基于模拟正交矢量锁定放大的SNMR信号采集系统

第27卷第4期

2009年7月吉林大学学报(信息科学版) Jou rna l of Jili n U n i versity (Info r m ati on Sc i ence Editi on) V o. l 27 N o . 4July 2009文章编号:1671-5896(2009) 04-0335-06

基于模拟正交矢量锁定放大的SN MR 信号采集系统

李晓明, 段清明, 王晓光

c . 公共计算机教学与研究中心, 长春130061) a , b a , b c (吉林大学a . 仪器科学与电气工程学院; b. 地球信息探测仪器教育部重点实验室;

摘要:为了对地下水信息进行反演, 确定地下水水量、地层结构等信息, 根据乘法型正交矢量锁定放大器的

基本原理, 设计了基于模拟正交矢量锁定放大的SNM R (Surface N uclear M agnetic R esonance) 信号采集系统。

系统利用CPLD (Co m plex P rog ramm ab le Log ic D ev ice) 和D /A转换器, 使地下水核磁共振信号和参考信号相

乘, 实现信号正交功能, 提取出自由感应衰减(F ID:F ree Inducti on D ecay) 信号, 获得地面核磁共振找水探

测的各关键参数。模拟正交法软硬件设计简单, 进一步改善了信噪比。该地面核磁共振找水仪采集系统在探

寻地下水源中已得到验证, 采样频率可根据各地L a m or 频率的不同在250~1000H z 范围内进行程控调整。

关键词:正交矢量; 锁定放大器; 自由感应衰减信号; 地面核磁共振

中图分类号:TM 93文献标识码:A

D esi gn o f S NMR F ID S i gna l Co ll ecti on Syste m Based on

A nal og O rthogona lV ector Lock -i n Am plifi er

LI X iao -m ing , DUAN Q ing -m i n g , WANG X iao -guang

(a . College of I n strum entation and E lectri calEng i neeri ng ;

b. Key Laboratory ofG eo -Exp l oration and Ins tru m en tati on of Educati on M i n istry ;

c . C en t er of Co m puter Fanda m en t a lEducati on, Jili n U n i vers it y , Ch angc hun 130061, Ch i na) a , b a , b c

Abst ract :In order to i n verse to obta i n undergeound w ater i n for m ati o n, deter m i n e quantity o f groundw ater and structure infor m ation of strat u m, according to mu lti p licative orthogonal vector l o ck -i n a m plifier pri n ciple , SNMR (Surface Nuc learM agnetic Resonance) si g na l co llecti o n syste m based on ana log orthogona l vector l o ck -i n a mp l-i fier has been desi g ned . T aking advantage of CPLD (Co m plex Progra mm able Log ic Dev ice) and D /Aconverter , SNMR si g na l and re ference si g na lm ultiplies to achieve signal orthogonal functions . The free induction decay FI D (Free I nduction Decay) si g na l is extracted and t h en the w ater para m eters of S NM R detecti n g are ob tained . The hardw are and so ft w are of the ana l o g orthogonalm e t h od are si m p le and the SNR (Signa-l to -N oise R atio) is ad -vanced . A fter field tests , the SNMR FI D signal co llection syste m usi n g the analog orthogonal is tested in the practice detecti n g groundw ater . Accord i n g to different La m or frequency , sa m pli n g frequency can be adjusted at 250~1000H z by progra mm ing .

K ey w ords :o rthogona l vecto r ; lock -in a mp lifier ; free i n duction decay (FI D ); surface nuclear m agnetic reso -

nance (SNMR)

收稿日期:2009-03-16

基金项目: 十一五国家科技支撑计划基金资助项目(2006BAK03A23); 吉林省科技支撑计划基金资助项目(20080338)

作者简介:李晓明(1984 ), 男, 山西平遥人, 吉林大学硕士研究生, 主要从事电磁测量与计算机控制技术研究, (T el) 86-

[1**********](E-m ail) lx m251@163 com; 段清明(1966 ), 男, 河南洛阳人, 吉林大学教授, 硕士生导师, 主要从

事地球探测技术和地面核磁共振找水技术研究, (Tel) 86-431-88502419-605(E-m ail) duanqm@jl u edu cn 。

336吉林大学学报(信息科学版) 第27卷引言

地面核磁共振(SNMR :Surface Nuclear M agne tic Resonance) 找水技术是当今物探领域寻找地下水源最先进、最直接的探测技术, 核磁共振找水方法和仪器已在世界各地得到广泛应用[1, 2]

[3]。目前, 地面核磁共振找水方法是利用水中氢质子被外磁场激发产生的核磁共振现象及核弛豫特征获取地下水信

息的方法。获取地面核磁共振信号实际上是获取其包络信号, 称为自由感应衰减信号(FI D :Free I n -ducti o n Decay)

信息[5][4]。根据FI D 信号包含的参数, 对地下水信息进行反演, 确定地下蓄水量、地层结构等, 以指导工程实践。

笔者采用一种模拟正交矢量锁定放大器技术, 利用复杂可编程逻辑器件(CPLD :Co m plex Prog ra m-m ab le Log ic Dev ice) 和数/模转换器(D /A转换器) 构成模拟乘法型相敏检测器, 针对地面核磁共振信号频率单一的特点, 采用特定的采样频率, 实现了正交检测信号包络功能, 并改善了信噪比。1 SN MR 信号及其特征参数

地面核磁共振信号如图1中曲线b 所示, 可表示为

E (t) =E 0-

其中E 0为SNMR 信号初始振幅, 0为La m or 角

频率, T 2为驰豫时间, 为SNMR 信号初始相

位, 是天线中激发电流与测量的衰减电压之间

的相位移。

SNMR 信号的E 0, T 2和初始相位反映地

下含水层水量的大小、地下物性界面的起伏情

况、地下介质的渗透性以及出水量大小的估

计[6, 7]**T

2cos ( t+ ) 0(1) 。故准确提取核磁共振信号的上述3个参

图1 SNMR 信号时序图

Fig 1SNMR si g nal ti m i n g diagra m 数在地面核磁共振找水探测中具有重要意义。2 FI D 信号提取原理

2 1 正交矢量型锁定放大器

信号的幅度按低频调制信号变化

, 如果把高频调幅信号的峰点连接起来, 可得到与低频调制信号相对应的曲线, 即信号的包络线。正交矢量型锁定放大器是检测微弱信号包络曲线最常用的方法原理框图如图2所示。[8], 其

图2 正交矢量锁定放大器

F ig 2O rthogona l vector l o ck-i n a m plifier

正交矢量型锁定放大器的基本构成包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD :Phase Sensitive Dev ice) 和低通滤波器(LPF :Lo w Pass Filter) [9]。,

第4期李晓明, 等:基于模拟正交矢量锁定放大的S NM R 信号采集系统337频率与被测信号相等。系统中选用与SNMR 信号同频率而相位相差90 的两路正弦波。常用的相敏检测器有模拟乘法式和电子开关式, 系统采用模拟乘法式。锁定放大器改善信噪比的作用主要由LPF 实现。LPF 的时间常数越大, 锁定放大器的通频带宽度越窄, 抑制噪声的能力越强。即使LPF 的拐点频率很低, 其频率特性仍然能保持稳定, 这是利用LPF 实现窄带化的优点[10, 11]。

2 2 地面核磁共振找水F I D 信号的检测

由于核磁共振找水测量根据地磁场大小可计算地面核磁共振找水信号的La m or 频率f 0, 同时该信号是单频信号, 故可用正交矢量方法检测提取其包络曲线[12]

E FI D (t) =E 0-

最终获得SNMR 信号参数。

设SNM R 信号经过信号通道后为

Z (t) =E 0-

其中n (t) 为噪声。两路正弦波分别为T 2T *2(2) cos ( t + ) +n (t) 0(3)

U s (t) =sin ( 1t)

U c (t) =cos ( 1t)

= 0- 1=2 f 为角频率差, f 为频率差。

经过PSD 实现信号相乘

Z (t)U c (t) =E 0-t

T *

2(4) (5) cos ( 0t + ) co s ( 1t) +n (t) cos ( 1t) =

(6) E t+ ) +E 0-cos [( 0+ 1) t + ]+n(t) cos ( 1t) 0-cos ( 22T 2T 2

Z (t) U s (t) =E 0-

-T *2cos ( 0t + ) sin ( 1t) +n(t) sin ( 1t) =sin [( 0+ 1) t + ]+n (t) si n ( 1t) (7) E 0-*sin ( t + ) +0-*22T 2T 2

再经过LPF, 滤除高频部分, 得到

I (t) =1t E 0exp (-*) cos ( t+ ) 2T 2

sin ( t + ) (8) (9) Q (t) =-E 0-2T 2对I (t), Q (t) 进行计算

ln 4I (t) +4Q (t) =ln E 0-

-= t + I (t) T *2(10) (11)

经过数据拟合即可获得SNMR 信号的E 0, T 2, 等参数。*

3 仿真

设SNMR 信号的E 0=200mV, f 0=2300H z , = /3, T 2=100m s 。用M atlab 对FI D 信号检测过程进行仿真, 仿真分两部分进行。

1) 产生标准的SNMR 信号, 仿真波形图如图3a 所示。用频率为2300H z 的参考正弦信号正交后提取FI D 信号, 仿真波形如图3b 所示。由图3可以看出, 模拟正交方法可以有效地提取FI D 信号。

2) 产生含有高斯白噪声(信噪比R S NR =P (s) =0 6) 的SNMR 信号, 仿真波形如图4a 所示。采() *

338吉林大学学报(信息科学版) 第27卷用频率为2290H z 的参考正弦信号正交后提取FI D 信号, 仿真波形如图4b 所示。由图4可以看出, 模拟正交方法可以很好地改善信噪比, 并允许参考信号和被测信号有一定的频率偏差。两部分仿真经过数据拟合获取关键参数, 其结果如表1

所示。

a 不含噪声的S NM R 信号b 参考信号频率为2300H z 时提取的F ID 信号

图3 仿真结果1

Fig 3S i m ulation resu lts No 1

a 含噪声的SNM R 信号b 参考信号频率为2290H z 时提取的F ID 信号

图4 仿真结果2

Fig 4S i m ulation resu lts No 2

表1 拟合结果

Tab 1F itti n g results

参数

设定值

仿真结果121

2E 0/mV [1**********]6 7T *2/m s [1**********]2 /( ) 60606061 9 f /H z 01009 985

仿真验证了模拟正交方法可以准确地提取信号的特征参数, 并能进一步提高信噪比。模拟正交方法允许参考信号和被测信号的频率偏差在10H z

以内。

4 电路实现

4 1 模拟乘法型相敏检测器的实现

PSD 是系统中的重要部分, 也是电路设计中较为复杂的部分。

在系统中, 选用CPLD 和乘法型D /A转换器构成模拟乘法型相敏

检测器。乘法型D /A转换器有数字输入、参考电压输入和模拟输

出, 其工作原理如图5所示。D /A转换器的输出为V OUT =D I N

V REF 。2图5 D /A转换器工作原理F i g 5W ork i n g princ i p le of D /Aconverter

用CPLD 产生正弦波的数字量输入D /A转换器的数字输入端, 将放大后的SNMR 信号输入D /A转, ,

第4期李晓明, 等:基于模拟正交矢量锁定放大的S NM R 信号采集系统339号的产生以及与SNMR 信号的相乘。CPLD 产生的正弦波信号频率可由上位机进行编程调整, 以适应各地不同的La m or 频率。

4 2 采集系统整体实现

采集系统组成框图如图6所示, 整个系统由单片机控制, 通过485通讯芯片由上位机进行操作。信号通过相敏检测器后, 在CPLD 产生的采样时序控制下, 通过采集电路进行采集, 采集到的I Q 数据经过单片机送到上位机进行处理。采集系统采用1/4倍La m or 频率的采样率, 以最少的数据量, 提取了核磁共振FI D 信号及其他地下水信息参数[13, 14],

从而提高了仪器测量速度。

图6 采集系统组成框图

Fig 6B lock diagra m of collection syste m

5 野外试验

利用该采集系统设计的核磁共振找水仪在长春郊区进行了大量的野外试验, 并取得了良好的效果。

[15]图7为发射电流为28A 时, 叠加32次测得的信号噪声波形。信号叠加是为了消除随机噪声, 提高

信噪比。

图7 野外实测结果

F i g 7Test resu lts of field

图7中实线为测得的地面核磁共振找水FI D 信号, 虚线为噪声波形。测得:E 0=307mV, T 2=212m s 。可见, 该采集系统可以很好地采集地面核磁共振找水FI D 信号。*

6 结语,

340吉林大学学报(信息科学版) 第27卷器, 利用CPLD 和D /A转换器成功地实现了乘法型相敏检波器的功能。采集系统适合对核磁共振找水信号等单频信号的包络提取, 其软硬件实现简便, 压制噪声效果好。经野外试验验证, 该采集系统能有效地采集地面核磁共振找水FI D 信号, 并提取其中的关键参数。但它只适合于地面核磁共振等已知信号频率的包络检测, 对信号频率未知, 信号频率成分复杂, 信噪比较小、包络衰减较快的信号包络检测还需进一步研究。

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(责任编辑:何桂华)