CN105974343A - 具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置是由前置放大电路经宽频带通滤波电路与窄带滤波电路连接，前置放大电路经预采样ADC模块与FPGA模块连接，窄带滤波电路经程控放大电路与主采样ADC模块连接，FPGA模块分别与程控放大电路、主采样ADC模块、SCI接口、网络接口连接，计算机分别与SCI接口、网络接口连接构成。本发明是通过预采样AD实时调整程控放大器的倍数，可有效抑制放大器饱和；同时使主采样AD的输入值尽可能地达到满量程，提高了信号的采样精度；由于主采样AD是受外部中断触发控制，实现预采样AD和主采样AD的精确同步，也确保了每一次采样值与本次采样时的放大倍数良好匹配。

Description

具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种微弱信号检测装置和检测方法，尤其是一种应用于在磁共振探水系统中具有增益自动调节功能的地面磁共振信号的检测装置和检测方法。
背景技术
核磁共振地下水探测技术是当今地球物理领域能够直接且无损地探测地下水的方法。在地下水受交变磁场激发后，产生核磁共振信号，该信号一般为纳伏(nV)级，需要经过几千或几万倍放大后才能被检测到；同时，该信号易受外界环境电磁噪声的干扰。现有的地面磁共振信号检测装置只是根据环境噪声人工调整一次增益，即在整个测量期间，放大倍数固定。由于噪声随着时间会发生很大变化，因此这种人工调节增益固定的方式经常会出现两种极端情况，一是增益过小，信号精度达不到要求；二是增益过大，放大器饱和。尤其在干扰严重的地区测量，信号常常淹没在噪声中，放大器很容易由于干扰噪声大而饱和，导致磁共振探水仪无法正常工作。因此，为了有效采集到地面磁共振信号，设计一种既有放大器抗饱和能力又能自动调整放大倍数的微弱信号检测装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置
本发明的另一目的是提供一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置的检测方法；
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
如图1所示，一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置是由前置放大电路1经宽频带通滤波电路2与窄带滤波电路3连接，前置放大电路1经预采样ADC模块5与FPGA模块7连接，窄带滤波电路3经程控放大电路4与主采样ADC模块6连接，FPGA模块7分别与程控放大电路4、主采样ADC模块6、SCI接口8、网络接口9连接，计算机10分别与SCI接口8、网络接口9连接构成。
如图2所示，具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测方法，包括以下步骤：
a、初始参数设置：通过计算机设置预采样ADC模块5的采样频率，设置主采样ADC模块6为外部中断触发采样模式，设置初始化放大倍数A；
b、预采样ADC采集信号：FPGA模块7控制预采样ADC模块5把微弱磁共振信号经前置放大电路1放大后转换为数字信号Vpi，Vpi为第i个采样点的值，前置放大器的放大倍数为Ap；
c、信号判断：主采样ADC模块6允许最大输入电压是Vmax，计算出整体最佳放大倍数Ai＝Vmax/(Vpi/Ap)；
d、设置程控放大器最佳放大倍数：由于程控放大器是数字调节，即放大倍数是不连续的，为了抑制放大器饱和同时尽可能地放大信号，所以，实际调整的放大倍数A应不大于上述方法计算出的Ai，但要最接近于Ai；
e、输出主采样ADC工作的触发信号：程控放大器的放大倍数设置完成后，FPGA模块7输出一个触发信号，控制主采样ADC模块6进行模数转换一次,获得本次的采样值Vfi；
f、采样值归一化处理：主采样ADC模块6采集的数据需要做同一个放大倍数计算，把每一个采样值除以该采样值时的放大倍数，即实际信号值Vi＝Vfi/Ai；
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
有益效果：本发明是通过预采样AD实时调整程控放大器的倍数，可有效抑制放大器饱和；同时使主采样AD的输入值尽可能地达到满量程，提高了信号的采样精度；由于主采样AD是受外部中断触发控制，实现预采样AD和主采样AD的精确同步，也确保了每一次采样值与本次采样时的放大倍数良好匹配。
附图说明
图1为一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置的结构框图
图2为具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测方法流程图
1前置放大电路，2宽频带通滤波电路，3窄带滤波电路，4程控放大电路，5预采样ADC模块，6主采样ADC模块，7FPGA模块，8SCI接口，9网络接口，10计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：
如图1所示，一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置是由前置放大电路1经宽频带通滤波电路2与窄带滤波电路3连接，前置放大电路1经预采样ADC模块5与FPGA模块7连接，窄带滤波电路3经程控放大电路4与主采样ADC模块6连接，FPGA模块7分别与程控放大电路4、主采样ADC模块6、SCI接口8、网络接口9连接，计算机10分别与SCI接口8、网络接口9连接构成。
如图2所示，具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测方法，包括以下步骤：
a、初始参数设置：通过计算机设置预采样ADC模块5的采样频率，设置主采样ADC模块6为外部中断触发采样模式，设置初始化放大倍数A；
b、预采样ADC采集信号：FPGA模块7控制预采样ADC模块5把微弱磁共振信号经前置放大电路1放大后转换为数字信号Vpi，Vpi为第i个采样点的值，前置放大器的放大倍数为Ap；
c、信号判断：主采样ADC模块6允许最大输入电压是Vmax，计算出整体最佳放大倍数Ai＝Vmax/(Vpi/Ap)；
d、设置程控放大器最佳放大倍数：由于程控放大器是数字调节，即放大倍数是不连续的，为了抑制放大器饱和同时尽可能地放大信号，所以，实际调整的放大倍数A应不大于上述方法计算出的Ai，但要最接近于Ai；
e、输出主采样ADC工作的触发信号：程控放大器的放大倍数设置完成后，FPGA模块7输出一个触发信号，控制主采样ADC模块6进行模数转换一次,获得本次的采样值Vfi；
f、采样值归一化处理：主采样ADC模块6采集的数据需要做同一个放大倍数计算，把每一个采样值除以该采样值时的放大倍数，即实际信号值Vi＝Vfi/Ai；
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
实施例1
在电磁屏蔽实验室，以直流电压为0.23mV作为输入、采样时长256ms为例，对具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置和检测方法的应用进行说明。
具体实施步骤如下：
a、初始参数设置：通过计算机设置预采样ADC模块5的采样频率为25kHz，设置主采样ADC模块6为外部中断触发采样模式，设置初始化放大倍数A＝32000；
b、预采样ADC采集信号：FPGA模块7控制预采样ADC模块5把微弱磁共振信号经前置放大电路1放大后转换为数字信号，为第1个采样点的值Vp1＝0.46V，前置放大器的放大倍数为Ap＝2000；
c、信号判断：主采样ADC模块6允许最大输入电压是Vmax＝4.8V，计算出整体最佳放大倍数A1＝Vmax/(Vp1/Ap)＝20869；
d、设置程控放大器最佳放大倍数：由于程控放大器是数字调节，即放大倍数是不连续的，为了抑制放大器饱和同时尽可能地放大信号，所以，实际调整的放大倍数A1＝20000；
e、输出主采样ADC工作的触发信号：程控放大器的放大倍数设置完成后，FPGA模块7输出一个触发信号，控制主采样ADC模块6进行模数转换一次,获得本次的采样值Vf1＝4.6V；
f、采样值归一化处理：主采样ADC模块6采集的数据需要做同一个放大倍数计算，把每一个采样值除以该采样值时的放大倍数，即实际信号值V1＝Vf1/A1＝0.23mV；
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
对采样结束后的数据进行分析，256ms采样的6400个点，归一化前的采样值都是4.6V；归一化之后的采样值都是0.23mV说明该装置和方法既抑制了放大器饱和情况，又达到了放大信号的要求。
实施例2
在长春烧锅镇，采用收发一体的磁共振探水仪，使用本发明设计的信号检测装置，对具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置和检测方法的应用进行说明。
具体实施步骤如下：
a、初始参数设置：通过计算机设置预采样ADC模块5的采样频率，设置主采样ADC模块6为外部中断触发采样模式，设置初始化放大倍数A；
b、预采样ADC采集信号：FPGA模块7控制预采样ADC模块5把微弱磁共振信号经前置放大电路1放大后转换为数字信号Vpi，Vpi为第i个采样点的值，前置放大器的放大倍数为Ap；
c、信号判断：主采样ADC模块6允许最大输入电压是Vmax，计算出整体最佳放大倍数Ai＝Vmax/(Vpi/Ap)；
d、设置程控放大器最佳放大倍数：由于程控放大器是数字调节，即放大倍数是不连续的，为了抑制放大器饱和同时尽可能地放大信号，所以，实际调整的放大倍数A应不大于上述方法计算出的Ai，但要最接近于Ai；
e、输出主采样ADC工作的触发信号：程控放大器的放大倍数设置完成后，FPGA模块7输出一个触发信号，控制主采样ADC模块6进行模数转换一次,获得本次的采样值Vfi；
f、采样值归一化处理：主采样ADC模块6采集的数据需要做同一个放大倍数计算，把每一个采样值除以该采样值时的放大倍数，即实际信号值Vi＝Vfi/Ai；
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
对采样结束后的数据进行分析，256ms采样的6400个点，归一化前的采样值都是4.8V以下，说明该装置和方法具有抑制了放大器饱和的功能；且幅值都接近于4.8V，实现了尽可能放大信号的要求。

Claims (2)

1.一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置，其特征在于，是由前置放大电路(1)经宽频带通滤波电路(2)与窄带滤波电路(3)连接，前置放大电路(1)经预采样ADC模块(5)与FPGA模块(7)连接，窄带滤波电路(3)经程控放大电路(4)与主采样ADC模块(6)连接，FPGA模块(7)分别与程控放大电路(4)、主采样ADC模块(6)、SCI接口(8)、网络接口(9)连接，计算机(10)分别与SCI接口(8)、网络接口(9(连接构成。
2.按照权利要求1所述的一种具有增益自动调节功能的地面磁共振信号检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、初始参数设置：通过计算机设置预采样ADC模块(5)的采样频率，设置主采样ADC模块(6)为外部中断触发采样模式，设置初始化放大倍数A；
b、预采样ADC采集信号：FPGA模块(7)控制预采样ADC模块(5)把微弱磁共振信号经前置放大电路(1)放大后转换为数字信号Vpi，Vpi为第i个采样点的值，前置放大器的放大倍数为Ap；
c、信号判断：主采样ADC模块(6)允许最大输入电压是Vmax，计算出整体最佳放大倍数Ai＝Vmax/(Vpi/Ap)；
d、设置程控放大器最佳放大倍数：由于程控放大器是数字调节，即放大倍数是不连续的，为了抑制放大器饱和同时尽可能地放大信号，所以，实际调整的放大倍数A应不大于上述方法计算出的Ai，但要最接近于Ai；
e、输出主采样ADC工作的触发信号：程控放大器的放大倍数设置完成后，FPGA模块(7)输出一个触发信号，控制主采样ADC模块(6)进行模数转换一次,获得本次的采样值Vfi；
f、采样值归一化处理：主采样ADC模块6采集的数据需要做同一个放大倍数计算，把每一个采样值除以该采样值时的放大倍数，即实际信号值Vi＝Vfi/Ai；
g、重复b到f步骤，直至信号检测结束。
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