核磁共振超前探测低矩形系数程控滤波器设计.pdf

d o i 1 0 ． 1 6 1 5 7 ／ j ． c n k i ． 0 2 5 8 - 7 9 9 8 ． 2 0 1 4 0 8 2 2 0 3 0 6 7 核磁共振超前探测低矩形系数程控滤波器设计 术 王应 吉 ， 马 中凯 ， 张涛 吉林 大 学 仪 器科 学 与 电气工程 学院 地 球 信 息探 测仪器 教 育部 重 点实验 室 ， 吉林 长春 1 3 0 0 6 1 摘要 核 磁 共振 N MR 找 水仪 器研 制 成 功后 ， 已经 广 泛 应 用 。但 是 由 于隧 道 环 境 条 件 恶 劣 ， 干扰 噪 声复 杂 ， 对 信 号 采 集 造 成 较 大 干扰 。借 鉴 了参 差 滤 波 器 的设 计 思路 ， 利 用 开 关 电容 结 合 高精 度 数 控 电位 器 ， 设 计 了一 款 中心 频 率 和 带 宽 均 可精 细程 控 的 窄 带 滤 波 器 。实现 了滤波 器 Q值 的精 细调 节 ， 其 矩 形 系数 小 ， 选 择 性 好 ， 检 测 弱 信 号 能 力 强 ， 可 灵 活调 整， 已成功 应 用 到核 磁 共 振 隧道 超 前 探 测科 研 样 机 中 。 关 键 词 核 磁 共振 ； 滤 波 器 ； 低 矩 形 系数 ； 频 率 连 续 可调 ； Q值 中图分 类号 T H7 6 3 ． 1 文 献标识 码 A 文章编 号 0 2 5 8 7 9 9 8 f 2 0 1 5 0 l 一 0 0 6 8 0 3 De s i g n o f l o w r e c t a n g l e c o e ffi c i e n t a n d p r o g r a m-c o n t r o l l e d n a r r o w-b a n d f i l t e r i n NMR a d v a n c e d d e t e c t i o n Wa n g Yi n g j i ， Ma Z h o n g k a i ， Z h a n g T a o L a b ． o f G e o - E x p l o r a t i o n a n d I n s t r u m e n t a t i o n Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n o f C h i n a ，C o l l e g e o f I n s t r u m e n t a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， J i l i n U n i v m i t y， C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 1 ， C h i n a A b s t r a c t N u c l e a r Ma g n e t i c R e s o n a n c e N MRw a t e r s e k i n g i n s t r u me n t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d a n d w i d e l y a p p l i e d ． P o w e r fie q u e n c y a n d i t s h a r mo n i c e q u e n c y a p p e a r i n NMR s i g n a l e q u e n c y r a n g e ，wh i c h c a u s e s l a r g e r i n t e r f e r e n c e i n s i g n a l a c q n i s i t i o n ．R e f e r e n c i n g t o t h e d e s i g n t r a i n o f j a g g e d fi l t e r ，u s i n g c o mb i n a t i o n o f s w i t c h c a p a c i t a n c e a n d h i g h p r e c i s i o n n u m e r i c a l I n t r o l p o t e n t i o me t e r ， a n a r r o w b a n d fi l t e r i s d e s i g n e d， wh o s e c e n t e r e q u e n c y a n d b a n d w i d t h a r e c o n t r o l l a b l e ．I t S e f f e c t i v e i n r e d u c i n g t h e r e c t a n g u l a r c o e ffic i e n t o f t h e fi l t e r ，a n d i m p l e me n t s t h e c o n t i n u o u s a d j u s t m e n t s o f Q v a l u e ．T h e N MR a m p l i fi e r h a s g o o d s e l e c t i v i t y ，s t r o n g a b i l i t y t o d e t e c t w e a k s i g n a l a n d c a n b e a d j u s t e d fl e x i b l y ，fi n e l y a n d i n t e l l i g e n t l y ． K e y wo r d s N MR； fi l t e r ； l o w r e c t a n g u l a r c o e ffic i e n t ； e q u e n c y c o n t i n u o u s a d j u s t a b l e ； Q v a l u e 0 引 言 应 用 核 磁 共 振 探 测技 术 探 测 地 下 水 是 核 磁 共 振 技 术应用 的新 领域 ， 开创 了应 用地 球物 理方 法 直接探 测 地 下 水的先河 I I 。核 磁共 振是 指 当射频磁 场 的频率 满 足一 定 条件 时 ， 原 子核 系统 中 的核子 在稳 定磁 场 和射 频磁 场 的共 同作 用下 形成宏 观 磁矩 ， 用 线 圈拾取 宏 观磁 矩进 动 产生 的 电磁信 号 以探 测 水的存 在[ 2 1 。隧道 涌水超 前探 测 是核 磁共 振技 术超 前探 测 的新应 用 领域 ， 进 行 隧道 涌 水 探 测 时 ， 线 圈 面 向 探 测 方 向 进 行 铺 设 ， 线 圈 中 通 入 电 流 从 而 在水 体 位 置形 成激 发 场 ，水 中氢 质 子 产 生能 级 跃 迁 ， 接收 线 圈接 收信 号1 3 - 7 】 。 由于隧 道环 境条 件恶 劣 ， 干 扰 噪 声 复杂 ， 为提 高 核磁 共 振 隧道 探 测 信 噪 比 ， 需 要滤 基 金 项 目 圜家 重大 科 学 仪 器设 备 开发 专项 2 0 1 1 YQO 3 0 1 3 3 ； 科 技 部 科 技 创 新 工 作 方 法 项 臼 3 B8 1 0 Z 9 5 0 5 3 7 6 8 欢 迎 网上 投 稿 www． Ch i n a AET． c o m 波 器 有 更 好 的 矢 巨 形 系 数 ， 大 大 提 高 电 路 的 选 择 性 。 1设 计 原 理 参 差调 谐 放大 器具 有频 带 宽 、矩 形系 数 小 的优 点 。 对 于 n级参 差滤 波 电路 ， 其增益 表达 式 为 s n 1 1 s s ． 山 ‘ 式 中 ， 日 为 单级 滤 波节 的增 益 ， 为 单级 滤 波节 的角 频 率 ， p 为单 级滤 波节 的品 质 因数 。 极 点 表 达 式 S i S 。 一 券 ∈ [ 1 ， 州 2 若 5 ， 5 ⋯S 分布 在 以 6 0 。 为 圆心 的左 半 圆上 ，且 各 个 极点 为正 2 n边形 的顶 点 ， 该 圆半 径 为 r ， 与 j 轴 交 于 电子技 术应 用2 0 1 5 年 第4 1 卷 第 1 期 潮 豳豳 截 止 频率 ∞ n和 如 图 1所 示 ， 当 ￡ o时有 最 大平 坦 响 应 【 】 j w。 I I H ‘ Ⅳz ⋯ 日 1 ． 3 l ● H 1 r I ／ ＼ ．、． ＼ 一 ● - 铀 B w0 l t r_ ～ 图 1 g t 级 参 差 滤 波 电路 极 点 图 由上面 n级参差滤波 器极点 的几 何关系 ， 根据所需要 的中心频率 和带 宽 B W 就可 得到所需设置 的各个滤 波 节 的参数 ， 五参 差时各个滤波节应设定 的频率和带宽l 9 l 一 BW c o s 1 8。 i 一Bw c o s 5 4。 Bw ‘ c o s 5 4。 BW 。 c o s 1 8。 f B w1 B W c o s l 8 。 I B W2 B W c o s l 8 。 I { BW0 BW I B W B W c o s 5 4。 B W B W c o s l 8 。 4 5 2 总 体 方 案 设 计 本设 计 中滤 波器 采用 5级滤 波节 设计 。每个 滤波 节 均 为可分 别 程序控 制 中心频 率 及带 宽 和 固定放 大倍 数 ， 分 别配 置参 数可 实现 降低矩 形 系数 的 目的 。 2． 1 硬 件 设 计 系 统 硬 件 采 用 4 3 0芯 片结 合 C P L D 的控 制 方 案 ， 如 图 2所示 。信 号输 入 经过 输入 缓 冲器 后 ， 依 次通 过 5级 滤波 ， 然 后经 过 后级放 大 后输 出 。 控 制器 为 4 3 0芯 片 ， 通 信接 口为 P L 2 3 0 3芯 片 ， 时 钟发 生 单元 是 C P L D。当控 制 器 接 收 到上 位 机 数据 后 ，对 滤波 器 带 宽 和增 益 进 行 设 置 ， 同 时 设 置 时 钟 发 生 单 元 。 滤 波 节 均 采 用 双 二 阶 半 程 信 号 输 入 滤 器 滤 H 滤 警 器 H滤 警 器 H滤 警 器 输入 缓冲 控制器 ‘ -r ‘一 通倍接I ] 上位机 时钟 发生单元 后级 放大 图 2 硬 件 系 统框 图 电子技 术 应 用 2 0 1 5 年 第4 1 卷 第 1 期 信 号 输 出 至 A ／ D 采 集 控开关 电容滤 波器结 合数 控 电位计 ， 通过 程控 数控 电 位 计来 实现 中心频 率 、 Q值和放 大倍 数 的精 细程 控 。 2． 2 软 件 设 计 软件设计 包括 三个部分 时钟信 号部分 的软件设 计 、 下位单片机 的软件设计 、 上位机 的软 件设 计 。上位机完成 各个滤波 节的 中心频率 和带 宽计算 ，然后 采用全 双工 异 步 串行通信 方式 ， 将所 需的设置数据 给下位机 。下位机 接 收到设 置数据后 ，将 数据转 换为各 个硬件 模块需 要 的数 据格式 并依次将 其写入 到硬件模块 中。时钟信 号部分 采 用 C P L D产 生 ， 运用模 块化 的设计方 法 ， 接 收从下 位机 控 制器发来 的控制信号 ， 产生 5路频率 可程控 的方波 。 3 实 测 结 果 3 ． 1 系统 单 独 测 试 图 3为 程 控 窄 带 滤 波 系 统 的 频 率 特 性 测 试 图 ， 测 试 仪器 为安 捷 伦 E 5 0 6 1 B网络 分析 仪 。 图 3 f a 为 设置 中心 频率 为 1 6 0 0 H z 、 带 宽 为 4 0 H z； 图 3 f b 为设 置 中心频 率 为 2 6 0 0 Hz 、 带 宽为 1 0 0 Hz ； 4种 设 置状态 滤 波器 的矩 形 系数 均小 于 2 ． 0， 且通 带 内较平 坦 。 a 中心 频 率 1 6 0 0 t t z ， 带 宽 4 0 Hz 啊T ， R L o g I l a g l O O 0 d i l l R o t 0 ． 0 0 0 d B b 中 心 频 率 2 6 0 0 Hz ， 带 宽 1 0 0 Hz 图 3 频 率特 性 测 试 图 由于核磁共振 找水仪器 的采集 器常用带 宽为 1 0 0 H z ， 故 将 中心 频 率 从 1 ． 1 k Hz ～ 2 ． 6 k Hz步 进 2 0 Hz ，带 宽 为 1 0 0 H z的状态 全部 测 出绘 制 出如 图 4曲线 ， 可 以看 出随 着 设 置 中 心 频 率 的 增 加 ， 矩 形 系 数 可 以 稳 定 保 持 在 1 ． 7， 滤 波 器 增 益 有 最 大 约 3 4 ． 8 d B 的 波 动 ， 实 际 带 宽 能 保持最 大3 Hz的误差 ， 此 参数 水平完 全达 到设 计要求 。 3． 2 整 机 测 试 图 5是 2 0 1 4年 7月 4日在吉林 省 长春市 文化 广场 ， 利 用核 磁 同步信 号 源 和环 境 噪 声进 行 的 整 机测 试 和 对 比。参数设定 NMR信号频率 2 3 6 3 Hz ， 设 置带宽 1 0 0 H z ， 测量 叠加 l 6次 ， 测量 天线 为 1 2 I n X1 2 IT I的 4匝天线 ， 主 69 邈 豳进 竺 3 6 3 5 ． 5 3 s ∞ 墨3 4 鍪 3 4 3 3 _ 5 3 3 l l 0 0 l 6 0 0 2l 0 0 2 6 0 0 颁牢倒z 图 4 程 控 参 差窄 带 滤 波 器矩 形 系数 、 增 益 j 频 簪父 系 环 境 啭 } ， 手 图 5整 机 测 试 要 干扰 为工 频谐 波 。 图 6为参差 窄带 滤波 器使 用前后 数 据 对 比图 ， 上半 图为 时域采 集 图 ， 下 半 图为频 域图 。 点 曲 线 和 实 曲线 为 两次 信号 采 集 ， 虚 曲线 为 噪声 采 集 ， 最 中 间波 峰为 NMR信号 成分 。 l 0 智5 孥 4 毫 耋2 馨 采集 时 I“ W m s 频率／ H z a 朱 使 用 参 羞 窄带 滤 波 器 采 回 的数 据 曲 线 及 频谱 图 来壤 时[llJ ／ h i s 蛳 一 ／ 1 t z f b 使 用 参差 窄 带 滤 波 器 采 酗的 数 据 曲线 频 谱图 图 6 参差 窄 带 滤 波 器使 用 前 后 数 据 对 比 从 图 6中可 以 明显看 到 ，采 用参 差 窄带 滤 波器 ， 通 带 外 噪声 基本 被 压 制干 净 ， 带 内噪 声小 于 信 号 ； 而 未 采 用 参 差 窄 带 滤 波 器 ， 通 带 外 的 噪 声 依 然 存 在 并 较 强 ， 带 内 噪声 强 于信号 。参 差滤 波器通 带外 抑制 效果 十分 优秀 。 3 ． 3 野 外 实 测 实 验 组 于 2 0 1 4年 8月 4 日于 吉 林 省 长 春 市 农 安 县 烧锅 镇采 用本 窄带 滤波 器进 行野 外实 测 ， 实 验地 拉摩 尔 频 率为 2 3 2 6 Hz ， 实 验 中发射 线 圈为 4 rex 4 Il l 线 圈共 1 2 匝 ， 接 收线 圈为 4 mx 4 I l l 线 圈共 4 5匝 ， 窄带 滤波 器设 置 中心频 率 2 3 2 6 H z ， 设 置 带宽 1 0 0 Hz ， 激 发 电 流 2 4 ． 9 4 A 时 成 功 获取 N MR信 号 ， 右 f 9 1IJ 波 峰 为 N MR信 号 ， 左 侧 波 峰 为 环境 干扰 频 率 成分 ， 参 羞 滤波 系 统工 作 正 常 ， 达 到 实 验 目的 ， 图 7为 实测 数 据 ， 其 中虚 曲线 为不 发射 激 发 7 0 欢 迎 网 上 投 稿 www． Ch i n a AET． c o m { 盥 图 7 野 外 实测 数 据 曲线 及 频 谱 电流 的 采噪 声 ， 点 曲线 和实 曲线 为发射 激 发 电流 的连 续 两次 采集结 果 4 结 论 由 于 核 磁 共 振 隧 道 超 前 探 测 系 统 灵 敏 度 很 高 ， 【] J 检 测 到 的信号 为纳 伏级 但 隧道环 境 条件 恶 劣 ， r扰 噪声 复杂 ，工频 谐 波 频率 会 出现 在 梭 磁共 振 信 号频 率范 内 ， 对 信号 采集 造成 很大 干扰 。本 设 计的窄 带 滤波 器 中 心频 率 和带 宽均 可 精 细程 控 ， 矩形 系 数 小 ， 选 择 性 _卜分 好 ， 有很 强 的弱 信号 检测 能 力 ， 具 备调 整的 功能 ， 现 已 成 功 应 用 到 核 磁 共 振 隧 道 超 前 探 测 科 研 样 机 巾 ， 参 考 文 献 【 1 ]潘 玉玲 ， 张 吕达 ． 地 面核 磁 共振 找水 理论 和 法[ M1 ． 北 京 中 国地 质 大学 ⋯版 社 ， 2 0 0 0 ． f 2 】林 君 ． 核磁 共 振找 水技 术 的研 究现 状 发 展趋 势 【 J 】 ． 地 球 物 理 学 进 展 ， 2 0 1 0， 2 5 2 6 8 1 6 9 1 ． [ 3 】林 君 ， 段 清 明 ， 应 吉 ． 中 乏 磁 共 振 找 水 仪 与 庸 用f M I ． 北 京 科 技 版社 ， 2 0 1 1 ． 1 4 ]翁 爱华 ， 李舟 波 ， 王 秋 ． 层 状 导电介 质 中地 而 核 磁 共 振 响 应 特 征 理论 研 究[ J 】 ． 地球 物理 学 报 ， 2 0 0 4， 4 7 】 1 5 6 1 6 3． [ 5 1翁 爱华 ， 李 舟波 ， 王雪 秋 ． 地 表 大 回线 源 在 汗 意层 状 介 质 中产 生 磁 场 的计 算 f J 1 ． 物 探 化探 汁算 技 术 ． 2 0 0 0， 2 2 3 2 452 49． [ 6 】戴 苗 ． 地 面核 磁 共 振 找水 正 反 演 研究 [ D] ． 武 汉 中 吲 地 质 大 学 ， 2 0 0 8 ． 『 7 1王 吉 ， 赵 越 ， 林 君 ， 等 ． 孩磁 共 振 坑 道水 探 测 中线 圈 激 发 场研 究 [ J 1 ． 地 球 物 理学 进 展 ， 2 0 1 3， 2 8 1 4 6 9 4 7 3 ． 『 8 1邱 东 明． 多级 参差 凋谐 放火 器 巴持 沃兹 响应 的 极零 图设 汁[ J ] ． 电讯 技 术 ， 1 9 8 6 ． [ 9 ]卢 容 德 ， 易 国华 ． _仃源 参差 带 通 滤 波器 设 计 卜 f J 1 ． k江大 学 学 报 自 科 版 ， 2 0 0 5 1 ． 0 ]王春 民 ， 刘 兴 明 ， 嵇 艳 鞠． 连续 与离 散 控 制 系统 [ M J ． 北 京 科 技 出 版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 1 1 ]王树 本 ， 卢冠 华． 高频 电子 线路 原 理[ M] ． 大 连 大连 理工 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 8． f 收 稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 2 作 者 简 介 王 应 吉 1 9 5 6 一 ， 男 ， 教 授 ， 主 要 研 究 方 向 地 球 物 理 探 测 技 术 。 马 中 凯 1 9 8 9 一 ， 男 ， 硕 t． 主 要 研 究 方 r 口 J 地 学 电 磁 法 仪 器 。 电子 技 术 应 用2 0 1 5 年 第4 1 卷 第 1 期 数 系 锰 肜 增 矩 形 系 数 一 一 ㈣ ㈣ 。 ㈣㈣㈣ 0 5 3 2 I 薯＼ 晕霉 A u ＼ 善