1、11 国内外研究概况超低频通信技术由于其独特的优势在军事领域的对潜通信、随钻测井、地震预报、检测和资源勘察、地质勘探、大坝以及核电站等领域具有广泛的应用前景。1958 年，美国海军开始研究利用超低频向核动力弹道导弹潜艇进行抗毁单向信息传输。1972 年，海军成功的实施了与 4600 公里外，天线在水下 102 米深、航速为 16 节的核潜艇进行通信联络。1984 年 12 月，美国官方首次公开了它们在建立自己的超低频对潜通信系统。从 1985 年 5 月起，美国先后在太平洋舰队、地中海、西太平洋以及北冰洋盖条件下对潜极低频通信均试验成功。1896 年底，两台同时完工，交付给海军投入使用，随后，
2、在美国所有的核潜艇上逐步安装上超低频接收机。英国和法国也是有核潜艇的国家。1985 年 8 月，美国选派了一个专家小组去帮助英国在苏格兰地区考察发射基站址，1986 年在那里选站架设了一付 22公里长的发射天线，进行技术论证。法国也是从 1984 年开始从事有关的研究工作，法国汤姆逊无线电公司和 CGE 公司就在从事这方面的研究工作。前苏联 1967 年开始研究潜艇深水通信。19811991 年，他们正式在科拉半岛建造永久性的发射台，选用 30-200Hz 频段工作，发射天线为 2 根平行的各长 60 公里，两端接地的，彼此相距 10.5 公里，各有一部发射机，由一个总控制台控制。发射机功率为
3、兆瓦级。据说该台从 1983 年就开始了发信，当工作频率选用 81+_3.13Hz 时，可对 6000 公里远 100 米深的的潜艇进行通信，其最大痛信距离可达 1 万公里。由于科拉台的天线是东西向平行走向，它对大西洋和西太平洋的覆盖较好，对地中海和东太平洋、印度洋则方向性较差。他们从1993 年起，还利用该台进行更低的工作频率（30Hz 以下）的试验，认为如果工作频率选用 10Hz，有可能对水下 270 米深的核潜艇进行通信。苏联解体后，俄罗斯对超低频技术仍在继续研究。我国在超低频对潜通信方面由相关的单位正在开展研究，但由于军事用途明显，未见具体的研制和实验成果的报导。由于超低频通信系统的建
4、设极其复杂，而且耗资巨大，虽然超低频在对潜通信领域的应用早在 50 年代末便已经发展潜能，但随钻测井。地震预报等民事领域的研究则起步较晚，仍处在起步阶段，随着超低频通信技术的迅速发展，超低频应用领域将越来越广泛。22 超低频信号的产生超低频信号在医学、科研和实验教学中有广泛的应用。传统的低频信号发生器用 RC 文氏电桥振荡器作为主振器，再经过放大器和输出衰减器后得到信号。这种信号发生器结构简单，输出频率在几百几千赫兹范围内波形较好，但当要求输出频率较低时（如零点几赫兹几十赫兹） ，输出波形不稳定，也不精确。为了解决这个问题，我改变传统获取信号源的方式，采用锁相环技术以及 EPROM(elect
5、rically progranmable read only menory)，用数字化方式产生正弦波信号，从而保证了信号的精度和稳定性。将一个周期的正弦波平均分成 80 等份，每隔 4.5所对应的正弦波数值储存在 EPROM 中共 80 个点。其峰值换算为十六进制数 FFH，谷值换算为十六进制00H。计数器每计数一次，便依次读取 EPROM 中一个正弦波数值，共需 80 次一个周期。如此循环往复。8Hz 基准信号输入到相位控制振荡器 4046 芯片中，在锁相环闭环系统稳定时输出频率为（8N）Hz。因为 80 个点为一个周期，所以信号发生器输出频率f=（8N ） 80=0.1N。最后 DAC 将
6、数字量转化为模拟电流量，再经过双运放LM358 第一级转换为电压信号，第二级放大后得到幅度可调的正弦波电压信号。N 值由拨盘开关在的位置决定，它的取值范围为 199999，所以输出信号频率范围为 0.1HZ9999.9HZ，满足了医学、科研及实验教学中对超低频信号频率范围的要求。其原理图如图 1 所示：图（1） 超低频信号发生器原理框图33 超低频天线的设计天线是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置，是无线电通信系统中必不可少的部分，其性能的优良与否，往往在无线通信中起到事倍功半的作用。不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下的无线通信对于天线的特性、设计有着完全不
7、同的要求。 假设接收机系统采用 1-100Hz 的电磁波，其频率极低。根据电磁波半波天线发射理论，天线的长度将达到几千公里，显然在实际应用中制造出如此长的发射天线是不现实的。因而需要通过一种新方法建立超低频电磁波的传输模型。由于工作频率极低，通常天线的计算方法已不适用。这里只能从新的实际情况出发，在超低频领域进行新的探讨。根据现实情况的需要，可采用超低频极低频水平偶极子天线。由于超低频极低频电磁波的波长达1000km100000km，受发射天线尺寸的限制，这一波段的电磁波要进行有效辐射十分困难。目前实际应用中最为有效的天线形式是采用两端接地中间馈电的水平偶极子天线，天线长度达数十公里。发射机向
8、天线发送大功率的超低频极低频信号，天线两端将电流馈入地中，让天线电流与地中电流构成一个嵌入地中的电流环，从而形成一个环天线(如图 1 所示)，相当于一个水平放置的磁场天线。由天线原理可知要使远处获得有实用价值的场强，要求大地电阻率 p越大，天线所在地的大地电阻率这一大地的固有特性决定了超低频极低频发射天线的辐射能力。大地的视电阻率因地点而异，各地千差万别，变化范围大(达五个数量级) ，天线的位置一旦选定，大地视电阻率也就无法再改变，因此天线所在地的大地视电阻率是决定超低频极低频发射装置辐射能力强弱的关键因素，天线场地一般选在高电阻率的地区。 4图（2） 超低频发射天线原理示意图4 超低频在地震
9、预报中的应用地震预测仍是地球科学的世界性难题。其难点包括科学和技术两个方面前者主要是指由于地震成因和孕震过程复杂，地震学家至今对地震发生机理缺乏足够的认识和理解，后者是指预测和研究受到观测技术的制约，难以获得地震活动的准确信息。超低频/极低频技术在地震预测等方面具有巨大的应用潜力，尽管它的发展历史不长，它所可能发挥的作用已被许多人认同。超低频极低频技术及卫星监测电离层的技术已经引起国际上的广泛关注，即将成为地震预测中的重要手段。我国的科学家自 80 年代就开始对超低频极低频电磁波发信技术进行研究，特别是经过近几年的努力发信台的研究和建设取得了重大进展，预期不久即可建成中国自己的发信台，成为拥有
10、这一发信技术的第三个国家。我国应抓住这一机遇，使我国的地震预测水平有一个质的飞跃。在我国建设极低频超低频发射设施的同时，在现有地震监测网上增添极低频超低频观测手段并组成相应的电磁观测网，对于我国地震监测技术的进步，使人类对地震活动的预测由经验预测向物理预测发展。有重大意义。关于异常电磁场的源一般归结为来自地震震源区，来自于地表或上层地壳和来自于大气层或电离层。应力变化是较受重视的引起电磁场异常的因素。其中，当地壳岩石裂隙中存在流体时，电动效应和孔隙度几何学或孔隙体积变化被认为是引起电阻率变化和震电信号的重要原因。而在干岩石的情况下，压电和摩擦生电效应具有重要作用。在地震震中附近的震电信号或电磁
11、辐射，以及其与电离层扰动的联合作用，导致在震中区一定范围内可观测到电磁场异常。一般情况下，震级越大，出现异常的范围越大，反之范围较小；较低频率的异常在震前出现得较早，如震前20 天左右，较高频率的异常出现较晚如震前 23 天 。55 超低频在潜艇中的应用通过对潜艇电磁噪声产生机理的研究和有关测量数据的分析，我们对超低频电磁噪声有了初步的了解，虽然能够搜集到的实验数据很少，但从中可以得出如下有益的结论，为以后超低频通信技术和噪声处理方法的发展打下良好的基础。1)潜艇周围超低频电磁场来源很复杂，又有足够大的强度，会对超低频通信造成恶劣的影响。从实测数据中能够知道，虽然超低频通信信号微弱，深水下的信
12、噪比常为负值，但是潜艇周围的超低频噪声幅度随时间变化比较平稳，只与航行速度有较大的关系，而潜水深度，航向等因素对噪声作用不打，大气放电等随机因素只占次要地位。2)舰船电磁场的存在是潜艇周围超低频噪声的主要来源，尤其是潜艇的轴频电场和工倍频电场在低频频段内的分量很强，而且具有明显的线谱特征，这一点在实测的噪声场强随频率的分布图中也得到了反映。螺旋桨转动速率、工频 50 Hz 及其谐波等特定频率处的噪声场强要远大于其他频率的噪声。噪声强度的分布具有空间性，与舰船电磁场信号场强分布基本一致。相对于潜艇的其他位置来说，艇体中后部靠近螺旋桨处及大用电设备附近噪声最强，这也是轴频和工倍频电场直接引起的结果
13、。潜艇超低频电磁噪声特点及对通信的影响根据在远海不同航速、深度和航向状态下实测的有限数据，潜艇周围的超低频噪声是一个总噪声，由众多噪声叠加而成，其可能的噪声源与上面分析的结果相当吻合，有以下几大特点：1)潜艇本身的电磁噪声为轴频电场和工倍频电场产生，在超低频总噪声中居于主导地位。该噪声与航速关系密切，航速增大时噪声电平迅速增加。当深度为 75 m 不变，航速为 0 时，潜艇可以清晰收到通信信号和工频噪声的杂波，说明静止的潜艇本身产生的电磁噪声很小。这是由于螺旋桨停止转动，船内大用电设备使用较少，向外辐射的电磁能量降低，致使轴频电场和工频电场分量减弱的缘故。2)航速一定，所测的总噪声随深度的增加
14、并没有明显衰减，且有一定的随机性。其原因是噪声频率低，在海水中本身衰减就很小，也说明雷电等造成的大气噪声在总噪声中所占的比例不是很大。3)深度和航速一定，航向不同的情况下，噪声电平变化不大，当测量天线6对准大陆方向时，噪声也没有明显的增加。这表明潜艇周围的超低频噪声方向性不显著，各个方向上的噪声分量具有很大的相关性。而且在远海区总噪声与潜艇离岸距离无关，大陆海岸上的 50 Hz 工业电力干扰可以忽略，而在中近海区不能忽视它的影响。4)潜艇确实存在很强的超低频噪声场，如发射天线使用 75 Hz 频率和 10 MW 功率在 1 000 km 外、水下 50 m 左右产生的信号场强(相对于 l Vm
15、Hz)约为一 168 dB，实测噪声场强为一 165 dB，与信号强度相当。5 000 km 外噪声场强要比信号高出十几个 dB。图 2 表示的是潜艇在水下 50 m 处测得的噪声电平强度与频率的对应关系，从中可以清楚地看出，噪声频谱是连续谱，幅度有些平稳，当航速较慢时，在 50 Hz， 75 Hz，90 Hz 等频率处出现较大的峰值，线谱特征明显，说明这些频率处的干扰很大，而高速航行时，由于螺旋桨转动加快引发的轴频电场辐射增强，噪声在 30 一 60 Hz 频段内一直维持一个很高的量级，没有特别突出的峰值，60 Hz 以上随着频率增加而强度递减。图（3） 水下 50m 噪声强度与频率之间的关
16、系6 超低频在地质勘探中的应用被动式超低频电磁探测技术是利用天然的超低频电磁辐射进行地球内部结构探测以及地下资源勘探的技术。近年来，这一技术日益受到关注并在许多方面( 如资源勘察、灾害预测)获得了广泛的应用。在应用超低频电磁探测信号分析地层构造和资源中，有很多值得探讨的问题。其中。如何有效地对超低频探测信号进行处理就是关键之一因为处理的结果将直接影响后续的地质解译。对超低频电磁探测所获得的原始信号进行处理可以得到一些特征曲线通过对这些曲线的分析可以得到有关地下地质体(岩层)和资源的信息。虽然运用现有处理方法所得到的曲线(如振幅最大值、最小值等) 能较好地反映主要的地质信息但这些曲线在某些局部波
17、动比较大，还7需要进一步改进。因此，探索新的更为有效的信号处理方法，对于超低频探测技术的地学应用具有重要的意义。可以尝试将信号能量谱引用到超低频电磁探测信号的处理中。探索新的超低频电磁探测信号处理方法并通过与现有方法所获得的曲线进行分析比较来验证所提出方法的性能。天然电磁场由不同的自然作用过程激励产生是不可控源场，其源场强度和极化方向随时、空尺度而变化，但这种变化是相对缓慢的。因此。可利用天然超低频电磁辐射对地下地质构造及资源进行有效探测。以一个探测试验来进行说明，地点位于北京大学内的静园地热井京热 119井该剖面有实际钻孔资料可进行对比。该剖面的主要地层及岩性特征可概括如下：第四系：深度为
18、021744 m。主要为松散沉积物，包括砂、砂砾卵石夹粘土和粘土含砾。奥陶系：马家沟组：深度 21744495 m主要岩性为灰岩、白云质灰岩，其中在 24184 m、25023 m、275295 m、335 m、365 m 等多处裂隙发育；亮甲山组：深度 495663 m，主要岩性为灰岩、白云质灰岩；冶里组：深度663754 m，主要岩性灰岩、白云质灰岩泥质灰岩和薄层鲕状灰岩。寒武系：炒米店组：深度在 754940 m，主要岩性棕黄色灰岩、灰绿色泥岩、白云质灰岩和灰色鲡状灰岩。张夏组：深度在 9401000 m，主要岩性棕黄色灰岩、灰绿色泥岩、泥质灰岩和灰色鲕状灰岩。从图 4 中可以看出能量一
19、深度曲线相比其他曲线波动较小。且地层界面较清楚，较容易分辨，每个深度段所代表的地层具有不同的变化规律，如在21744495 m(马家沟组)振幅变化较小，只是图 4a 在 400 1TI 附近有干扰；到 495663 m(亮甲山组 )振幅变化开始变的较大；在 663-754 m(冶里组)中则变的更大。而且波形的振动频率也开始加大；到了 754940 m(炒米店组)振幅变化开始变得缓和；最后在 940-1000 m(张夏组)强度又一次开始加强。能量一深度曲线总体稳定性比较好较好地反映不同地层的信息。但是其他参数波形中这些变化则不是很容易分辨。如图 4-d、f 在 500 m 后振幅变化一直很大，很
20、难从中分出 495663 m(亮甲山组)、663754 m(冶里组)、754940 m(炒米店组)、9401000nl(张夏组) 。图 4-b、C 虽然可以比较勉强的把亮甲山组(495663 m) 、冶里组(663 754 m)分辨出来，但后面的炒米店组(754940 m)、张夏组8(940 1000m)又很难再次分辨。而且图 4-b、f 的波形中局部波动较大相比较而言能量一深度曲线则较稳定且在相同组中波形振幅变化的强度、密集度都保持很好的一致性。从图 5 可以看出能量一深度曲线依旧保持着很好的稳定性每个深度段所代表的地层具有不同的变化规律如在 21744495 m(马家沟组)中振幅变化较小；
21、至 495663 m(亮甲山组) 开始加大；在 663754 m(冶里组)中振幅变化再次加大而且变化频率也随之变大；到 754940 m(炒米店组)又开始变得缓和。只是在 820 m 左右深度受到一次干扰：最后在 9401000 m(张夏组)变化幅度和变化频率都很大。图 5-b、c、d、e 、f 中的 5 个波形要比图 3 中对应的曲线表现更好基本都能将不同深度组分辨出来。但与能量一深度曲线相比。这些曲线在局部的波动较大特征不如能量一深度曲线明显。9图 4 超低频电磁探测信号 图 5 超低频电磁探测信号 a 能量 b 最小值曲线 c 振幅最大值曲线 a 能量 b 最小值曲线 c 振幅最大值曲线
22、d 众数值曲线 e 中间值曲线 f 少数值曲线 d 众数值曲线 e 中间值曲线 f 少数值曲线 由以上分析可以看出。能量一深度曲线总体表现稳定，局部波动小；结果表明与现有方法相比运用信号能量进行超低频探测信号的处理与分析可更准确地反映地层以及地层下面的煤层气的位置。7 超低频在临床中的应用进过多年对磁场进行试验和临床疗效观察的结果来看，磁场对细胞的结构和活性有所影响。尤其是频率在 100Hz、强度最高达到 100 高斯的超低频磁场，它对于细胞膜有着特殊的影响。磁场，特别是磁场的脉冲作用，能够改变细胞膜两侧的离子分布，从而在某些创伤或是变性的组织产生的炎症反应中表现出治疗效应。超低频磁场的治疗适
23、应症有：1. 肌肉骨骼系统疾病佩尔特斯病：也叫做儿童股骨头血管坏死，病因很多包括创伤后的，特发性的或髋关节发育不良继发的。一般为良性的慢性进展性病程，也有可能并发不能缓解的疼痛和一系列的功能障碍。经过磁场治疗可以减轻疼痛，加速循环功能恢复和股骨头结构重建。股骨头无菌性坏死：此类疾病的发生和创伤后或与大剂量应用皮质激素有关，也有特发性的。磁疗和其他治疗联合应用可以减轻损伤，帮助坏死的组织重。关节炎和创伤后关节病：都有类似的损伤，包括关节间隙狭窄、关节面变形、疼痛和明显的功能受限。磁疗和其他治疗联合能够减轻症状和组织在 X10线片中的表现。骨质疏松：由于骨骼的退行性变，脱钙作用而引起了一系列临床的
24、疼痛、功能萎缩和骨骼变形的症状。它一般累及所有的椎骨，但也会出现在股骨、肱骨和胫骨，有时仅仅受到轻微的重力打击就出现骨折损伤。使用磁场治疗可以迅速缓解疼痛症状，稳定病变的部位。实变延迟和假性关节炎：这是 2 种不同的疾病，但是具有相似的实变缺陷的病理过程，可能是由于创伤或手术引起。通过放射检查或是损伤开始以后的病程观察都可以作出诊断。如果实变延迟病程超过了 9 个月，我们可以称之为假性关节炎。手术的方式和时机都难以选择，联合磁疗治疗的患者和单独应用手术治疗的患者相比，可以加速骨质的沉积，减少愈合时间。其它适应证有骨髓类、糖尿病性骨病变、痛性骨营养不良假体移位、关节周围炎 扭伤、挫伤和肌肉-肌腱
25、病。应用脉冲磁疗抗水肿、抗炎症和止痛作用，能够减轻疼痛的症状，并且减少退行性变的发生，使以上疾病的恢复时间都有了显著的缩短。2血管疾病，皮肤软组织损害临床和实验数据表明脉冲磁场对此类疾病可以通过以下机制起到治疗作用 减轻病灶组织的水肿；由于磁场具有促进毛细血管新生的作用，能够明显改善血管病变区的缺血状态；血管舒张和肉芽组织形成，纤维组织再生促进皮肤和软组织损害的组织修复。通常这是间接通过刺激透明质酸的生物合成而达到的，透明质酸在血管周围组织和肉芽组织中都有高度表达。阻塞性血管疾病：通常可以分为两大类：急性的（栓塞和血栓形成）和慢性的（血管硬化和糖尿病） 。临床的表现包括肌肉缺血伴有疼痛，营养不
26、良和坏死，皮肤缺血营，养不良性损伤和坏死，神经干的缺血（缺血性营养不良） 。下肢的血管可能出现扩张或是萎缩。经过脉冲磁场的治疗，即使是在疾病的进行期也能够取得满意的缓解。对于某些认为不得不截肢的患者，可以避免手术。保留肢体 脉冲磁场治疗的临床效应主要表现为：疼痛症状的缓解，营养不良性损害的修复、 踝关节收缩力的增强。这些临床表现，血流量升高和局部阻塞的减轻，在磁疗后即刻出现并且可以维持一个相当长的时间。在以后的 12-24 个月内可以观察到治疗效果逐渐减退，说明可能需要每年重复治疗。静脉曲张（静脉功能不全）：由于静脉扩张引起，由于静脉瓣先天性和继发性的缺陷导致静脉壁变形拉伸。怀孕、久坐、长期的
27、站立位是常见的病因。11常见的体征为凹陷性水肿、皮肤紫绀、瘀点和色素沉着，可能并发湿疹、静脉血栓形成性溃疡、深部静脉栓塞等病症。脉冲磁疗能够加快以上体征缓解的过程，由于具有促进肉芽组织增生的作用，迅速填补缺失的组织，和常规治疗相比，对溃疡的愈合疗效特别显著。糖尿病性溃疡：多年的糖尿病病程，血糖控制欠佳的患者由于直接的或是间接的创伤都容易导致溃疡的发生；或者仅仅是皮肤营养不良导致的损伤很快进展为疮，继而发生溃疡。除了控制血糖在理想的水平和对创伤的适当处理之外，磁场的辅助治疗可以明显促进肉芽组织增生从而使溃疡愈合。参考文献1 邱纪方. 超低频磁场的生物效应和临床应用 中华物理医学与康复杂志 200
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