摘要：甚低频通信具有传播距离远、信号稳定、穿透海水能力强等优良特性，在水下通信特别是对潜通信中得到了广泛运用，然而其信号易受大气噪声干扰的缺点也较为突出。本文简要介绍了大气噪声对甚低频通信的影响，并分析比较现有的可应用于抑制大气噪声的不同方法。
关键词：甚低频通信;大气噪声;抑制方法
中图分类号：TN973 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0028-02
0 引言
甚低频（VLF）通信也称为甚长波通信，是指利用波长为100km至10km（频率为3-30kHz）的电磁波进行的无线电通信[1]。具有传播距离远，相位较稳定，受电离层扰动的影响小，穿透海水能力较强等优点。在10-20kHz的频段，穿透海水的深度通常可达15-30m，因而在水下通信、地质探测等领域得到了广泛应用。然而，在实际运用中，这种通信方式也暴露出数据传输率低、信号辐射效率低、发射功率大、天线设备庞大，建设成本高等缺点。
现实中还存在诸多因素影响甚低频通信的可靠性，包括大气噪声、工业干扰、接收机天线噪声等。其中又以为大气噪声的干扰尤为突出。
大气噪声是指自然界雷暴活动所产生的电磁辐射，又称天电干扰[2]。它具有很宽的频谱，其中的低频段电磁分量，是甚低频无线电系统的主要噪声来源[3]。因此，如何在有效抑制大气噪声，提高通信可靠性，成为当前甚低频通信亟待解决的问题。
1 甚低频无线电信号传播特性
1.1 波导方式传播
地面和电离层D层两同心球殼之间的平均有效高度约为80km，与甚低频波段内电波波长可比拟，同时地面与电离层对VLF电波都具有良好的反射特性，因而能够构成有利于甚长波传播的波导。甚长波在波导中传播时，在空中传播的衰减率为2-2.5分贝/千公里。并且电离层等效反射高度昼夜不同，因此接收点信号幅度和相位存在昼夜变化[4]。另外，不同的地质条件也会对信号产生不同的影响。
1.2 在海水中传播
甚长波在海水中的传播符合一定规律，信号的波长越短，在水中传播的衰减越快。对同一信号而言，其场强随海水深度增加按指数衰减，信号渗透海水的衰减率大约为3～6dB，入水深度可达15-20m左右。因此，对水下通信而言，接收机所处深度受限。
2 大气噪声的影响及传统抑制方法
研究发现，甚低频频段的大气噪声主要是高斯白噪声背景下的脉冲噪声[5]。其中，分布在世界范围内的大量雷暴、接收天线与地球电磁场、接收机内部电路静电积累等共同作用产生低幅高斯背景噪声，接收机的闪电电磁脉冲叠加形成高幅度的突发脉冲噪声。地球上任何一处的大气噪声都可视为二者的总和。这些噪声与甚长波信号叠加并最终被接收机接收，导致难以恢复有用信号。
为了尽可能避免大气噪声对有用信号的干扰，传统的方法包括带通滤波、削波（限幅）、置零等，然而带通滤波法难以滤除有用信号频带内的噪声;削波（限幅）、置零属于非线性处理方法，通过消除噪声中高幅度的突发脉冲，达到噪声高斯化的目的，但同时也会造成一定程度的信号失真。脉冲强度较大的情形下适合采用，而白噪声情况下这种方法并不适用[6]。并且，这类传统非线性处理方法存在着显著的局限性，即缺乏对大气噪声分布特性的理论分析，更多地依赖人工经验来选取非线性处理器合适的工作参数。综上所述，传统方法难以适应现代甚低频通信系统对通信可靠性的要求。
3 现有大气噪声抑制技术比较
对甚低频收信而言，大气噪声的干扰造成了信号严重失真，而传统方法存在着不同方面的弊端。因此，选择有效可行的方法提高信噪比十分重要。现有抑制大气噪声技术方面的研究主要有：
3.1 中值滤波—小波降噪
中值滤波由Turkey在1970年提出，属于非线性排序统计滤波方法，其基本原理是将数字序列中一点的值用该点的某邻域内各点值的中值来代替。它能够较好地抑制脉冲噪声，然而对高斯噪声的抑制能力较弱;小波分析是近年来较为热门的一个研究方向。当前有不少关于小波段消除噪声的研究，比较有代表性的是Mallat所做的实验。该实验分析了高斯白噪声在小波段的特性，结论证明可以实现局部降低噪声的目的。然而，实际情况下甚低频通信中的大气噪声为高斯白噪声背景下的脉冲信号，而这些脉冲往往携带了足够的能量，无法忽略，因而采用单一的小波降噪方法去除噪声效果并不理想。
如将两种方法结合使用，对含有大气噪声的有用信号进行中值滤波，可以有效滤除脉冲噪声，而剩余信号的幅度较小，噪声近似于高斯特性，通过小波处理可以进一步降噪。结果表明，该方法能够有效抑制信道噪声的干扰[7]。
3.2 扩时技术
扩时技术是A.M.Weine和J.Selehi等在激光通信中首次提出的概念，主要用于脉冲干扰。扩时可以通过对信号在频域上乘以伪随机扩时序列产生，与扩频在时间和频率上呈对偶关系。该技术的原理是通过对信号在时域上进行展宽，减小脉冲在一个码元周期上所占的比例，从而降低噪声干扰。在实现过程中可以采用FFT和IFFT，设计简单，易于硬件实现。然而，这种方法在削弱噪声的同时牺牲了信号传输速率，对通信速率较低的甚低频通信而言应用价值并不大。
3.3 新的非线性处理方法
3.3.1 NONAP
NONAP，全称为“非线性自适应处理器（The non-linear adaptive processor）”，由约翰斯霍普金斯大学应用物理学实验室（JHU/APL）开发。其原理是通过一种非线性变换，使DSSS接收系统中的信号检测达到最优化，达到抑制人为干扰和其它干扰的目的。该技术被认为是在大范围宽带波形情况下都可用于得到增益的最好的信号信道干扰抑制技术。美军将这项技术在甚低频通信领域加以运用，自1991年开始将NONAP配置于美国海军LF/VLF战略通信接收机中，改进了接收机在大气噪声影响下的性能，提高了接收机在严重噪声环境下的信息接收能力。目前该技术已成为美海军战略潜艇通信系统关键技术手段之一。
3.3.2 自适应滤波
甚低频通信信道具有时变特性，这无疑给信号去噪带来了困难。相比其它技术而言，灵活性较强是自适应滤波的显著特征。自适应滤波利用数字信号处理技术，能够根据输入信号的变化自动调整内置滤波器的特性，通过调整参数使滤波器保持最佳状态。具体实现过程需要调用自适应滤波算法，通过调整滤波器加权系数来实现。现有研究采用的算法包括最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法、基于QR分解的RLS算法等，不过研究仅限于理论分析、计算机仿真层面，仿真结果表明，与削波、限幅等传统方法相比，采用自适应滤波方法对脉冲噪声的抑制效果更好，脉冲强度大、频率高时效果更为明显。
3.3.3 过高斯化处理
在各种非线性变换方法中，高斯化处理与局部最优检测处理较为常用，两种方法的理论推导可基于噪声概率密度函数（probability density function，PDF）得到。然而，实际应用中噪声的PDF表达式往往难以得到，导致局部最优检测难以实际采用，而高斯化处理与局部最优检测存在较大差距。过高斯化处理针对传统高斯化处理存在的信号检测问题进行优化，改进了非线性变换函数，能够对大模值样本点进行有效抑制，克服了高斯化处理的缺点，并且保持了高斯化处理对小模值样本点的近似線性处理。结论表明，这种方法具有优良的非高斯噪声抑制能力[8]。
4 结语
本文介绍了甚低频通信的特点、甚低频信号在不同介质中的传播特性，分析了大气噪声对甚低频通信的影响，并对比了传统及现有的几类大气噪声抑制方法的优缺点。通过比较研究，认为削波（限幅）等传统方法已难以适应现代甚低频通信系统的需要，而现有的抑制大气噪声技术，特别水是自适应滤波、过高斯化处理等多基于仿真结果，并没有经过实测数据的验证。总之，在今后的进一步研究中，应当着重考虑对现有技术进行优化，以及实现有关技术的实际应用。
参考文献
[1] 刘翠海，温东，史伟.潜艇通信[M].海潮出版社，2013年1月第一版.
[2] 付贞，温东，孙晓磊.削波后的甚低频大气噪声中的通信接收性能[J].电讯技术，2010（01）：57-60.
[3] 袁翊.超低频和极低频电磁波的传播及噪声[M].国防工业出版社，2011.6.
[4] 靳致文.VLF/SLF波传播及其在对潜通信与导航中的应用[J].装备环境工程，2008，05（2）.
[5] 施意，张爽，张昕.大气噪声对甚低频通信系统干扰仿真分析[J].通信技术，2013，46（9）.
[6] 杨振勇.刘勇.低频段大气噪声及处理技术[J].舰船科学技术，2008.（11）：85-88.
[7] 付天晖，苏敏，王永斌.长波通信中的噪声处理方法研究[J].计算机与数字工程，2013，41（2）：171-172+181.
[8] 罗忠涛，卢鹏，张杨勇，张刚.大气噪声幅度分布与抑制处理分析[J].系统工程与电子技术，2018，40（07）：1443-1448.
Deterrence and Suppression of Atmospheric Noise in Very Low Frequency（VLF）Communication
WANG Bo-song，WEN Dong，LIU Cui-hai
（Navy Submarine Academy， Qingdao Shandong 266100）
Abstract：Very low frequency （VLF） communication is widely used in underwater communication，especially for submarine communication， because of its long transmission distance， stable signal and strong ability to penetrate sea water. However， the signal is vulnerable to atmospheric noise. This paper briefly introduces the influence of atmospheric noise on VLF communication， and analyses and compares the different methods that can be used to suppress atmospheric noise.
Key words：very low frequency（VLF）; atmospheric noise;submarine communication