協(xié)方差的步驟包括從所述所接收的信號生成協(xié)方差矩陣。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中計算多個權(quán)重的步驟包括計算對應(yīng)于所生成的協(xié)方差矩陣的最大特征值的特征向量。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中通過對所生成的協(xié)方差矩陣的主分量分析來計算所述特征向量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個天線元件被容納在共同的殼體內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過計算所述權(quán)重與表示所接收的輸入信號的向量的內(nèi)積來形成所述加權(quán)和。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括計算表示所接收的信號的方向的方位的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過從所述特征向量生成方位角和仰角來計算所述方位。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括計算大體上僅包括干擾的信號的部分的協(xié)方差的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中計算干擾的協(xié)方差的步驟包括計算沒有期望的通信信號時的輸入的協(xié)方差。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中計算干擾的協(xié)方差的步驟包括計算在其處沒有期望的通信信號的頻率處的輸入的協(xié)方差。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中計算干擾的協(xié)方差的步驟包括對具有超過預(yù)定閾值的振幅的輸入的部分進(jìn)行采樣。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中計算干擾的協(xié)方差的步驟包括計算已經(jīng)從中減去了期望的通信信號的輸入的協(xié)方差。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中計算干擾的協(xié)方差的步驟包括為所接收的干擾生成第二協(xié)方差矩陣。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中計算權(quán)重的向量的步驟包括計算與干擾協(xié)方差矩陣的逆矩陣和信號協(xié)方差矩陣的積的最大特征值相對應(yīng)的特征向量。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中通過對所計算的矩陣積的主分量分析來計算所述特征向量。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括對來自所述多個天線元件中的每個天線元件的所接收的信號進(jìn)行濾波的步驟。
19.一種信號處理系統(tǒng),包括: 被配置為接收磁通信信號的多個天線元件；被配置為接收來自所述天線元件的多個信號的處理器， 其中所述處理器可操作用于測量來自每個天線元件的多個所接收的信號的相對振幅，計算表示所測量的振幅的多個權(quán)重，以及生成所接收的信號的加權(quán)和。
20.—種方向發(fā)現(xiàn)系統(tǒng),包括: 被配置為接收磁通信信號的多個天線元件； 被配置為接收來自所述天線元件的多個信號的處理器， 其中所述處理器可操作用于計算所接收的所述多個信號的協(xié)方差并從所計算的協(xié)方差生成表示所接收的信號的估計的方向和大小的向量。
21.一種確定發(fā)射機(jī)相對于接收的方向的方法，所述方法包括步驟: 經(jīng)由多個天線元件接收磁通信信號； 測量來自每個天線元件的多個所接收的信號的相對振幅； 計算表示所測量的振幅的多個權(quán)重，以及 估計接收機(jī)處的 磁信號相對于發(fā)射機(jī)的大小和取向。
【文檔編號】H04B1/38GK103703691SQ201280030383
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月20日
【發(fā)明者】T.M.帕克斯, R.瓦西維奇, D.勒文 申請人:洛克希德馬丁公司