CN116539965A - 一种消除测量系统中电和磁干扰的通用方法 - Google Patents
一种消除测量系统中电和磁干扰的通用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请披露了一种新的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，对使用差动放大器的电测量，共模信号作为干扰信号从差动放大器引出并放大，和同样放大后的信号经过采样后，作为干扰模板，在信号中寻找匹配模板分量，然后从信号中予以减除，从而消除干扰提高信噪比。对于采用梯度线圈结构的磁信号检测传感器，其中心接地，两个信号端输出含有代表干扰的共模分量和被测信号的混合信号，如上述电测量一样，经差动放大器，引出共模分量作为干扰模板，进行同样的模板匹配分析和减除，完成消除信号中的干扰成分。本申请的消除电磁干扰的方法，能广泛使用于电和磁信号的测量系统中。
Description
技术领域
本申请涉及电信号和磁信号测量中抑制电和磁干扰的技术领域，更具体地说，涉及一种消除测量系统中电和磁干扰的通用方法。
背景技术
电信号和磁信号的测量和分析是从科学研究到几乎所有应用领域里的必要组成部分。衡量电磁测量系统的性能的最重要的一个指标是信号噪声比例(简称信噪比)。给定测量信号，降低噪声就是提高信噪比的一个关键因素。通常，噪声由两部分主要来源，一，信号源和测量电路本身的噪声，特别是和环境温度有关的测量电路中电子随机飘移的热噪声；二，外界其它电、磁信号源产生的对信号的干扰成分。本申请所介绍的方法，是针对抑制信号中的干扰分量，亦可称干扰信号，而干扰信号可以是电分量成分，或者外界磁场变化在测量系统中感应的电分量。在本文论述中，噪声和干扰有可能混用，除非另作说明，噪声就是特指干扰。磁信号是指磁感应幅度随时间变化的信号，例如核磁共振仪器所检测的磁共振信号，或者脑磁仪器所测量的伴随神经放电活动的磁信号。
通常，对于电测量中所受到的电干扰，教科书级别的基本方式是采用双电极进行电测量，检测到的信号，馈送给具有高共模抑制比(CMRR)的差动放大器(或者仪表放大器)组成的前置级放大电路进行放大。例如临床上使用的测量心电信号的心电图机，就是普遍采用这种输入方式。这样做的原因是，电极往往被放置在距离被测信号源更近的位置，能检测到两电极间的电位差，而外界干扰，例如来自无处不在的电源线的工频干扰电磁场，源于比两测量电极间距更远的位置，故在两测量电极上感应同相位且幅度相同或者相近的干扰电压，呈现出明显的共模特性，很容易被高共模抑制比性能的差动放大器抑制。
尽管如此，共模干扰依然存在于所测量的心电信号中。因此，心电图机的标准设计，总是带有可供用户选择的50Hz(或60Hz，取决于使用国家)陷波器做进一步滤除。
和上述电测量类似，所有的磁信号测量系统也都会不可避免地受到噪声干扰污染。在磁信号的测量中，为了抑制干扰，通常采用梯度线圈结构的测量探头来检测磁信号。最常见的梯度线圈是8字形(fig-of-8)结构。两个相同面积和绕组的圆形线圈，紧密相邻置于同一平面(平面梯度线圈)或者轴向间隔配置(轴向梯度线圈)，就构成了梯度天线。被测磁信号在梯度线圈的两个线圈内生成大小相同，方向相反的电流，从而使共模干扰互相抵消。一个典型的平面8字形梯度天线的应用例子是利用地磁场作为极化磁场在北极地区检测水下石油泄漏(L.Chavez等，"Detecting Arctic oil spills with NMR:afeasibilitystudy,"Near Surface Geophysics 13(4),409-416(2015).这样的天线系统，即能灵敏的检查微弱的地磁场核磁共振信号，又能有效的抑制环境中的干扰。
显然，梯度天线的对称性，决定了抑制共模磁干扰的能力。常见8字形天性及其各种变形的对称天性，呈现天线所在平面的轴对称特性。本申请的同一发明者，曾发明了一种在结构上更容易实现对称性的测量四极子共振信号的中心对称天线(US Patent11300644，Nuclear quadrupole resonance detection system and antenna)，具有更好的抑制共模干扰能力。
在某些应用场合，为了突出梯度天线一个线圈所对应的信号，常采用非对称结构，即两个线圈的直经或者绕组圈数不同。A.P.Ewing等人发明的高分辨率幼儿脑磁测量设备(US20040002645A1_High-Resolution Magnetoencephalography System and Method)，就是采用了一种非对称轴向梯度线圈结构。
然而，由于梯度线圈在制作上并不会完全理想对称，加之天线到输入放大器的联线的可能感应在磁信号测量中，共模干扰的一部分也会和差分信号混合进入放大处理过程，从而降低信噪比。因此，在测量电路的上，往往针对可能的干扰信号的频率特性，设计合适的滤波器。
在多通道电信号测量和多通道磁信号测量中，利用信号空间的正交展开分解，来区分信号和干扰，在信号处理分析上，完成对干扰的滤波(US Patent20140128002A1,Method and system for using orthogonal space projections to mitigateinterference)。
此外，在现有技术中，公开号为CN109004911A(充放电装置)的中国专利申请公开了一种具有可调节的共模抑制的差分放大器和具有改进的共模抑制的放大器电路，其通过估计输入信号的共模电压值并利用所估计的共模电压值来调整放大器输出的目标共模电压来实现。尽管这种共模抑制方式在一定程度上减少了输出的混合信号中的共模干扰，提高了输出信号的信噪比，但仍不能有效降低或彻底消除混合在差模信号中的共模干扰信号。
总之，现有的各种抗干扰技术，从天线结构到信号处理分析，以及电路设计，都进行了广泛的开发研究。目前，尚缺少一种能够在电/磁信号的测量中，有效消除输出信号中的共模干扰、提高输出信号的信噪比的解决方案。
发明内容
本申请要解决的技术问题在于针对现有的电信号和磁信号测量技术存在的干扰问题。这些问题或者是由于电测量中的电极位置或者道联线引起，或者是由于磁测量中的梯度天线并不会完全理想对称，造成共模干扰的一部分与原始期望的差分信号混合，导致输出信号中总是会混合一些共模干扰信号，从而影响信噪比的提高。本申请提供一种用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，能够消除混合在差模信号中的共模干扰信号，从而得到具有高信噪比的原始期望信号，因而有效解决了电、磁信号测量中都会不可避免的受到共模噪声污染的技术难题。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
提供一种消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，该方法包括如下步骤：
使测量梯度天线的中心对称点接地，梯度天线两端输出磁感应差分信号；或者在电信号测量中，通过双测量电极输出差分信号；
从差分放大器输出所述差分信号并提取共模信号；
对所述共模信号进行放大、采样；
将采样后的所述共模信号作为共模噪声模板，在经过前置放大器输出的差模信号并同样放大采样后识别出与所述共模噪声模板对应的共模干扰分量；以及
去除所述差模信号中的所述共模干扰分量，获得去除了所述共模干扰分量的具有高信噪比的原始期望信号。
进一步地，所述提取来自差分信号中的共模信号的步骤包括：
通过所述前置放大器输出混合信号；所述混合信号的表达式为：Smix(t)＝Si(t)+Sc(t)+Ni(t)，其中，Si(t)表示期望的差分信号成分，Sc(t)表示混合在所述混合信号Smix(t)中的共模干扰分量，Ni(t)表示固有白噪声；
通过所述前置放大器输出总共模输出；所述总共模输出的表达式为：Sp(t)＝SC(t)+NC(t)，其中，SC(t)表示从所述前置放大器输出的共模干扰分量，NC(t)表示与所述共模干扰分量混合的白噪声；
其中，所述差分信号中的共模干扰分量Sc(t)与所述共模干扰分量SC(t)来自相同的干扰源，所述共模干扰分量Sc(t)与所述共模干扰分量SC(t)满足一线性关系，所述线性关系的表达式为：
SC(t)＝k*Sc(t)；
其中，所述系数k满足如下条件：
Si＝Minimizingk→Var{Smix(t)-k·Sp(t)}；该数学优化方差表达式的物理意义是，差分信号总的干扰分量Sc(t)，是共模分量SC(t)的一个比例缩放；通常，由于SC(t)>Sc(t),k往往小于1；
所述提取来自测量信号中的共模信号的步骤还包括：
根据上述条件确定所述系数k，根据所述系数k确定所述信号中的所述共模干扰分量Sc(t)，其中，所述共模干扰分量SC(t)作为所述共模噪声模板。
进一步地，所述去除所述差模信号中的所述共模干扰分量的步骤具体包括：
识别所述混合信号中的与所述总共模输出对应的共模干扰分量，并去除所述混合信号中的所述共模干扰分量，得到原始期望信号。
进一步地，所述方法还包括：
对在信号通道中传输的差模信号进行滤波及放大处理，将所述差模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理；
对在共模通道中传输的共模信号进行与差模通道相同的滤波及放大处理，将所述共模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到所述MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理。
本申请提出的消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，至少具有以下有益效果：
一、根据本申请的消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，能够将从前置放大器输出的共模信号作为共模噪声模板，在输出的混合信号中识别出与该共模噪声模板对应的共模干扰分量，进而去除混合信号中的该共模干扰分量，从而获得消除了共模干扰的具有高信噪比的原始期望信号，因而完美解决了电和磁信号测量中，由于不完全对称导致一部分共模信号变成差分信号并与原始期望信号混合，从而不可避免地对原始期望信号造成干扰的技术难题。
二、由于本申请提出的磁共模干扰消除的实现原理在于提取来自磁信号的差分测量的共模信号，利用该共模信号建立共模噪声模板，并利用共模噪声模板在混合信号中识别出对应的共模干扰分量，进而从混合信号中去除该共模干扰分量来获得具有高信噪比的原始期望信号，因此，只需要将梯度线圈的中心对称点接地，就能实现对前置放大器提供差分信号。不需要增加大量的额外的电子元器件，使得本申请的共模干扰消除电路的电路结构极其简单，成本低，共模干扰消除效果好，具有极高的应用价值和广阔的前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本申请消除测量系统中电和磁干扰的通用方法进行说明，其中：
图1为本申请一个较佳实施例提供的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法的流程图；
图2为图1所示的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法中包含的提取来自差分信号中的共模信号的步骤的具体实施流程图；
图3为图1所示的用于消除共模干扰的方法中包含的差模信号和共模信号的优化处理方案；
图4为本申请一个较佳实施例提供的第一种共模干扰消除电路的电路示意图，是在传统的差动放大器中输出代表干扰的共模信号；
图5为本申请一个较佳实施例提供的第二种共模干扰消除电路的电路示意图，是针对采用梯度天线测量磁信号的抑制干扰设计。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本申请进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。
为了解决现有技术中存在的，在电信号和磁信号测量中，由于测量输入回路的不完全理想对称，导致一部分共模信号变成差分信号并与原始期望信号混合，从而不可避免地对原始期望信号造成干扰的技术难题，本申请的创新点在于：
一、基于在信号通道中传输的混合信号和在共模通道中传输的代表干扰的共模信号均来自相同噪声源并存在特定的线性关系(也即，这两种共模信号的波形特征的区别体现在各自振幅不同)，将从前置放大器PreAMP输出的共模信号作为干扰的噪声模板，在混合信号中识别出与该共模噪声模板对应的共模干扰分量，并将该共模干扰分量从混合信号中进行去除，从而能够获得消除了共模干扰的具有高信噪比的原始期望信号。
二、由于本申请提出的磁共模干扰消除的实现原理在于提取来自磁信号的差分测量的共模信号，建立共模干扰噪声模板，并利用该干扰模板在混合信号中识别出对应的共模干扰分量，再从混合信号中去除该共模干扰分量来获得具有高信噪比的原始期望信号。因此，只需要将梯度线圈的中心对称点接地，就能实现对前置放大器提供差分信号并从其输出共模信号，不需要增加大量的额外的电子元器件，使得本申请的共模干扰消除电路的电路结构极其简单，成本低，且共模干扰消除效果好。
下面结合附图及具体实施例对本申请消除测量系统中电和磁干扰的通用方法作出详细说明：
如图1所示，由于梯度线圈不可能完全理想对称，为了克服磁信号测量不可避免地受到共模干扰的技术难题，本申请提出了一种用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤S100，测量梯度天线的中心对称点接地，天线两端输出磁感应差分信号；或者在电信号测量中，通过双测量电极输出差分信号；
步骤S200，从差分放大器输出差分信号并提取来自差分信号中的共模信号；
步骤S300，对共模信号进行与差分信号一样的放大、滤波和采样；
步骤S400，将采样后的共模信号作为干扰噪声模板，在经过前置放大器PreAMP输出的差模信号并同样放大采样后识别出与该干扰噪声模板对应的共模干扰分量；以及
步骤S500，去除差模信号中的共模干扰分量，获得消除了共模干扰分量的具有高信噪比的原始期望信号。
如图2所示，在一个优选实施方式中，上述步骤S200具体包括：
步骤S201，通过前置放大器PreAMP输出混合信号Smix(t)；该混合信号Smix(t)的表达式为：Smix(t)＝Si(t)+Sc(t)+Ni(t)(即公式1)。
其中，Si(t)表示期望的差分信号成分，Sc(t)表示混合在混合信号Smix(t)中的共模干扰分量，Ni(t)表示固有白噪声；
步骤S202，从前置放大器PreAMP输出总共模输出Sp(t)；该总共模输出Sp(t)的表达式为：Sp(t)＝SC(t)+NC(t)(即公式2)。其中，SC(t)表示从前置放大器PreAMP输出的共模干扰分量，NC(t)表示与共模干扰分量SC(t)混合的白噪声。
其中，该差分信号中的共模干扰分量Sc(t)与从前置放大器PreAMP输出的共模干扰分量SC(t)来自相同的噪声源，并且该共模干扰分量Sc(t)与该共模干扰分量SC(t)满足一线性关系，该线性关系的表达式为：
SC(t)＝k·Sc(t)(即公式3)。
由上式可知，该共模干扰分量Sc(t)与该共模干扰分量SC(t)是来自相同的干扰源，但振幅不同的共模信号。
根据上述公式1、公式2和公式3，可以推导出如下公式：
Smix(t)＝Si(t)+k·Sp(t)+N(t)＝Si(t)+k·SC(t)+k·NC(t)
+Ni(t)(即公式4)。
由于干扰源中的共模干扰与期望信号是不相关的，通常来说，共模干扰与差分信号正交，因此，在本申请中，系数k可以从如下数学优化混合信号Smix(t)与k比例的共模信号Sp(t)之差的标准方差来求得：
Si＝Minimizingk→Var{Smix(t)-k·Sp(t)}(即公式5)；
也即，混合信号Smix(t)与所述总共模输出Sp(t)的差值乘以系数k的方差最小。
该数学优化方差表达式(即公式5)的物理意义是，差分信号中的共模干扰分量Sc(t)，是总共模干扰SC(t)的一个比例缩放。通常，由于SC(t)>Sc(t),该系数k往往小于1。在公式5的条件下获得的k值，使得获得的信号中所包含的共模成分最小，也即滤除了共模干扰。
在本申请中，上述步骤S200还包括：
步骤S203，根据对标准方差的数学优化确定系数k的值，根据系数k的值确定信号中的共模干扰分量Sc(t)。其中，将共模干扰分量SC(t)作为干扰噪声模板。
在一个优选实施方式中，上述步骤S500具体包括：
识别混合信号Smix(t)中的与总共模输出Sp(t)对应的共模干扰分量Sc(t)，并去除混合信号Smix(t)中的该共模干扰分量Sc(t)，得到原始期望信号。
如图3所示，在一个优选实施方式中，上述用于消除共模干扰的方法还包括：
步骤S600，在将差模信号和共模信号转换为数字信号之前，对差模信号和共模信号分别进行放大处理。
在一个优选实施方式中，上述用于消除共模干扰的方法还包括：
步骤S700，对在信号通道中传输的差模信号进行滤波及放大处理，将所述差模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理；
对在共模通道中传输的共模信号进行与差模通道相同的滤波及放大处理，将所述共模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到所述MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理。
在本申请中，差分信号指的是来自双测量电极的信号，或者是来自梯度天线的信号，其中梯度天线的中心对称点接地。
综上，在本申请提出的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法中，能够通过前置放大器PreAMP输出混合信号及共模信号，将前置放大器PreAMP输出的共模信号作为干扰噪声模板，通过干扰噪声模板匹配方式，在混合信号中识别出与该干扰噪声模板对应的共模干扰分量，进而去除混合信号中的该共模干扰分量，从而获得消除了共模干扰的具有高信噪比的原始期望信号。因此，应用本申请提出的用于消除共模干扰的方法，能够有效解决电和磁信号测量中，由于不完全对称，导致一部分共模信号变成差分信号并与原始期望信号进行混合，从而不可避免地对原始期望信号造成干扰的技术难题。
对应于上述的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，如图4所示，本申请还对应公开了从传统的差分放大器中输出对应于干扰的共模信号的电路实现方式。
如图5所示，本申请还对应公开了一种用于消除磁信号测量系统中的磁干扰的共模干扰消除电路。其中的电子开关114是当该测量装置用于激励-测量例如磁共振或者四极子共振信号测量时隔离激励电路(未示出)与测量回路的连接。
综上，本申请相比现有技术的改进点至少体现在以下几个方面：
一、根据本申请的用于消除共模干扰的方法及装置，能够将从前置放大器输出的共模信号作为干扰噪声模板，在输出的混合信号中识别出与该共模噪声模板对应的共模干扰成分，进而去除混合信号中的该共模干扰成分，从而获得消除了共模干扰的具有高信噪比的原始期望信号，因而完美解决了电和磁信号测量中，由于不完全对称导致一部分共模信号变成差分信号并与原始期望信号混合，从而不可避免地对原始期望信号造成干扰的技术难题。
二、由于本申请提出的磁共模干扰消除的实现原理在于提取来自磁信号的差分测量的共模信号，利用该共模信号建立干扰噪声模板，进而利用该共模噪声模板在混合信号中识别出对应的共模干扰分量，再从混合信号中去除该共模干扰分量，从而获得具有高信噪比的原始期望信号。因此，只需要将梯度线圈的中心对称点接地，就能实现对前置放大器提供差分信号，不需要增设大量的额外的电子元器件，这使得本申请的共模干扰消除电路的电路结构极其简单，成本低，共模干扰消除效果好，具有极高的应用价值和广阔的前景。
应该指出的是，干扰模板受到白噪声NC(t)的影响，形成可能的干扰抑制误差来源。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请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申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可作出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。
Claims (4)
1.一种用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，其特征在于，包括如下步骤：
在磁测量中，使测量梯度天线的中心对称点接地，梯度天线两端输出磁感应差分信号；或者在电信号测量中，通过双测量电极输出差分信号；
从差分放大器输出所述差分信号并提取来自所述差分信号中的共模信号；
对所述共模信号进行放大、滤波及采样；
将采样后的所述共模信号作为干扰噪声模板，在前置放大器(PreAMP)输出的差模信号中识别出与所述干扰噪声模板对应的共模干扰分量；以及
去除所述差模信号中的所述共模干扰分量，获得去除了所述共模干扰分量的具有高信噪比的原始期望信号。
2.根据权利要求1所述的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，其特征在于，所述提取来自所述差分信号中的共模信号的步骤包括：
通过所述前置放大器(PreAMP)输出混合信号Smix(t)；所述混合信号Smix(t)的表达式为：Smix(t)＝Si(t)+Sc(t)+Ni(t)，其中，Si(t)表示期望的差分信号成分，Sc(t)表示混合在所述混合信号Smix(t)中的共模干扰分量，Ni(t)表示固有白噪声；
通过所述前置放大器(PreAMP)输出总共模输出Sp(t)；所述总共模输出Sp(t)的表达式为：Sp(t)＝SC(t)+NC(t)，其中，SC(t)表示从所述前置放大器(PreAMP)输出的共模干扰分量，NC(t)表示与所述共模干扰分量SC(t)混合的白噪声；
其中，所述差分信号中的共模干扰分量Sc(t)与所述共模干扰分量SC(t)来自相同的干扰源，所述共模干扰分量Sc(t)与所述共模干扰分量SC(t)满足一线性关系，所述线性关系的表达式为：
SC(t)＝k*Sc(t)；
其中，所述系数k满足如下条件：
Si＝Minimizingk→Var{Smix(t)-k·Sp(t)}；该数学优化方差表达式的物理意义是，差分信号总的干扰分量Sc(t)，是共模干扰分量SC(t)的一个比例缩放；由于SC(t)>Sc(t),k通常小于1；
所述提取来自差分信号中的共模信号的步骤还包括：
根据上述条件确定所述系数k，根据所述系数k确定所述信号中的干扰分量Sc(t)，其中，所述共模干扰分量SC(t)作为所述干扰噪声模板。
3.根据权利要求2所述的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，其特征在于，所述去除所述差模信号中的所述共模干扰分量的步骤具体包括：
识别所述混合信号Smix(t)中的与所述总共模输出Sp(t)对应的共模干扰分量Sc(t)，并去除所述混合信号Smix(t)中的所述共模干扰分量Sc(t)，得到原始期望信号。
4.根据权利要求1所述的用于消除测量系统中电和磁干扰的通用方法，其特征在于，所述方法还包括：
对在信号通道中传输的差模信号进行滤波及放大处理，将所述差模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理；
对在共模通道中传输的共模信号进行与所述差模信号相同的滤波及放大处理，将所述共模信号转换为数字信号，再将所述数字信号存储在存储器中或输出到MCU，以通过所述MCU对所述数字信号进行分析及处理。
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