CN110632535A - 一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统及方法，动态核极化传感器接收激励电路发出的激励信号，感应出质子磁旋进信号，并传递给调谐电路，调谐电路对信号进行调谐后，传递给放大电路，放大电路对信号进行放大后，窄带滤波器对信号进行带通滤波去除中心频带外的噪声后，将其传输给比较电路，比较电路对窄带滤波器处理后的信号进行整形成方波后，将其传递给FPGA进行后期信号处理，采集器与控制器连接，进行数据的采集与处理，控制器与激励电路连接，控制激励信号的开启与关闭，控制器与FPGA连接，FPGA对整形成方波后的质子磁旋进信号进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值，控制器与窄带滤波器相连接，调整其窄带中心频率。

Description

一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统及方法

技术领域

本发明涉及微弱磁场测量技术领域，具体涉及一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统及方法。

背景技术

质子旋进类磁力仪是一种用于测量缓慢变化的弱磁场或恒定弱磁场的磁场测量仪器，其传感器即质子旋进类传感器为电感元件。测量原理是利用一定的激发条件让电感所在溶液中的质子处于激活状态，拆去激发条件后质子会围绕稳定外磁场即地球磁场做拉莫尔旋进运动，产生质子磁旋进信号，其旋进频率正比于外部磁场；故，利用电感感应质子磁旋进信号，将其放大、整形并测量出频率，即可得到外部磁场值。与其他磁场测量技术相比，质子旋进类磁力仪具有高精度、高灵敏度等特点，被广泛应用与空间探测、近地表探测、海洋探测、地磁场测量、军事技术等领域。由于质子磁旋进信号的信噪比是衡量测频精度的重要因素，因此，为增加传感器输出质子磁旋进信号的信噪比，提高测频精度，需对信号进行一定程度上的噪声抑制，以提高仪器的性能。

目前，绝大多数质子旋进类磁力仪采用的质子磁旋进信号噪声抑制手段主要包括窄带滤波法(硬件)、自相关法(软件)和奇异值分解法(软件)。但在硬件电路或算法设计上仍存在以下问题：1)加入窄带滤波器，会引入一定的窄带噪声，不利于信号的噪声抑制；2)自相关算法和SVD算法，在外界环境噪声相对较低时可以起到一定的效果，但当背景噪声较大时，已无法胜任降噪工作。因此，一旦仪器处于干扰较大的环境，易出现频谱混乱造成信号“失调”，致使仪器无法正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前现有的质子旋进类磁力仪在传感器调谐算法的设计上存在的技术问题，提供一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统及方法解决上述技术缺陷。

一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，包括动态核极化弱磁传感器、激励电路、调谐电路、放大电路、窄带滤波电路、比较电路、采集器、FPGA和控制器，动态核极化传感器接收激励电路发出的激励信号，感应出质子磁旋进信号，并传递给调谐电路，调谐电路对信号进行调谐后，传递给放大电路，放大电路对信号进行放大后，将其分别传递给窄带滤波电路、比较电路以及采集器，窄带滤波器对信号进行带通滤波去除中心频带外的噪声后，将其传输给比较电路，比较电路对窄带滤波器处理后的信号进行整形成方波后，将其传递给FPGA进行后期信号处理，采集器与控制器连接，进行数据的采集与处理，控制器与激励电路连接，控制激励信号的开启与关闭，控制器与FPGA连接，FPGA对整形成方波后的质子磁旋进信号进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值，控制器与窄带滤波器相连接，调整其窄带中心频率。

进一步的，控制器用于控制采集器，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵的协方差以及相应权重；控制器还用于驱动激励电路激励传感器输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，驱动采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵，将所述第一空间矩阵进行逆变换，并与第二空间矩阵进行乘法运算，得到第三空间矩阵；利用SVD算法对所述第三空间矩阵进行奇异值分解以进一步剔除噪声，获得重构质子磁旋进信号。

进一步的，调谐电路用于在控制器的驱动下将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换至测量环境下对应质子磁旋进信号频率的理论调谐电容值；放大电路用于在未激励传感器时，将环境噪声和仪器本底噪声进行放大，用于所述采集器采集；其还用于激励传感器完成后等待预设时间，将质子磁旋进信号进行放大，用于所述采集器采集；窄带滤波电路用于以调谐电容值所对应的频率作为中心频率对放大后的质子磁旋进信号进行滤波，用于比较电路整形；比较电路用于将滤波后的所述重构质子磁旋进信号进行整形成方波，用于所述FPGA进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值。

进一步的，采集器用于在控制器的驱动下，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；其还用于在控制器的驱动下，采集驱动激励电路后的质子磁旋进信号，生成第二离散数据。

进一步的，激励电路用于在控制器的驱动下激励传感器输出质子磁旋进信号；FPGA用于在所述控制器的驱动下测量所述重构质子磁旋进信号的频率值，并将所测量的频率值转化为磁场值。

一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法，基于一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统实现，包括：

S1、不激励传感器，输出夹杂背景干扰和仪器本底干扰的噪声信号；

S2、利用采集器采集所述噪声信号，生成第一离散数据；

S3、根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵m，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵m的协方差以及相应权重；

S4、激励传感器以输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，利于排除电路振荡所产生的干扰，利用采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；

S5、根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵y＝[y₁,y₂,…,y_n]，将所述第一空间矩阵m进行逆变换，并与第二空间矩阵y的转置进行乘法运算，得到第三空间矩阵M：M＝L^-1·y^T，此时，M即为预白噪声化后的质子磁旋进信号；

S6、采用SVD算法对所述第三空间矩阵M进行奇异值分解以进一步剔除所述第三空间矩阵M所对应信号中的噪声，获得重构数据，此时所述重构数据即为去除噪声后的质子磁旋进信号，将所述重构数据通过控制器输入到窄带滤波器，以进一步抑制中心频带外干扰，达到噪声抑制的目的，然后将窄带滤波后的信号传输给比较电路转化为方波，利用FPGA测量方波信号的频率，并将所测量的频率值转化为磁场值。

进一步的，步骤S3具体包括：

S31、不激励传感器产生噪声信号后，经过放大电路对其进行放大，然后利用采集器对其进行记录，得到第一离散数据x＝[x₁,x₂,…,x_n]；

S32、构建新的第一空间矩阵m：

S33、采用Cholesky算法求取一个对角元为正数的下三角矩阵L，以满足条件：m＝L^TL。

进一步的，步骤S6具体包括：

S61、根据所述第三空间矩阵M＝[M₁,M₂,…,M_n]，构建新的空间矩阵A：

S62、对上述公式做SVD，则有A＝USV^T，

式中，U为m×m阶的正交矩阵，S为m×n的对角矩阵，V为n×n阶的正交矩阵，A进行分解：

式中，A₁为无噪声干扰时时序构成的矩阵，A₂为噪声构成的矩阵，得到降噪后时序构成的质子磁旋进信号矩阵A₁＝U₁S₁V₁ ^T，将上述信号进一步输入到程控窄带滤波器，以进一步滤除质子磁旋进信号中心频带外的噪声信号，然后将窄带滤波后的信号传输给比较电路转化为方波，利用FPGA测量方波信号的频率，并将所测量的频率值转化为磁场值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用Cholesky算法与SVD算法相结合的方式，在软件层面上进一步抑制附着在质子磁旋进信号上的未知噪声；

2、采用程控窄带滤波波电路，在硬件层面上进一步抑制质子磁旋进信号中心频带外的噪声。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统结构图；

图2为本发明的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法流程图；

图3为本发明实施例效果对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，如图1所示，包括动态核极化弱磁传感器、激励电路、调谐电路、放大电路、窄带滤波电路、比较电路、采集器、FPGA和控制器，动态核极化传感器接收激励电路发出的激励信号，感应出质子磁旋进信号，并传递给调谐电路，调谐电路对信号进行调谐后，传递给放大电路，放大电路对信号进行放大后，将其分别传递给窄带滤波电路、比较电路以及采集器，窄带滤波器对信号进行带通滤波后，将其传输给比较电路，比较电路对信号进行整形成方波后，将其传递给FPGA进行后期信号处理，采集器与控制器连接，进行数据的采集与处理，控制器与激励电路连接，控制激励信号的开启与关闭，控制器与FPGA连接，对质子磁旋进信号进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值，控制器与窄带滤波器相连接，调整其窄带中心频率。

控制器用于控制采集器，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵的协方差以及相应权重；其还用于驱动激励电路激励传感器输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，驱动采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵，将所述第一空间矩阵进行逆变换，并与第二空间矩阵进行乘法运算，得到第三空间矩阵；利用SVD算法对所述第三空间矩阵进行奇异值分解以进一步剔除噪声，获得重构质子磁旋进信号。

调谐电路用于在控制器的驱动下将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换至测量环境下对应质子磁旋进信号频率的理论调谐电容值；放大电路用于在未激励传感器时，将环境噪声和仪器本底噪声进行放大，用于所述采集器采集；其还用于激励传感器完成后等待预设时间，将质子磁旋进信号进行放大，用于所述采集器采集；窄带滤波电路用于以调谐电容值所对应的频率作为中心频率对放大后的质子磁旋进信号进行滤波，用于比较电路整形；比较电路用于将滤波后的所述重构质子磁旋进信号进行整形成方波，用于所述FPGA进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值。采集器用于在控制器的驱动下，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；其还用于在控制器的驱动下，采集驱动激励电路后的质子磁旋进信号，生成第二离散数据。激励电路用于在控制器的驱动下激励传感器输出质子磁旋进信号；FPGA用于在所述控制器的驱动下测量所述重构质子磁旋进信号的频率值，并将所测量的频率值转化为磁场值。

一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法，基于一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统实现，如图2所示，包括：

S1、不激励传感器，输出夹杂背景干扰和仪器本底干扰的噪声信号；

S2、利用采集器采集所述噪声信号，生成第一离散数据；

S3、根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵m，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵m的协方差以及相应权重；

S31、不激励传感器产生噪声信号后，经过放大电路对其进行放大，然后利用采集器对其进行记录，得到第一离散数据x＝[x₁,x₂,…,x_n]；

S32、构建新的第一空间矩阵m：

S33、采用Cholesky算法求取一个对角元为正数的下三角矩阵L，以满足条件：

m＝L^T·L。

S4、激励传感器以输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，利于排除电路振荡所产生的干扰，利用采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；

S5、根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵y＝[y₁,y₂,…,y_n]，将所述第一空间矩阵m进行逆变换，并与第二空间矩阵y的转置进行乘法运算，得到第三空间矩阵M：M＝L^-1·y^T，此时，M即为预白噪声化后的质子磁旋进信号；

S6、采用SVD(奇异值分解)算法对所述第三空间矩阵M进行奇异值分解以进一步剔除噪声，获得重构数据。

S61、根据所述第三空间矩阵M＝[M₁,M₂,…,M_n]，构建新的空间矩阵A：

S62、对上述公式做SVD，则有：

A＝USV^T，

式中，U为m×m阶的正交矩阵，S为m×n的对角矩阵，V为n×n阶的正交矩阵。A可分解为：

式中，A₁为无噪声干扰时时序构成的矩阵，A₂为噪声构成的矩阵，因此可得到降噪后时序构成的质子磁旋进信号矩阵A₁的估计式为：

A₁＝U₁S₁V₁ ^T，

将上述信号进一步输入到程控窄带滤波器，以进一步滤除质子磁旋进信号中心频带外的噪声信号，然后将窄带滤波后的信号传输给比较电路转化为方波，利用FPGA测量方波信号的频率，并将所测量的频率值转化为磁场值。

如图3所示，依次为强噪声背景下，采集器采集到的经放大电路放大的质子磁旋进信号未经处理的频谱、此质子磁旋进信号经现有常用的自相关算法(Auto Correlation)处理后的频谱和此质子磁旋进信号经本发明Cholesky&SVD算法处理后所得重构数据组成的频谱；对比可发现经本发明Cholesky&SVD算法处理后的频谱更加鲜明，信噪比更高。

与现有的调谐算法相比，本发明采用Cholesky算法与SVD算法相结合的方式，在软件层面上进一步抑制附着在质子磁旋进信号上的未知噪声；采用程控窄带滤波波电路，在硬件层面上进一步抑制质子磁旋进信号中心频带外的噪声。

综上所述，本发明采用由Cholesky算法和SVD算法相结合的方式实现质子磁旋进信号信噪比的提升，有效克服了现有噪声抑制算法在强干扰环境下降噪效果差、易出现信号失真等缺陷，有效增强了质子旋进类磁传感器的环境适应能力，可提高后期测量质子磁旋进信号频率的精度，应用于质子旋进类磁力仪、光泵磁力仪和核磁共振质子旋进信号成像仪等依靠质子旋进类传感器的仪器中，有效提高仪器性能。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，其特征在于，包括动态核极化弱磁传感器、激励电路、调谐电路、放大电路、窄带滤波电路、比较电路、采集器、FPGA和控制器，动态核极化传感器接收激励电路发出的激励信号，感应出质子磁旋进信号，并传递给调谐电路，调谐电路对信号进行调谐后，传递给放大电路，放大电路对信号进行放大后，将其分别传递给窄带滤波电路、比较电路以及采集器，窄带滤波器对信号进行带通滤波去除中心频带外的噪声后，将其传输给比较电路，比较电路对窄带滤波器处理后的信号进行整形成方波后，将其传递给FPGA进行后期信号处理，采集器与控制器连接，进行数据的采集与处理，控制器与激励电路连接，控制激励信号的开启与关闭，控制器与FPGA连接，FPGA对整形成方波后的质子磁旋进信号进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值，控制器与窄带滤波器相连接，调整其窄带中心频率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，其特征在于，控制器用于控制采集器，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵的协方差以及相应权重；控制器还用于驱动激励电路激励传感器输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，驱动采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵，将所述第一空间矩阵进行逆变换，并与第二空间矩阵进行乘法运算，得到第三空间矩阵；利用SVD算法对所述第三空间矩阵进行奇异值分解以进一步剔除噪声，获得重构质子磁旋进信号。

3.根据权利要求1所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，其特征在于，调谐电路用于在控制器的驱动下将与所述传感器并联的调谐电容的容值由零切换至测量环境下对应质子磁旋进信号频率的理论调谐电容值；放大电路用于在未激励传感器时，将环境噪声和仪器本底噪声进行放大，用于所述采集器采集；其还用于激励传感器完成后等待预设时间，将质子磁旋进信号进行放大，用于所述采集器采集；窄带滤波电路用于以调谐电容值所对应的频率作为中心频率对放大后的质子磁旋进信号进行滤波，用于比较电路整形；比较电路用于将滤波后的所述重构质子磁旋进信号进行整形成方波，用于所述FPGA进行频率测量，并将所测量的频率值转化为磁场值。

4.根据权利要求1所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，其特征在于，采集器用于在控制器的驱动下，采集未驱动激励电路时的环境噪声和仪器本底噪声，生成第一离散数据；其还用于在控制器的驱动下，采集驱动激励电路后的质子磁旋进信号，生成第二离散数据。

5.根据权利要求1所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统，其特征在于，激励电路用于在控制器的驱动下激励传感器输出质子磁旋进信号；FPGA用于在所述控制器的驱动下测量所述重构质子磁旋进信号的频率值，并将所测量的频率值转化为磁场值。

6.一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法，基于一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制系统实现，其特征在于，包括：

S1、不激励传感器，输出夹杂背景干扰和仪器本底干扰的噪声信号；

S2、利用采集器采集所述噪声信号，生成第一离散数据；

S3、根据所述第一离散数据构建第一空间矩阵m，并采用Cholesky算法求取所述第一空间矩阵m的协方差以及相应权重；

S4、激励传感器以输出质子磁旋进信号，激励完成后等待预设时间，利于排除电路振荡所产生的干扰，利用采集器采集所述质子磁旋进信号，生成第二离散数据；

S5、根据所述第二离散数据构建第二空间矩阵y＝[y₁,y₂,…,y_n]，将所述第一空间矩阵m进行逆变换，并与第二空间矩阵y的转置进行乘法运算，得到第三空间矩阵M：M＝L^-1·y^T，此时，M即为预白噪声化后的质子磁旋进信号；

S6、采用SVD算法对所述第三空间矩阵M进行奇异值分解以进一步剔除所述第三空间矩阵M所对应信号中的噪声，获得重构数据，此时所述重构数据即为去除噪声后的质子磁旋进信号，将所述重构数据通过控制器输入到窄带滤波器，以进一步抑制中心频带外干扰，达到噪声抑制的目的，然后将窄带滤波后的信号传输给比较电路转化为方波，利用FPGA测量方波信号的频率，并将所测量的频率值转化为磁场值。

7.根据权利要求6所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31、不激励传感器产生噪声信号后，经过放大电路对其进行放大，然后利用采集器对其进行记录，得到第一离散数据x＝[x₁,x₂,…,x_n]；

S32、构建新的第一空间矩阵m：

S33、采用Cholesky算法求取一个对角元为正数的下三角矩阵L，以满足条件：m＝L^TL。

8.根据权利要求6所述的一种适用于质子磁旋进信号的噪声抑制方法，其特征在于，步骤S6具体包括：

S61、根据所述第三空间矩阵M＝[M₁,M₂,…,M_n]，构建新的空间矩阵A：

S62、对上述公式做SVD，则有A＝USV^T，

式中，U为m×m阶的正交矩阵，S为m×n的对角矩阵，V为n×n阶的正交矩阵，A进行分解：

式中，A₁为无噪声干扰时时序构成的矩阵，A₂为噪声构成的矩阵，得到降噪后时序构成的质子磁旋进信号矩阵A₁＝U₁S₁V₁ ^T，将上述信号进一步输入到程控窄带滤波器，以进一步滤除质子磁旋进信号中心频带外的噪声信号，然后将窄带滤波后的信号传输给比较电路转化为方波，利用FPGA测量方波信号的频率，并将所测量的频率值转化为磁场值。

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