專利名稱：一種磁場(chǎng)測(cè)量中提取微弱信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量微弱磁場(chǎng)信號(hào)的方法。
背景技術(shù)：
在心臟磁場(chǎng)及腦磁等微弱生物磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，磁場(chǎng)傳感器的輸入信號(hào)為有用的磁場(chǎng)信號(hào)與外界的背景磁場(chǎng)信號(hào)的疊加?？紤]到實(shí)際中有用生物磁場(chǎng)信號(hào)往往遠(yuǎn)小于背景磁場(chǎng)信號(hào)，造成傳感器的輸出信噪比很低，因此造成有用信號(hào)提取非常困難，難以獲得真正有用的信號(hào)。為解決測(cè)量傳感器信噪比低的問題，目前主要采取的技術(shù)手段為兩種。一種為利用磁屏蔽室降低環(huán)境中的背景磁場(chǎng)信號(hào)，從而降低環(huán)境磁場(chǎng)帶來的噪聲；另一種采用梯度計(jì)實(shí)現(xiàn)背景磁場(chǎng)的抵消，方法包括線圈及電子的梯度計(jì)等。第一種手段中，要實(shí)現(xiàn)良好的電磁屏蔽，屏蔽室的造價(jià)非常高，實(shí)施難度也很大，效果不明顯，尤其是生物磁場(chǎng)涵蓋的低頻磁場(chǎng)，是非常難以實(shí)現(xiàn)磁屏蔽的；第二種手段，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)背景磁場(chǎng)的消除，但也有比較大的局限性，主要體現(xiàn)在不具備環(huán)境適用性方面，以最常見的梯度計(jì)線圈為例說明，該方法利用離被測(cè)磁場(chǎng)遠(yuǎn)近不同的線圈(通常在幾個(gè)厘米，依據(jù)測(cè)量信號(hào)的數(shù)量級(jí))獲取磁場(chǎng)信號(hào)，并利用線圈的繞線方式，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電流的相減，以實(shí)現(xiàn)背景磁場(chǎng)的抵消。要注意的是，這種方法的應(yīng)用前提是背景磁場(chǎng)雖然信號(hào)強(qiáng)，但其變化緩慢，其在兩個(gè)線圈的感應(yīng)電流基本一致；而有用磁場(chǎng)雖然信號(hào)弱，但變化相對(duì)快，其在兩個(gè)線圈的感應(yīng)電流差別較大。因此兩個(gè)線圈電流相減后，背景磁場(chǎng)的感應(yīng)電流作為共模信號(hào)會(huì)抵消掉，而有用磁場(chǎng)的電流雖然會(huì)降低，但依舊有較大的量級(jí)，因此整體上信噪比提高很多，便于后續(xù)系統(tǒng)的信號(hào)處理。該技術(shù)可以比較好地提高信噪比，但對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力比較弱，主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)變化的背景磁場(chǎng)，對(duì)環(huán)境突發(fā)的磁場(chǎng)變化(如突發(fā)的大背景磁場(chǎng)干擾)，會(huì)被認(rèn)為是有用信號(hào)進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，從而引起系統(tǒng)飽和或者誤動(dòng)作。這種情況主要反映出梯度計(jì)沒有自適應(yīng)的功能，另外，由于梯度計(jì)本身對(duì)結(jié)構(gòu)要求較高，比如在線圈的一致性等方面，從另外的角度增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度。本發(fā)明從此出發(fā)，提出一種利用參考磁場(chǎng)傳感器和測(cè)量磁場(chǎng)傳感器配合的方法，增加參考傳感器，利用兩種傳感器的搭配，并結(jié)合加權(quán)參數(shù)確定和數(shù)學(xué)運(yùn)算的方法，進(jìn)一步將有用的微弱信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中提取出來，實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量。本發(fā)明方案的基本原理如下，在原有測(cè)量傳感器的基礎(chǔ)上，增加參考傳感器，用于實(shí)現(xiàn)背景磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量，利用有用信號(hào)和噪聲信號(hào)在兩種傳感器的歸一化處理，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將噪聲從測(cè)量信號(hào)中減去，從而提取到有用微弱信號(hào)。參考傳感器的使用與測(cè)量傳感器不同，包括但不限于安裝位置及指標(biāo)等，主要用于獲取背景磁場(chǎng)。對(duì)于磁場(chǎng)傳感器而言，本身無法分辨背景噪聲與有用信號(hào)。因此原有磁場(chǎng)傳感器的輸出中背景噪聲信號(hào)占有很高比例，而有用信號(hào)很弱；而選擇的參考傳感器的輸出同樣是背景信號(hào)占有更高的比例，一般離被測(cè)磁場(chǎng)較遠(yuǎn)，因此其輸出中背景磁場(chǎng)信號(hào)比測(cè)量傳感器分量更高，而有用信號(hào)基本沒有，因此可以認(rèn)為參考傳感器獲取的是背景磁場(chǎng)信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對(duì)測(cè)量微弱信號(hào)時(shí)電磁屏蔽效果差、造價(jià)高或者環(huán)境適應(yīng)性差等問題，發(fā)明一種利用參考磁場(chǎng)傳感器和測(cè)量磁場(chǎng)傳感器配合的方法，有效測(cè)量微弱信號(hào)。技術(shù)方案:一種磁場(chǎng)測(cè)量中提取微弱信號(hào)的方法，包括如下三個(gè)步驟:系統(tǒng)搭建，加權(quán)參數(shù)確定，測(cè)量解算；所述系統(tǒng)搭建步驟用于實(shí)現(xiàn)傳感器的選型與匹配，實(shí)現(xiàn)參考位置傳感器和測(cè)量傳感器的搭配；所述加權(quán)參數(shù)確定步驟用于確定兩種傳感器的噪聲歸一化因子.,利用測(cè)量加數(shù)據(jù)運(yùn)算的方法取得；測(cè)量解算步驟利用歸一化因子Sr和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將噪聲信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中去除，從而提取到有用信號(hào)；所述系統(tǒng)搭建步驟，在常規(guī)的信號(hào)傳感器的基礎(chǔ)上，增加參考傳感器，利用參考位置傳感器獲取到盡可能準(zhǔn)確的背景噪聲磁場(chǎng)信號(hào)，其具體步驟包括:I)測(cè)量環(huán)境確定:盡可能控制在相對(duì)簡(jiǎn)單的電磁環(huán)境中，遠(yuǎn)離變電站、射頻基站等環(huán)境強(qiáng)磁場(chǎng)，保持測(cè)量環(huán)境中的接地可靠性及只讓必備的電子設(shè)備工作等；2)參考傳感器諸要素確定:選取、設(shè)置參考傳感器，使參考傳感器在擺放位置，靈敏度方面等方面符合要求，擺放位置方面，參考傳感器比信號(hào)傳感器離被測(cè)磁場(chǎng)源頭遠(yuǎn)一些，如可控制在幾十厘米左右，這樣微弱的有用磁場(chǎng)信號(hào)可以得到極大的衰減；靈敏度方面，選擇靈敏度更低的參考傳感器，使其輸出中有用信號(hào)很?。灰孕拇判盘?hào)探測(cè)為例，背景磁場(chǎng)為有用磁場(chǎng)信號(hào)的一千倍到I百萬倍之間，因此如采用靈敏度比探測(cè)通道小I千倍的參考傳感器將獲取到較大的背景磁場(chǎng)，而獲取到極低的有用信號(hào)磁場(chǎng)，由此更容易提取到噪聲；3)電信號(hào)測(cè)量點(diǎn)確定:輸出電信號(hào)測(cè)量點(diǎn)的選擇，通常選取在調(diào)理之后且為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換之前的測(cè)量點(diǎn)作為輸出電信號(hào)的測(cè)量點(diǎn)；這是考慮磁場(chǎng)傳感器除了磁電轉(zhuǎn)換外，通常包括電信號(hào)的調(diào)理，信號(hào)調(diào)理方法包括必要的濾波，放大及驅(qū)動(dòng)等，其目的是將原始信號(hào)從電路上處理為需要的信號(hào)，選取這樣的測(cè)量點(diǎn)，是考慮到調(diào)理電路對(duì)系統(tǒng)的影響，在進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換前所有必備的電路處理方法都已實(shí)現(xiàn)，已涵蓋調(diào)理電路的影響因素；所述加權(quán)參數(shù)確定步驟，當(dāng)系統(tǒng)搭建完畢后，需要確定信號(hào)磁場(chǎng)傳感器和參考傳感器的運(yùn)算參數(shù)Br ,具體步驟包括:a)構(gòu)建無待測(cè)信號(hào)磁場(chǎng):在測(cè)量環(huán)境構(gòu)建一個(gè)無待測(cè)信號(hào)的環(huán)境，一般移走測(cè)量信號(hào)源即可；此時(shí)，無論信號(hào)傳感器還是參考傳感器，其獲取的都是背景磁場(chǎng)信號(hào)；b)記錄測(cè)量數(shù)據(jù):記錄下系統(tǒng)搭建過程中的電信號(hào)輸出El和E2，其中El為傳感器的電信號(hào)輸出，E2為參考傳感器的電信號(hào)輸出，對(duì)于磁場(chǎng)測(cè)量傳感器,其輸出電信號(hào)與輸入磁場(chǎng)信號(hào)關(guān)系為E1=Ii1 (Mn+Ms),其中，El為測(cè)量傳感器的電信號(hào)輸出，kl為系統(tǒng)的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Mn為輸入背景磁場(chǎng)，Ms為輸入有用磁場(chǎng)；對(duì)于參考傳感器，其輸出電信號(hào)與輸入磁場(chǎng)信號(hào)關(guān)系同測(cè)量傳感器，表不為E2=k2(M' n+M' s)，其中，E2為參考傳感器的電信號(hào)輸出，k2為系統(tǒng)的磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)，M' n為輸入背景磁場(chǎng)，M' s為輸入有用磁場(chǎng)；當(dāng)無待測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，Ms=M's=0,此時(shí) E1=Ic1Mn, E2=Ii2M' N ；無被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)意味著有用信號(hào)輸出為O,并進(jìn)行歸一化處理,將參考傳感器的輸出E2往測(cè)量磁場(chǎng)傳感器的輸出El上歸一化，并增加系數(shù)ω，則:
E1-ω E2=O,得到GJ=E1ZE2;c)求平均值:多次測(cè)量提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)定測(cè)量次數(shù)為N，求取平均值 :
權(quán)利要求
1.一種磁場(chǎng)測(cè)量中提取微弱信號(hào)的方法，其特征在于，包括如下三個(gè)步驟:系統(tǒng)搭建，加權(quán)參數(shù)確定，測(cè)量解算；所述系統(tǒng)搭建步驟用于實(shí)現(xiàn)傳感器的選型與匹配，實(shí)現(xiàn)參考位置傳感器和測(cè)量傳感器的搭配；所述加權(quán)參數(shù)確定步驟用于確定兩種傳感器的噪聲歸一化因子.，利用測(cè)量加數(shù)據(jù)運(yùn)算的方法取得；測(cè)量解算步驟利用歸一化因子W和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將噪聲信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中去除，從而提取到有用信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提取微弱信號(hào)的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)搭建步驟是在常規(guī)的信號(hào)傳感器的基礎(chǔ)上，增加參考傳感器，利用參考位置傳感器獲取到盡可能準(zhǔn)確的背景噪聲磁場(chǎng)信號(hào)，具體步驟包括: 1)確定測(cè)量環(huán)境，盡可能控制在相對(duì)簡(jiǎn)單的電磁環(huán)境中； 2)參考傳感器諸要素確定:選取、設(shè)置參考傳感器，使參考傳感器比信號(hào)傳感器離被測(cè)磁場(chǎng)源頭遠(yuǎn)一些；選擇靈敏度更低的參考傳感器，使其輸出中有用信號(hào)很??； 3)電信號(hào)測(cè)量點(diǎn)確定:選取在調(diào)理之后且為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換之前的測(cè)量點(diǎn)作為輸出電信號(hào)的測(cè)量點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提取微弱信號(hào)的方法，其特征在于，所述加權(quán)參數(shù)確定步驟是當(dāng)系統(tǒng)搭建完畢后，確定信號(hào)磁場(chǎng)傳感器和參考傳感器的運(yùn)算參數(shù) ,具體步驟包括: a)在測(cè)量環(huán)境構(gòu)建一個(gè)無待測(cè)信號(hào)磁場(chǎng)； b)記錄下系統(tǒng)搭建過程中的電信號(hào)輸出El和E2，其中El為傳感器的電信號(hào)輸出，E2為參考傳感器的電信號(hào)輸出，無被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)意味著有用信號(hào)輸出為O，并進(jìn)行歸一化處理，將參考傳感器的輸出E2往測(cè)量磁場(chǎng)傳感器的輸出El上歸一化,并增加系數(shù)ω，則:E1-ω E2=O,`得到 ω = E1ZE2 ； c)多次測(cè)量提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)定測(cè)量次數(shù)為N，求取平均值 := J_ "V ωο Nfl '
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提取微弱信號(hào)的方法，其特征在于，所述測(cè)量解算步驟是在上述磁場(chǎng)環(huán)境中，將被測(cè)磁場(chǎng)加入，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)傳感器的輸出El和E2;實(shí)際測(cè)量中將兩種傳感器的數(shù)據(jù)取差，其輸出為E = E1- Wli1 = M1 (My + Ms) — mk2(Ms + M's) = ,Ms — mk2Ms k'Ms % 由此，這種方法利用參考傳感器測(cè)量得到的背景噪聲磁場(chǎng)，將有用信號(hào)從測(cè)量傳感器中獲取到，從而提高了信噪比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場(chǎng)測(cè)量中提取微弱信號(hào)的方法，包括如下三個(gè)步驟系統(tǒng)搭建，加權(quán)參數(shù)確定，測(cè)量解算；所述系統(tǒng)搭建步驟用于實(shí)現(xiàn)傳感器的選型與匹配，實(shí)現(xiàn)參考位置傳感器和測(cè)量傳感器的搭配；所述加權(quán)參數(shù)確定步驟用于確定兩種傳感器的噪聲歸一化因子利用測(cè)量加數(shù)據(jù)運(yùn)算的方法取得；測(cè)量解算步驟利用歸一化因子和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將噪聲信號(hào)從測(cè)量信號(hào)中去除，從而提取到有用信號(hào)。本發(fā)明方法不需要額外的測(cè)量?jī)x器和屏蔽措施，克服了直接微弱信號(hào)磁屏蔽效果差、造價(jià)高或者環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷，從測(cè)量數(shù)據(jù)將噪聲信號(hào)去除，提取到微弱信號(hào)，是一種低成本高環(huán)境適應(yīng)性的方案。
文檔編號(hào)G01R33/02GK103149541SQ20131006598
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者蔡希昌, 艾海明, 米旺, 牛輝, 劉翠翠 申請(qǐng)人:北京美爾斯通科技發(fā)展股份有限公司