自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置及消噪方法

技术领域

本发明涉及一种数据采集装置及数字信号处理方法，尤其适用于核磁共振 (NuclearMagneticResonance,NMR)探水信号的采集并进行抗饱和处理和自 适应实时参考消噪。

背景技术

利用核磁共振原理找水时，由于探测线圈接收到的核磁信号是非常微弱(纳 伏级)的，很容易受尖峰噪声，工频谐波和随机噪声的影响。尤其是在矿井隧道、 城市中心这种强电磁干扰环境中，核磁信号基本处于被工频谐波淹没且饱和的状 态，常规的滤波方法不仅无法有效提取核磁信号，还可能使信号饱和失真。

CN201010537465.2公开了一种带有参考线圈的核磁共振地下水探测系统 及探测方法，通过多路模数转换单元同步采集主通道和参考通道的全波形数据， 采用的变步长自适应算法来滤除工频谐波噪声，提高仪器抗干扰能力。但是，在 采集完全波数据后，再进行自适应消噪，没有现场实时处理，信号还是会被淹没 在噪声中，不能保证数据的可靠性；另外，其变步长算法的步长取决于被测区信 噪比。在进行自适应滤波前需要计算被测区信噪比，过程相当繁琐；除此之外， 还要使用几十阶变步长自适应滤波器，才能取得一定效果。

CN201410142630.2公开了一种多个近端参考线圈的核磁共振信号实时噪 声抵消装置，由主接收线圈与一个以上参考收线圈分别经地面核磁共振仪器的多 通道信号调理电路后与数模转换器连接，转换成数字量进入数字信号处理(DSP) 芯片，数模转换器与主自适应滤波器相连，参考信号通道数模转换器分别于自适 应滤波器连接构成。其利用数字信号处理芯片来做自适应算法，速度较慢，难以 实时实现；采用的最小均方(LMS)算法、归一化最小均方(NLMS)算法，收 敛速度慢，稳态误差较大；而最小二乘算法(RLS)计算量过大，也很难实时实 现。另外，该专利也不能解决强电磁干扰环境下信号饱和的问题。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述技术存在的问题，提供一种适合于在矿井隧道、 城市中心这种强电磁干扰环境中探测水源的抗饱和实时消噪装置

本发明的另一目的是提供一种自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置的 消噪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置，是由参考线圈a1经前端处理模块 a4与AD采集模块8连接，探测线圈0经前端处理模块b5与AD采集模块8连 接，参考线圈b2经前端处理模块c6与AD采集模块8连接，参考线圈c3经前 端处理模块d7与AD采集模块8连接，前端处理模块a4经前端处理模块b5、 前端处理模块c6、前端处理模块d7和FPGA模块9分别与AD采集模块8和前 端处理模块a4连接，AD采集模块8经FPGA模块9、数据传输模块10和PC 模块11与FPGA模块9连接构成。

前端处理模块a4由继电器控制电路a12经低噪声前放电路a13和带通滤波 器a14与程控放大器a15连接构成；前端处理模块b5由继电器控制电路b16经 低噪声前放电路b17和带通滤波器b18与程控放大器b19连接构成；前端处理 模块c6由继电器控制电路c20经低噪声前放电路c21和带通滤波器c22与程控 放大器c23连接构成；前端处理模块d7由继电器控制电路d24经低噪声前放电 路d25和带通滤波器d26与程控放大器d27连接构成。

FPGA模块9由AD控制模块28，抗饱和模块29和自适应滤波模块30组 成。其中AD控制模块28由PC11控制产生同步信号；抗饱和模块29自动调节 程控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放大器d27的放大倍 数。

自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置的消噪方法，包括以下步骤：

a.铺设一个方形探测线圈0和三个多匝参考线圈a1、参考线圈b2、参考线 圈c3；参考线圈尽可能靠近干扰源铺设，参考线圈尽可能靠近干扰源铺设，参考 线圈中心到探测线圈中心的距离大于正方形探测线圈的边长。

b.系统上电，通过PC模块11初始化各模块；

c.在采集开始时，PC模块11发出采集控制指令，经数据传输模块10送到 FPGA模块9中，由AD控制模块28产生同步信号，驱动继电器控制电路a12、 继电器控制电路b16、继电器控制电路c20和继电器控制电路d24与高精度AD 采集模块8同步工作；

d.继电器打开后，信号经继电器控制电路a12、继电器控制电路b16、继电 器控制电路c20和继电器控制电路d24到低噪声前放电路a13、低噪声前放电路 b17、低噪声前放电路c21和低噪声前放电路d25放大，之后经宽频带带通滤波 器a14、宽频带带通滤波器b18、宽频带带通滤波器c22和宽频带带通滤波器d26 滤波放大，再通过程控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放 大器d27被再次放大，模拟信号d0(t)、X1(t)、X2(t)和X3(t)通过高精度AD 采集模块8转换成数字信号d0(n)、X1(n)、X2(n)和X3(n)；

e.FPGA模块9产生采集时钟频率并同步地将四路数字信号读入FPGA芯片 中，经抗饱和模块29判断信号是否饱和，饱和时，FPGA模块会自适应的调节程 控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放大器d27的倍数直到 信号处于临界饱和状态；

f.抗饱和模块29的四个不饱和信号同时进入自适应滤波模块30，进行自适 应实时消噪处理；

g.自适应滤波模块30的输出及自适应滤波器的权系数,经数据传输模块10 打包后送到PC模块11中，并显示波形图；

h.观察自适应滤波器的权系数，判断权系数是否快速稳定收敛，对不收敛、慢 收敛或稳态误差明显的，通过PC模块11重新设置自适应滤波器参数，PC模块 11直接将这些参数送到FPGA模块9中的自适应滤波模块30，进行滤波器参数 的修改；

i.修改好滤波器参数后，从步骤b到步骤h重复进行,直到权系数快速稳定的 收敛为止，固定滤波器参数，进行不同深度水体的探测，存储数据，并作核磁信 号的数据反演。

有益效果：采用三个多匝小线圈作为参考通道，三个多匝小线圈与探测线圈 的距离大于探测线圈的边长，可避免了核磁信号的感应。通过FPGA中抗饱和模 块使信号被尽可能放大且不饱和；再利用自适应消噪算法对信号进行实时参考消 噪。利用PC模块实时修改自适应滤波器参数，能适应各种复杂的探测环境。在强 电磁干扰环境中，本发明的消噪装置和消噪方法，不仅保证核磁信号不失真，还 起到抗饱和、抑制工频谐波干扰的作用，并能在低信噪比且易饱和的探测现场实 时检测到核磁信号，为后续核磁信号的数据反演奠定可靠基础。

附图说明

图1为自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置结构框图

图2为附图1中前端处理模块结构框图

图3为附图1中FPGA模块9的结构框图

图4为附图3中自适应滤波模块30算法原理图

图5为三个参考信号的5阶变步长梯度自适应格型联合算法原理图

图6为参考线圈与探测线圈野外铺设图

0探测线圈，1参考线圈a，2参考线圈b，3参考线圈c，4前端处理模块a， 5前端处理模块b，6前端处理模块c，7前端处理模块d，8高精度AD采集模 块，9FPGA模块，10数据传输模块，11PC模块，12继电器控制电路a，13 低噪声前放电路a，14带通滤波器a，15程控放大器a，16继电器控制电路b， 17低噪声前放电路b，18带通滤波器b，19程控放大器b，20继电器控制电路 c，21低噪声前放电路c，22带通滤波器c，23程控放大器c，24继电器控制电 路d，25低噪声前放电路d，26带通滤波器d，27程控放大器d，28AD控 制模块，29抗饱和模块，30自适应滤波模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明：

自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置，是由参考线圈a1经前端处理模块 a4与AD采集模块8连接，探测线圈0经前端处理模块b5与AD采集模块8连 接，参考线圈b2经前端处理模块c6与AD采集模块8连接，参考线圈c3经前 端处理模块d7与AD采集模块8连接，前端处理模块a4经前端处理模块b5、 前端处理模块c6、前端处理模块d7和FPGA模块9分别与AD采集模块8和前 端处理模块a4连接，AD采集模块8经FPGA模块9、数据传输模块10和PC 模块11与FPGA模块9连接构成。

前端处理模块a4由继电器控制电路a12经低噪声前放电路a13和带通滤波 器a14与程控放大器a15连接构成；前端处理模块b5由继电器控制电路b16经 低噪声前放电路b17和带通滤波器b18与程控放大器b19连接构成；前端处理 模块c6由继电器控制电路c20经低噪声前放电路c21和带通滤波器c22与程控 放大器c23连接构成；前端处理模块d7由继电器控制电路d24经低噪声前放电 路d25和带通滤波器d26与程控放大器d27连接构成。

FPGA模块9由AD控制模块28，抗饱和模块29和自适应滤波模块30组 成。其中AD控制模块28由PC11控制产生同步信号；抗饱和模块29自动调节 程控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放大器d27的放大倍 数。

自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置的消噪方法，包括以下步骤：

a.铺设一个方形探测线圈0和三个多匝参考线圈a1、参考线圈b2、参考线 圈c3；参考线圈尽可能靠近干扰源铺设，参考线圈尽可能靠近干扰源铺设，参考 线圈中心到探测线圈中心的距离大于正方形探测线圈的边长。

b.系统上电，通过PC模块11初始化各模块；

c.在采集开始时，PC模块11发出采集控制指令，经数据传输模块10送到 FPGA模块9中，由AD控制模块28产生同步信号，驱动继电器控制电路a12、 继电器控制电路b16、继电器控制电路c20和继电器控制电路d24与高精度AD 采集模块8同步工作；

d.继电器打开后，信号经继电器控制电路a12、继电器控制电路b16、继电 器控制电路c20和继电器控制电路d24到低噪声前放电路a13、低噪声前放电路 b17、低噪声前放电路c21和低噪声前放电路d25放大，之后经宽频带带通滤波 器a14、宽频带带通滤波器b18、宽频带带通滤波器c22和宽频带带通滤波器d26 滤波放大，再通过程控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放 大器d27被再次放大，模拟信号d0(t)、X1(t)、X2(t)和X3(t)通过高精度AD 采集模块8转换成数字信号d0(n)、X1(n)、X2(n)和X3(n)；

e.FPGA模块9产生采集时钟频率并同步地将四路数字信号读入FPGA芯片 中，经抗饱和模块29判断信号是否饱和，饱和时，FPGA模块会自适应的调节程 控放大器a15、程控放大器b19、程控放大器c23和程控放大器d27的倍数直到 信号处于临界饱和状态；

f.抗饱和模块29的四个不饱和信号同时进入自适应滤波模块30，进行自适 应实时消噪处理；

g.自适应滤波模块30的输出及自适应滤波器的权系数,经数据传输模块10 打包后送到PC模块11中，并显示波形图；

h.观察自适应滤波器的权系数，判断权系数是否快速稳定收敛，对不收敛、慢 收敛或稳态误差明显的，通过PC模块11重新设置自适应滤波器参数，PC模块 11直接将这些参数送到FPGA模块9中的自适应滤波模块30，进行滤波器参数 的修改；

i.修改好滤波器参数后，从步骤b到步骤h重复进行多次，直到权系数快速稳 定的收敛为止，固定滤波器参数，进行不同深度水体的探测，存储数据，并作核 磁信号的数据反演。

附图1是自适应滤波的磁共振信号抗饱和消噪装置结构框图，是由探测线圈0 与参考线圈1、2、3分别经前端处理模块5、4、6、7后与AD采集模块8相连, 转换成数字量后进入FPGA模块9中，经数据传输模块10连接至PC11。

附图2是前端处理模块内部结构框图，前端处理模块4由继电器控制电路12， 低噪声前放电路13，带通滤波器14，程控放大器15连接构成；前端处理模块5 由继电器控制电路16，低噪声前放电路17，带通滤波器18，程控放大器19连 接构成；前端处理模块6由继电器控制电路20，低噪声前放电路21，带通滤波 器22，程控放大器23连接构成；前端处理模块7由继电器控制电路24，低噪声 前放电路25，带通滤波器26，程控放大器27连接构成。

附图3是FPGA模块内部结构框图，FPGA模块9主要由AD控制模块28， 抗饱和模块29和自适应滤波模块30组成。其中AD控制模块28由PC11控制 产生同步信号；抗饱和模块29自动调节程控放大器15、19、23、27的放大倍 数。

附图4是自适应滤波模块算法的原理图，由多级格型预测器和VSLMS滤波 器构成。

PC模块11控制自适应滤波模块30的滤波器参数。

附图5是变步长梯度自适应格型联合算法原理图，是由格型预测器和变步长 LMS期望响应估计器(VSLMS滤波器)组成，其中格型预测器迭代公式为：

f₀(n)＝b₀(n)＝X(n)

f_m(n)＝f_m-1(n)+k_mb_m-1(n-1)

b_m(n)＝b_m-1(n-1)+k_mb_m-1(n)

k_m(n+1)＝k_m(n)-u[f_m(n)b_m-1(n-1)+b_m(n)f_m-1(n)]

(m＝1，2……M)

变步长LMS期望响应估计器迭代公式：

e₀(n)＝d(n)

e_m+1(n)＝e_m(n)-W_m(n)b_m(n)

$u\left(n\right)=\alpha u(n-1)+\beta [1-e^{-{e_{m+1}}^2\left(n\right)}]$

W_m(n+1)＝W_m(n)+u(n)e_m+1(n)b_m(n)

(m＝0，1……M)

其中VSLMS滤波器的时变步长参数是由记忆因子u(n-1)和指数因子 组成。算法的稳态误差主要由常参量α决定，收敛速度主要由常参量β决 定。通过修改这两个参数，可以使算法拥有优越的跟踪性能与较好的稳态误差。 同一参考信号的所有反射系数k_m(n)(m＝1，2……M)的步长u都设置一样；同一参 考信号的所有记忆因子的常参量α和指数因子的常参量β也都分别设置一样，以便 现场实时修改，尽快达到最好的滤波性能。

附图6是线圈铺设的平面示意图，一个大的方形探测线圈0，3个多匝小型参 考线圈1,参考线圈2,参考线圈3；探测线圈0与参考线圈1,参考线圈2,参考 线圈3的中心距离要大于方形探测线圈0的边长，参考线圈尽可能靠近干扰源。

实施例1

在长春市烧锅镇做抗饱和自适应实时参考消噪实验。具体实施步骤如下：

a.铺设100mx100m的方形线圈作为发射线圈，以发射线圈的中心为基准， 铺设25mx25m的探测线圈0，在距离基准30m左右的3个参考点铺设20匝 50cmx50cm的参考线圈1、2、3。

b.对整个系统上电，通过PC初始化各模块(程控放大器15、19、23、27 的倍数设为最大的16倍)。

c.在采集开始时，PC11发出采集的相关控制指令，经数据传输模块10送 到FPGA模块9中，由AD控制模块28产生同步信号，驱动继电器控制电路12、 16、20、24与高精度AD采集模块8同步开始工作。

d.在继电器打开后，信号经过继电器控制电路12、16、20、24，到低噪声 前放电路13、17、21、25被放大，之后被宽频带带通滤波器14、18、22、26 滤波放大，再通过程控放大器15、19、23、27被再次放大。模拟信号d0(t)、 X1(t)、X2(t)、X3(t)通过高精度AD采集模块8转换成数字信号d0(n)、X1(n)、 X2(n)、X3(n)。

e.FPGA模块9控制采集时钟频率并同步地将数字信号读入FPGA芯片中。 经抗饱和模块29判断信号不饱和。

f.4个通道的不饱和信号同时进入自适应滤波模块30，采用图4中的变步长 梯度自适应格型联合算法对其进行自适应实时消噪处理。

g.自适应滤波模块30的输出及自适应滤波器的系数,在数据传输模块10打 包好之后会被送到PC11中，并在波形图中显示。

h.观察自适应滤波器的系数，发现系数收敛较慢。通过PC11重新设置自适 应滤波器参数。PC11直接将这些参数送到FPGA模块9中的自适应滤波模块30， 进行滤波器参数的修改。

i.从步骤b开始到步骤h，重复进行多次实验，直到自适应滤波器的系数快 速稳定的收敛为止。固定滤波器参数进行不同深度水体探测实验，存储数据，用 来做核磁信号的数据反演。由实验数据算得核磁信号的信噪比提高30db以上。

实施例2：

在吉林大学中心校区做抗饱和自适应实时参考消噪实验。具体实施步骤如下：

a.铺设100mx100m的方形线圈作为发射线圈，以发射线圈的中心为基准， 铺设25mx25m的探测线圈0，在距离基准35m左右的3个参考点铺设20匝 1mx1m的参考线圈1、2、3。

b.对整个系统上电，通过PC初始化各模块(程控放大器15、19、23、27 的倍数设为最大的16倍)。

c.在采集开始时，PC11发出采集的相关控制指令，经数据传输模块10送 到FPGA模块9中，由AD控制模块28产生同步信号，驱动继电器控制电路12、 16、20、24与高精度AD采集模块8同步开始工作。

d.在继电器打开后，信号经过继电器控制电路12、16、20、24，到低噪声 前放电路13、17、21、25被放大，之后被宽频带带通滤波器14、18、22、26 滤波放大，再通过程控放大器15、19、23、27被再次放大。模拟信号d0(t)、 X1(t)、X2(t)、X3(t)通过高精度AD采集模块8转换成数字信号d0(n)、X1(n)、 X2(n)、X3(n)。

e.FPGA模块9控制采集时钟频率并同步地将数字信号读入FPGA芯片中。 经抗饱和模块29判断信号饱和。抗饱和模块29自动调整程控放大倍数，到2倍 时信号不饱和。

f.4个通道的不饱和信号同时进入自适应滤波模块30。采用图4中的变步长 梯度自适应格型联合算法对其进行自适应实时参考消噪。

g.自适应滤波模块30的输出及自适应滤波器的系数,在数据传输模块10打 包好之后会被送到PC11中，并在波形图中显示。

h.观察自适应滤波器的系数，发现系数不收敛。通过PC11重新设置自适应 滤波器参数。PC11直接将这些参数送到FPGA模块9中的自适应滤波模块30， 进行滤波器参数的修改。

i.从步骤b开始到步骤h，重复进行多次实验，直到自适应滤波器的系数快 速稳定的收敛为止。固定滤波器参数进行不同深度水体探测实验，存储数据，用 来做核磁信号的数据反演。由实验数据算得核磁信号信噪比提高35db以上。