CN103149541B - 一种磁场测量中提取微弱信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场测量中提取微弱信号的方法，包括如下三个步骤：系统搭建，加权参数确定，测量解算；所述系统搭建步骤用于实现传感器的选型与匹配，实现参考位置传感器和测量传感器的搭配；所述加权参数确定步骤用于确定两种传感器的噪声归一化因子利用测量加数据运算的方法取得；测量解算步骤利用归一化因子和实测数据，将噪声信号从测量信号中去除，从而提取到有用信号。本发明方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，克服了直接微弱信号磁屏蔽效果差、造价高或者环境适应性差等缺陷，从测量数据将噪声信号去除，提取到微弱信号，是一种低成本高环境适应性的方案。

Description

一种磁场测量中提取微弱信号的方法

技术领域

本发明属于磁场测量领域，特别涉及一种测量微弱磁场信号的方法。

背景技术

在心脏磁场及脑磁等微弱生物磁场测量领域，磁场传感器的输入信号为有用的磁场信号与外界的背景磁场信号的叠加。考虑到实际中有用生物磁场信号往往远小于背景磁场信号，造成传感器的输出信噪比很低，因此造成有用信号提取非常困难，难以获得真正有用的信号。

为解决测量传感器信噪比低的问题，目前主要采取的技术手段为两种。一种为利用磁屏蔽室降低环境中的背景磁场信号，从而降低环境磁场带来的噪声；另一种采用梯度计实现背景磁场的抵消，方法包括线圈及电子的梯度计等。第一种手段中，要实现良好的电磁屏蔽，屏蔽室的造价非常高，实施难度也很大，效果不明显，尤其是生物磁场涵盖的低频磁场，是非常难以实现磁屏蔽的；第二种手段，可以实现稳态背景磁场的消除，但也有比较大的局限性，主要体现在不具备环境适用性方面，以最常见的梯度计线圈为例说明，该方法利用离被测磁场远近不同的线圈（通常在几个厘米，依据测量信号的数量级）获取磁场信号，并利用线圈的绕线方式，实现感应电流的相减，以实现背景磁场的抵消。要注意的是，这种方法的应用前提是背景磁场虽然信号强，但其变化缓慢，其在两个线圈的感应电流基本一致；而有用磁场虽然信号弱，但变化相对快，其在两个线圈的感应电流差别较大。因此两个线圈电流相减后，背景磁场的感应电流作为共模信号会抵消掉，而有用磁场的电流虽然会降低，但依旧有较大的量级，因此整体上信噪比提高很多，便于后续系统的信号处理。该技术可以比较好地提高信噪比，但对环境适应能力比较弱，主要针对稳态变化的背景磁场，对环境突发的磁场变化（如突发的大背景磁场干扰），会被认为是有用信号进入后续系统，从而引起系统饱和或者误动作。这种情况主要反映出梯度计没有自适应的功能，另外，由于梯度计本身对结构要求较高，比如在线圈的一致性等方面，从另外的角度增加了系统实现的难度。

本发明从此出发，提出一种利用参考磁场传感器和测量磁场传感器配合的方法，增加参考传感器，利用两种传感器的搭配，并结合加权参数确定和数学运算的方法，进一步将有用的微弱信号从测量信号中提取出来，实现有效测量。

本发明方案的基本原理如下，在原有测量传感器的基础上，增加参考传感器，用于实现背景磁场信号的测量，利用有用信号和噪声信号在两种传感器的归一化处理，通过数学运算将噪声从测量信号中减去，从而提取到有用微弱信号。参考传感器的使用与测量传感器不同，包括但不限于安装位置及指标等，主要用于获取背景磁场。对于磁场传感器而言，本身无法分辨背景噪声与有用信号。因此原有磁场传感器的输出中背景噪声信号占有很高比例，而有用信号很弱；而选择的参考传感器的输出同样是背景信号占有更高的比例，一般离被测磁场较远，因此其输出中背景磁场信号比测量传感器分量更高，而有用信号基本没有，因此可以认为参考传感器获取的是背景磁场信号。

发明内容

发明目的：针对测量微弱信号时电磁屏蔽效果差、造价高或者环境适应性差等问题，发明一种利用参考磁场传感器和测量磁场传感器配合的方法，有效测量微弱信号。

技术方案：一种磁场测量中提取微弱信号的方法，包括如下三个步骤：系统搭建，加权参数确定，测量解算；所述系统搭建步骤用于实现传感器的选型与匹配，实现参考位置传感器和测量传感器的搭配；所述加权参数确定步骤用于确定两种传感器的噪声归一化因子利用测量加数据运算的方法取得；测量解算步骤利用归一化因子和实测数据，将噪声信号从测量信号中去除，从而提取到有用信号；

所述系统搭建步骤，在常规的信号传感器的基础上，增加参考传感器，利用参考位置传感器获取到尽可能准确的背景噪声磁场信号，其具体步骤包括：

1）测量环境确定：尽可能控制在相对简单的电磁环境中，远离变电站、射频基站等环境强磁场，保持测量环境中的接地可靠性及只让必备的电子设备工作等；

2）参考传感器诸要素确定：选取、设置参考传感器，使参考传感器在摆放位置，灵敏度方面等方面符合要求，摆放位置方面，参考传感器比信号传感器离被测磁场源头远一些，如可控制在几十厘米左右，这样微弱的有用磁场信号可以得到极大的衰减；灵敏度方面，选择灵敏度更低的参考传感器，使其输出中有用信号很小；以心磁信号探测为例，背景磁场为有用磁场信号的一千倍到1百万倍之间，因此如采用灵敏度比探测通道小1千倍的参考传感器将获取到较大的背景磁场，而获取到极低的有用信号磁场，由此更容易提取到噪声；

3）电信号测量点确定：输出电信号测量点的选择，通常选取在调理之后且为模拟数字转换之前的测量点作为输出电信号的测量点；这是考虑磁场传感器除了磁电转换外，通常包括电信号的调理，信号调理方法包括必要的滤波，放大及驱动等，其目的是将原始信号从电路上处理为需要的信号，选取这样的测量点，是考虑到调理电路对系统的影响，在进入模拟数字转换前所有必备的电路处理方法都已实现，已涵盖调理电路的影响因素；

所述加权参数确定步骤，当系统搭建完毕后，需要确定信号磁场传感器和参考传感器的运算参数具体步骤包括：

a）构建无待测信号磁场：在测量环境构建一个无待测信号的环境，一般移走测量信号源即可；此时，无论信号传感器还是参考传感器，其获取的都是背景磁场信号；

b）记录测量数据：记录下系统搭建过程中的电信号输出E1和E2，其中E1为传感器的电信号输出，E2为参考传感器的电信号输出，对于磁场测量传感器，其输出电信号与输入磁场信号关系为E₁=k₁(M_N+M_S)，其中，E1为测量传感器的电信号输出，k1为系统的磁电转换系数，M_N为输入背景磁场，M_S为输入有用磁场；

对于参考传感器，其输出电信号与输入磁场信号关系同测量传感器，表示为E₂=k₂(M′_N+M′_S)，其中，E2为参考传感器的电信号输出，k2为系统的磁电转换系数，M′_N为输入背景磁场，M′_S为输入有用磁场；

当无待测磁场时，M_S=M′_S=0，此时E₁=k₁M_N，E₂=k₂M′_N；

无被测磁场时意味着有用信号输出为0，并进行归一化处理，将参考传感器的输出E2往测量磁场传感器的输出E1上归一化，并增加系数ω，则：

E₁-ωE₂=0，

得到ω＝E₁/E₂；

c）求平均值：多次测量提高系统抗干扰能力，设定测量次数为N，求取平均值

所述测量解算步骤，在上述磁场环境中，将被测磁场加入，使系统处于工作状态，此时两个传感器的输出E1和E2；实际测量中将两种传感器的数据取差，其输出为

其中M_N=M′_N，这是考虑到环境磁场在两个传感器的输入信号一致，并且根据前面的归一化因子，有而M′_S<<M_S，这是考虑到参考位置传感器离被测磁场较远，其信号分量非常微弱，可以忽略不计；利用刚才运算得到的可将背景磁场输出的电信号抵消，由此得到输出约为k₁M_S，即为有用信号的电信号输出，由此，这种方法利用参考传感器测量得到的背景噪声磁场，将有用信号从测量传感器中获取到，从而提高了信噪比。

本发明的优点和有益效果：本发明方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，克服了直接微弱信号磁屏蔽效果差、造价高或者环境适应性差等缺陷，通过此种系统设计及数据处理方法，从测量数据将噪声信号去除，提取到微弱信号，是一种低成本高环境适应性的方案。

附图说明

图1是本发明方法流程示意框图；

图2是本发明方法步骤一的流程示意框图；

图3是本发明方法步骤二的流程示意框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

一种磁场测量中提取微弱信号的方法，包括如下三个步骤：系统搭建，加权参数确定，测量解算；所述系统搭建步骤用于实现传感器的选型与匹配，其目的是实现参考位置传感器和测量传感器的搭配；所述加权参数确定步骤用于确定两种传感器的噪声归一化因子利用测量加数据运算的方法取得；测量解算步骤利用归一化因子和实测数据，将噪声信号从测量信号中去除，从而提取到有用信号。

所述系统搭建步骤，在常规的信号传感器的基础上，增加参考传感器，利用参考位置传感器获取到尽可能准确的背景噪声磁场信号；具体步骤包括：

1）确定测量环境，尽可能控制在相对简单的电磁环境中，远离变电站、射频基站等环境强磁场，保持测量环境中的接地可靠性及只让必备的电子设备工作等；

2）选取、设置参考传感器，参考传感器在摆放位置，灵敏度方面等方面有要求；摆放位置方面，参考传感器比信号传感器离被测磁场源头远一些，如可控制在几十厘米左右，这样微弱的有用磁场信号可以得到极大的衰减；灵敏度方面，选择灵敏度更低的参考传感器，使其输出中有用信号很小；以心磁信号探测为例，背景磁场为有用磁场信号的一千倍到1百万倍之间，因此如采用灵敏度比探测通道小1千倍的参考传感器将获取到较大的背景磁场，而获取到极低的有用信号磁场，由此更容易提取到噪声；

3）输出电信号测量点的选择，通常选取在调理之后且为模拟数字转换之前的测量点作为输出电信号的测量点；这是考虑磁场传感器除了磁电转换外，通常包括电信号的调理，信号调理方法包括必要的滤波，放大及驱动等，其目的是将原始信号从电路上处理为需要的信号，选取这样的测量点，是考虑到调理电路对系统的影响，在进入模拟数字转换前所有必备的电路处理方法都已实现，已涵盖调理电路的影响因素；

所述加权参数确定步骤，当系统搭建完毕后，需要确定信号磁场传感器和参考传感器的运算参数具体步骤包括：

a）在测量环境构建一个无待测信号的环境，一般移走测量信号源即可；此时，无论信号传感器还是参考传感器，其获取的都是背景磁场信号；

b）记录下系统搭建过程中的电信号输出E1和E2，其中E1为传感器的电信号输出，E2为参考传感器的电信号输出，对于磁场测量传感器，其输出电信号与输入磁场信号关系为E₁=k₁(M_N+M_S)，其中，E1为测量传感器的电信号输出，k1为系统的磁电转换系数，M_N为输入背景磁场，M_S为输入有用磁场；

对于参考传感器，其输出电信号与输入磁场信号关系同测量传感器，表示为E₂=k₂(M′_N+M′_S)，其中，E2为参考传感器的电信号输出，k2为系统的磁电转换系数，M′_N为输入背景磁场，M′_S为输入有用磁场；

当无待测磁场时，M_S=M′_S=0，此时E₁=k₁M_N，E₂=k₂M′_N；

无被测磁场时意味着有用信号输出为0，并进行归一化处理，将参考传感器的输出E2往测量磁场传感器的输出E1上归一化，并增加系数ω，则：

E₁-ωE₂=0，

得到ω＝E₁/E₂；

c）多次测量提高系统抗干扰能力，设定测量次数为N，求取平均值

所述测量解算步骤，在上述磁场环境中，将被测磁场加入，使系统处于工作状态，此时两个传感器的输出E1和E2；实际测量中将两种传感器的数据取差，其输出为

其中M_N=M′_N，这是考虑到环境磁场在两个传感器的输入信号一致，并且根据前面的归一化因子，有而M′_S<<M_S，这是考虑到参考位置传感器离被测磁场较远，其信号分量非常微弱，可以忽略不计；利用刚才运算得到的可将背景磁场输出的电信号抵消，由此得到输出约为k₁M_S，即为有用信号的电信号输出，由此，这种方法利用参考传感器测量得到的背景噪声磁场，将有用信号从测量传感器中获取到，从而提高了信噪比。

本发明方法不需要额外的测量仪器和屏蔽措施，克服了直接微弱信号磁屏蔽效果差、造价高或者环境适应性差等缺陷，通过此种系统设计及数据处理方法，从测量数据将噪声信号去除，提取到微弱信号，是一种低成本高环境适应性的方案。

Claims (3)

1.一种磁场测量中提取微弱信号的方法，其特征在于，包括如下三个步骤：系统搭建，加权参数确定，测量解算；所述系统搭建步骤用于实现传感器的选型与匹配，实现参考传感器和测量传感器的搭配；所述加权参数确定步骤用于确定两种传感器的噪声归一化因子ω，利用测量加数据运算的方法取得；测量解算步骤利用噪声归一化因子ω和实测数据，将噪声信号从测量信号中去除，从而提取到有用信号，

a)所述参考传感器设置在比所述测量传感器离被测磁场更远的位置或采用比所述测量传感器检测灵敏度低的参考传感器，使所述参考传感器检测到的被测磁场信号比所述测量传感器检测到的被测磁场信号弱，

b)在被测磁场的设置位置没有被测磁场的情况下，由所述测量传感器和所述参考传感器检测背景磁场，根据所述测量传感器的检测值E1和所述参考传感器的检测值E2，按照下式(1)和(2)，进行归一化处理，求得噪声归一化因子ω，

E1－ωE2＝0，    (1)

ω＝E1/E2；     (2)

c)将被测磁场设置在被测磁场的位置，由所述测量传感器和所述参考传感器检测磁场，根据所述测量传感器的检测值E1’和所述参考传感器的检测值E2’以及噪声归一化因子ω，按照下式(3)计算被测磁场的磁场强度Ms，

Ms＝(E1’-ωE2’)/K1,    (3)

其中，K1为测量传感器的磁电转换系数。

2.根据权利要求1所述的提取微弱信号的方法，其特征在于，

所述参考传感器与所述测量传感器的电信号测量点选取在调理之后且为模拟/数字转换之前的测量点。

3.根据权利要求1或2所述的提取微弱信号的方法，其特征在于，

在被测磁场的设置位置没有被测磁场的情况下，由所述测量传感器和所述参考传感器多次检测背景磁场，根据所述测量传感器的检测值E1和所述参考传感器的检测值E2，求得噪声归一化因子ω后，求取噪声归一化因子ω的平均值

将被测磁场设置在被测磁场的位置，由所述测量传感器和所述参考传感器检测磁场，根据所述测量传感器的检测值E1’和所述参考传感器的检测值E2’以及噪声归一化因子ω的平均值计算被测磁场的磁场强度Ms。