[發明專利]提高質子磁旋進信號信噪比的系統及方法

在審

• 申請號: 201910580050.4
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110333546A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 劉歡;董浩斌;朱俊;袁志文;葛健;張艷麗
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01V3/40
• 分類號: G01V3/40;G01V3/38
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 龔春來

本發明提供了提高質子磁旋進信號信噪比的系統及方法，本發明采用由PCA算法、SVD算法和FFT算法相結合的方法實現質子旋進類傳感器的調諧，有效克服了現有調諧算法調諧速度慢、干擾環境下調諧精度低、易出現失調現象等缺陷；在減少調諧時間的同時，提高質子旋進類傳感器的調諧精度，可實現寬測量范圍對調諧電容的選擇，提高后期測量信號的信噪比，應用于質子旋進類磁力儀、光泵磁力儀和核磁共振質子旋進FID信號成像儀等依靠質子旋進類傳感器的儀器中，有效提高儀器性能。

技術領域

本發明涉及微弱磁場測量技術領域，具體涉及提高質子磁旋進信號信噪比的系統及方法。

背景技術

質子旋進類磁力儀是一種用于測量緩慢變化的弱磁場或恒定弱磁場的磁場測量儀器，其傳感器即質子旋進類傳感器為電感元件。測量原理是利用一定的激發條件讓電感所在溶液中的質子處于激活狀態，拆去激發條件后質子會圍繞穩定外磁場即地球磁場做拉莫爾旋進運動，產生FID(Free Induction Decay)信號，其旋進頻率正比于外部磁場；故，利用電感感應FID信號，將其放大、整形并測量出頻率，即可得到外部磁場值。與其他磁場測量技術相比，質子旋進類磁力儀具有高精度、高靈敏度等特點，被廣泛應用與空間探測、近地表探測、海洋探測、地磁場測量、軍事技術等領域。由于FID信號的信噪比是衡量測頻精度的重要因素，因此，為增加傳感器輸出FID信號的信噪比，提高測頻精度，需將可變電容與傳感器并聯，進行調諧，此可變電容即為調諧電容。

目前，絕大多數質子旋進類磁力儀采用的傳感器調諧方案為掃描法、預置電容法、盲目自動跟蹤法和二次測量自動跟蹤調諧法。而所有方法的核心工作原理相同：激發傳感器，切換調諧電容，檢測輸出FID信號的峰值電壓，最大峰值電壓處對應的調諧電容容值就是傳感器的調諧值；唯一不同之處在于檢測峰值電壓的手段。中國專利CN103995298A公布了一種優化選擇質子磁力儀配諧電容的方法，在該專利中，首先確定一個固定的調諧電容容值，然后逐次調節來確定最終調諧電容容值。

現有的質子旋進類磁力儀在傳感器調諧算法的設計上仍存在以下問題：1)調諧速度普遍較慢，大約需幾秒鐘，野外實際測量時，當磁場強度變化較大時，往往需要重新對傳感器進行調諧，給用戶帶來很大的不便；2)由于質子旋進類磁力儀輸出的未配諧FID信號極其微弱，很容易受噪音信號干擾，信噪比較低，一旦儀器處于干擾較大的環境，易出現頻譜分析誤差較大造成“失調”，致使儀器無法正常工作。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對上述目前現有的質子旋進類磁力儀在傳感器調諧算法的設計上存在的技術問題，提供提高質子磁旋進信號信噪比的系統及方法解決上述技術缺陷。

提高質子磁旋進信號信噪比的系統，提高質子磁旋進信號信噪比的系統，如圖1所示，包括動態核極化弱磁傳感器、激勵電路、調諧電路、放大電路、窄帶濾波電路、比較電路、采集器、FPGA和控制器；

動態核極化傳感器接收激勵電路發出的激勵信號，感應出FID信號，并傳遞給調諧電路；調諧電路對信號進行調諧后，傳遞給放大電路；放大電路對信號進行放大后，將其分別傳遞給窄帶濾波電路、比較電路以及采集器；窄帶濾波器對信號進行帶通濾波后，將其傳輸給比較電路；比較電路對信號進行整形后，將其傳遞給FPGA進行后期信號處理；采集器與控制器連接，進行數據的采集與處理；控制器與激勵電路連接，控制激勵信號的開啟與關閉；控制器與FPGA連接，對FID信號進行頻率測量；控制器與窄帶濾波器相連接，調整其窄帶中心頻率。

進一步的，控制器用于通過驅動激勵電路激勵傳感器內部溶液使傳感器輸出第一FID信號，激勵完成后等待預設時間，驅動采集器采集所述第一FID信號，生成離散數據；根據所述離散數據構建空間矩陣，并采用PCA算法和SVD算法對所述空間矩陣分別進行主成分分離和奇異值分解以剔除噪聲，獲得重構數據；采用FFT算法處理所述重構數據，獲取所述第一FID信號頻譜中最大峰值電壓對應的第一頻率值；將所述傳感器的電感值和所述第一頻率值代入LC諧振公式求解第一電容值，并驅動調諧電路將與所述傳感器并聯的調諧電容的容值由零切換為所述第一電容值；