蔣川東， 王 琦， 閆大偉(. 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長春 3006;. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院， 長春 30000)

0 引 言

地面核磁共振(SNMR)是一種新的地球物理探測方法，廣泛應(yīng)用于地下水探測和災(zāi)害水預(yù)警等領(lǐng)域，但是其信號非常微弱，在進行野外實驗時，易受到工頻諧波噪聲、尖峰噪聲及隨機噪聲等多種電磁噪聲的干擾[1-2]。因此，對實驗區(qū)域進行噪聲的快速預(yù)評估具有十分重要的意義。

目前，法國IRIS公司和吉林大學(xué)均研制了適用于SNMR探測的噪聲采集儀器，但體積過于龐大，攜帶不方便，進行區(qū)域性噪聲測量需消耗大量人力物力[3-5]。同時，上述儀器只能實現(xiàn)電磁噪聲大小的估計，不能對噪聲的成分進行完整的精確分析，無法為區(qū)域性地面核磁共振探測提供最佳測量位置信息。

本文設(shè)計了一套便攜式電磁噪聲采集及分析系統(tǒng)。首先，給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖，并介紹了電磁信號接收傳感器、信號放大模塊、采集模塊及基于LabVIEW軟件的人機交互模塊的設(shè)計方法，實現(xiàn)整個噪聲采集過程的控制、用戶交流界面的設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。其次，基于LabVIEW軟件，完成了噪聲數(shù)據(jù)的直流分量、尖峰噪聲、工頻及其諧波噪聲分析。最后，通過野外實驗，驗證了采集裝置和分析軟件的有效性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要由電磁信號接收傳感器、放大器模塊、采集卡模塊、上位機顯示處理和電源管理模塊五部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，用戶通過平板電腦及LabVIEW軟件實現(xiàn)人機交互功能。電磁信號接收傳感器接收環(huán)境電磁噪聲，首先經(jīng)前置低噪聲放大電路進行放大，放大后的信號送到通頻帶1～3 kHz的高通加低通組成的濾波電路進行選頻；其次信號接入采集卡的輸入通道，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過網(wǎng)口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；最后在上位機利用噪聲分析軟件完成噪聲的評估。整個裝置的供電部分由一塊輸出電壓在12.5～13.2 V的可充電電池提供。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 便攜式噪聲采集裝置設(shè)計

2.1 電磁信號接收傳感器設(shè)計

一方面，為實現(xiàn)裝置的便攜性，用于獲取電磁噪聲的接收線圈需要滿足輕巧、小尺寸等條件，另一方面，線圈接收到信號的大小跟有效面積成線性關(guān)系，因此有效面積越大的線圈，所能接收到的信號就越大。同時，隨著線圈匝數(shù)的增加，分布電容增大，使線圈的截止頻率減小，影響有效信號的接收[6-7]。因此，綜合考慮線圈的易攜帶性及有效面積(不小于100 m2)，且本文利用直徑為0.6m，匝數(shù)為660的圓形線圈作為電磁信號接收傳感器。此時線圈諧振頻率為12.67 kHz，遠大于采集裝置所要求的通頻帶頻率1～3 kHz(中國地區(qū)的地面核磁共振頻率范圍)，所以此線圈可以作為接收傳感器，實現(xiàn)電磁噪聲的接收。

2.2 放大器模塊

由于接收線圈接收到的環(huán)境電磁噪聲是微弱電壓信號，要求前置放大器的等效輸入噪聲足夠低[8-9]，本文采用低噪聲運放模塊LT1028來完成，采用3個LT1028器件并聯(lián)形成前置放大器，并行的方式可以減少單個放大器的電壓噪聲，第4個LT1028器件則用作放大器總增益的調(diào)整，此放大電路增益為100。為了獲取頻率范圍在1～3 kHz之間的噪聲信號，該噪聲采集裝置需要一個選頻電路，來完成通頻帶的選擇。選擇使用2塊LT1885IS器件分別搭建截止頻率在1 kHz的高通濾波電路和截止頻率在3 kHz的低通濾波電路[10-11]。利用動態(tài)信號分析儀測試放大模塊的特性曲線，如圖2所示?？梢缘贸?，通頻帶為1.3～3.1 kHz，當(dāng)頻率為2.0 kHz時，最大增益為1 426倍。

圖2 放大模塊特性曲線

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊及上位機控制

鑒于采集信號動態(tài)范圍為1 μV～10 V，綜合考慮采樣速率、轉(zhuǎn)換精度等因素，本文選用Net0824采集卡。通過設(shè)置平板電腦的IP地址和子網(wǎng)掩碼，使其與采集卡處于同一網(wǎng)段，實現(xiàn)平板電腦與采集卡之間的通信。基于LabVIEW軟件，編寫包含網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、采集參數(shù)設(shè)置、AD的啟動與停止計數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能的G語言程序[12-14]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制，如圖3所示。首先通過LabVIEW設(shè)置IP地址為“192，168，2，202”，服務(wù)器端口設(shè)為“1573”，采樣率選擇52.734 kHz，采集通道選擇通道1，采樣點數(shù)為52 734，即定長采集模式(1 s的數(shù)據(jù))。其次利用順序事件結(jié)構(gòu)編寫AD啟動的過程，設(shè)置服務(wù)器的IP地址和服務(wù)器端口號；發(fā)送AD啟動命令“54 58”，經(jīng)過10 ms的短暫延時進入定長采集模式，采集完成后，經(jīng)過10 ms的短延時，數(shù)據(jù)自動上傳，并實時顯示在前面板，使結(jié)果可視化。最后，將采集到數(shù)據(jù)存入指定路徑。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序框圖

3 噪聲分析軟件設(shè)計

本設(shè)計應(yīng)用LabVIEW軟件完成整個噪聲分析的過程，主要包括對原始噪聲數(shù)據(jù)進行直流分量的去除、尖峰噪聲的提取和分析、工頻及其諧波噪聲的提取和去除及數(shù)據(jù)的分析，界面如圖4所示。

圖4 基于LabVIEW的噪聲采集及分析軟件界面

3.1 尖峰噪聲分析

在除直流分量的基礎(chǔ)上，計算所有噪聲數(shù)據(jù)電壓值的均方差值σ，電壓值大于3σ的為尖峰噪聲。對所有電壓值大于3σ的信號都賦為0，小于3σ的不變，并保持原始數(shù)據(jù)格式，即去除尖峰噪聲[15]。

3.2 工頻諧波噪聲分析

工頻諧波噪聲由高壓輸電線、變壓器和其他電器設(shè)備產(chǎn)生，對測量數(shù)據(jù)的影響最大。對工頻及其諧波噪聲建立模型[16]：

(1)

式中：k為采樣時間;Am為m次諧波分量對應(yīng)的幅度;φm為m次諧波分量對應(yīng)的相位;f0為工頻噪聲頻率;fs為采樣頻率;M≤200。對式(1)正交分解可得：

(2)

式中：

求出αm、βm及工頻噪聲頻率f0，即可得到工頻及其諧波噪聲隨時間變化的函數(shù)Np(k)。上述工頻及其諧波建模和去除的整個過程是通過Matlab軟件編程完成的。本文在去除尖峰噪聲的基礎(chǔ)上，通過LabVIEW軟件的Matlab script腳本節(jié)點調(diào)用Matlab程序文件[17]，完成整個工頻及其諧波噪聲去除的過程，程序框圖如圖5所示。

圖5 工頻諧波噪聲分析程序框圖

4 測試與分析

為了驗證系統(tǒng)的有效性，在實驗室對其進行了測試，結(jié)果如圖6所示，圖6(a)、(b)分別為裝置采集到的噪聲數(shù)據(jù)及對應(yīng)的頻譜，數(shù)據(jù)的均方差σ=468.953 mV。經(jīng)過去直流分量和去尖峰噪聲后，數(shù)據(jù)和頻譜分別如圖6(c)、(d)所示，此時數(shù)據(jù)的均方差σ1=272.919 mV，圖6(e)、(f)為圖6(c)數(shù)據(jù)經(jīng)建模方法去除工頻及其諧波噪聲后數(shù)據(jù)和頻譜，數(shù)據(jù)均方差σ2=178.83 mV?？梢缘贸?，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)噪聲的采集及分析。

本文利用便攜式噪聲采集及分析系統(tǒng)對長春市文化廣場的噪聲進行評估。圖7為實驗地點衛(wèi)星圖，測區(qū)西側(cè)為西民主大街，東側(cè)為東民主大街；左半部分足球場，足球場背面為樹林；中間部分為曠地，曠地背面為地質(zhì)宮；右半部分為籃球場，籃球場背面為油頁巖綜合樓。圖7中紅色區(qū)域為實驗測區(qū)，橫向和縱向均每隔10 m 選取一個測點，得到歸一化后的文化廣場噪聲水平分布情況如圖8(a)所示，可以得出，靠近地質(zhì)宮一側(cè)的噪聲較大，足球場附近噪聲較小。圖8(b)～(d)分別為為尖峰的幅值分布圖，工頻諧波水平及隨機噪聲水平。綜上可以得出，文化廣場區(qū)域，足球場和籃球場南半部分為進行地面核磁共振實驗的最佳地點。

(a) 采集原始數(shù)據(jù)

圖7 實驗區(qū)域衛(wèi)星圖

(a) 原始噪聲水平(b) 尖峰噪聲幅度(c) 工頻諧波水平(d) 隨機噪聲水平

5 結(jié) 語

本文以Net0824采集卡為硬件設(shè)計核心，加入低噪聲高增益選頻放大模塊，結(jié)合網(wǎng)口通信，在LabVIEW軟件的控制下，實現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的高速采集、存儲及分析。系統(tǒng)體積和重量均較小，具有便攜的特點，尤其適合于野外測量環(huán)境，具有較強的應(yīng)用性和推廣性。

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