核磁共振超前探測低矩形系數程控濾波器設計*

王應吉，馬中凱，張　濤

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春130061）

核磁共振超前探測低矩形系數程控濾波器設計*

王應吉，馬中凱，張濤

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院 地球信息探測儀器教育部重點實驗室，吉林 長春130061）

核磁共振(NMR)找水儀器研制成功后，已經廣泛應用。但是由于隧道環境條件惡劣，干擾噪聲復雜，對信號采集造成較大干擾。借鑒了參差濾波器的設計思路，利用開關電容結合高精度數控電位器，設計了一款中心頻率和帶寬均可精細程控的窄帶濾波器。實現了濾波器Q值的精細調節，其矩形系數小，選擇性好，檢測弱信號能力強，可靈活調整,已成功應用到核磁共振隧道超前探測科研樣機中。

核磁共振；濾波器；低矩形系數；頻率連續可調；Q值

0　引言

應用核磁共振探測技術探測地下水是核磁共振技術應用的新領域，開創了應用地球物理方法直接探測地下水的先河[1]。核磁共振是指當射頻磁場的頻率滿足一定條件時，原子核系統中的核子在穩定磁場和射頻磁場的共同作用下形成宏觀磁矩，用線圈拾取宏觀磁矩進動產生的電磁信號以探測水的存在[2]。隧道涌水超前探測是核磁共振技術超前探測的新應用領域，進行隧道涌水探測時，線圈面向探測方向進行鋪設，線圈中通入電流從而在水體位置形成激發場，水中氫質子產生能級躍遷，接收線圈接收信號[3-7]。由于隧道環境條件惡劣，干擾噪聲復雜，為提高核磁共振隧道探測信噪比，需要濾波器有更好的矩形系數，大大提高電路的選擇性。

1　設計原理

參差調諧放大器具有頻帶寬、矩形系數小的優點。對于n級參差濾波電路，其增益表達式為：

式中，Hi為單級濾波節的增益，ωi為單級濾波節的角頻率，Qi為單級濾波節的品質因數。

極點表達式：

若 S1，S2…Sn分布在以 ω0為圓心的左半圓上，且各個極點為正 2n邊形的頂點，該圓半徑為 r，與 jω軸交于截止頻率 ωH和 ωL，如圖1所示，當 ω=ω0時有最大平坦響應[8]：

圖1　n級參差濾波電路極點圖

由上面n級參差濾波器極點的幾何關系，根據所需要的中心頻率f0和帶寬BW0，就可得到所需設置的各個濾波節的參數，五參差時各個濾波節應設定的頻率和帶寬[9]：

2　總體方案設計

本設計中濾波器采用5級濾波節設計。每個濾波節均為可分別程序控制中心頻率及帶寬和固定放大倍數，分別配置參數可實現降低矩形系數的目的。

2.1硬件設計

系統硬件采用 430芯片結合 CPLD的控制方案，如圖2所示。信號輸入經過輸入緩沖器后，依次通過5級濾波，然后經過后級放大后輸出?？刂破鳛?30芯片，通信接口為PL2303芯片，時鐘發生單元是 CPLD。當控制器接收到上位機數據后，對濾波器帶寬和增益進行設置，同時設置時鐘發生單元。濾波節均采用雙二階半程控開關電容濾波器結合數控電位計，通過程控數控電位計來實現中心頻率、Q值和放大倍數的精細程控。

圖2　硬件系統框圖

2.2軟件設計

軟件設計包括三個部分：時鐘信號部分的軟件設計、下位單片機的軟件設計、上位機的軟件設計。上位機完成各個濾波節的中心頻率和帶寬計算，然后采用全雙工異步串行通信方式，將所需的設置數據給下位機。下位機接收到設置數據后，將數據轉換為各個硬件模塊需要的數據格式并依次將其寫入到硬件模塊中。時鐘信號部分采用CPLD產生，運用模塊化的設計方法，接收從下位機控制器發來的控制信號，產生5路頻率可程控的方波。

3　實測結果

3.1系統單獨測試

圖3為程控窄帶濾波系統的頻率特性測試圖，測試儀器為安捷倫E5061B網絡分析儀。圖3(a)為設置中心頻率為1 600 Hz、帶寬為 40 Hz；圖3(b)為設置中心頻率為2 600 Hz、帶寬為100 Hz；4種設置狀態濾波器的矩形系數均小于2.0，且通帶內較平坦。

圖3　頻率特性測試圖

由于核磁共振找水儀器的采集器常用帶寬為100 Hz，故將中心頻率從 1.1 kHz～2.6 kHz步進 20 Hz，帶寬為100 Hz的狀態全部測出繪制出如圖4曲線，可以看出隨著設置中心頻率的增加，矩形系數可以穩定保持在1.7，濾波器增益有最大約 34.8 dB的波動，實際帶寬能保持最大3 Hz的誤差，此參數水平完全達到設計要求。

3.2整機測試

圖5是2014年7月4日在吉林省長春市文化廣場，利用核磁同步信號源和環境噪聲進行的整機測試和對比。參數設定：NMR信號頻率2 363 Hz，設置帶寬100 Hz，測量疊加16次，測量天線為12 m×12 m的4匝天線，主要干擾為工頻諧波。圖6為參差窄帶濾波器使用前后數據對比圖，上半圖為時域采集圖，下半圖為頻域圖。點曲線和實曲線為兩次信號采集，虛曲線為噪聲采集，最中間波峰為NMR信號成分。

圖4　程控參差窄帶濾波器矩形系數、增益與頻率關系

圖5　整機測試

圖6　參差窄帶濾波器使用前后數據對比圖

從圖6中可以明顯看到，采用參差窄帶濾波器，通帶外噪聲基本被壓制干凈，帶內噪聲小于信號；而未采用參差窄帶濾波器，通帶外的噪聲依然存在并較強，帶內噪聲強于信號。參差濾波器通帶外抑制效果十分優秀。

3.3野外實測

實驗組于2014年8月4日于吉林省長春市農安縣燒鍋鎮采用本窄帶濾波器進行野外實測，實驗地拉摩爾頻率為2 326 Hz，實驗中發射線圈為4 m×4 m線圈共12匝，接收線圈為4 m×4 m線圈共45匝，窄帶濾波器設置中心頻率 2 326 Hz，設置帶寬 100 Hz，激發電流 24.94 A時成功獲取NMR信號，右側波峰為 NMR信號，左側波峰為環境干擾頻率成分，參差濾波系統工作正常，達到實驗目的，圖7為實測數據，其中虛曲線為不發射激發電流的空采噪聲，點曲線和實曲線為發射激發電流的連續兩次采集結果。

圖7　野外實測數據曲線及頻譜圖

4　結論

由于核磁共振隧道超前探測系統靈敏度很高，可檢測到的信號為納伏級。但隧道環境條件惡劣，干擾噪聲復雜，工頻諧波頻率會出現在核磁共振信號頻率范圍內，對信號采集造成很大干擾。本設計的窄帶濾波器中心頻率和帶寬均可精細程控，矩形系數小，選擇性十分好，有很強的弱信號檢測能力，具備調整的功能，現已成功應用到核磁共振隧道超前探測科研樣機中。

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Design of low rectangle coefficient and program-controlled narrow-band filter in NMR advanced detection

Wang Yingji，Ma Zhongkai，Zhang Tao
(Lab.of Geo-Exploration and Instrumentation Ministry of Education of China,College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China)

Nuclear Magnetic Resonance(NMR)water seking instrument has been successfully developed and widely applied. Power frequency and its harmonic frequency appear in NMR signal frequency range,which causes larger interference in signal acquisition.Referencing to the design train of jagged filter,using combination of switch capacitance and high precision numerical control potentiometer，a narrow band filter is designed，whose center frequency and band width are controllable.It′s effective in reducing the rectangular coefficient of the filter,and implements the continuous adjustments of Q value.The NMR amplifier has good selectivity,strong ability to detect weak signal and can be adjusted flexibly,finely and intelligently.

NMR；filter；low rectangular coefficient；frequency continuous adjustable；Q value

TH763.1

A

0258-7998(2015)01-0068-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014082203067

國家重大科學儀器設備開發專項（2011YQ030133）；科技部科技創新工作方法項目（3B810Z950537）

2014-08-22)

王應吉(1956-)，男，教授，主要研究方向：地球物理探測技術。

馬中凱（1989-），男，碩士，主要研究方向：地學電磁法儀器。